天鯤號絞吸挖泥船挖巖作業(yè)配套船舶技術(shù)研究

毛建輝，費(fèi)龍，王顯力，丁勇，張瑩

（中國船舶與海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的加速發(fā)展以及國際疏浚業(yè)的不斷壯大，大型絞吸式挖泥船已成為該領(lǐng)域的關(guān)鍵裝備。我國研制了天鯤號超大型絞吸挖泥船。其泥泵系統(tǒng)功率高達(dá)17 000 kW，不僅能夠挖掘淤泥、黏土、密實(shí)砂質(zhì)土、礫石，而且還能挖掘單側(cè)抗壓強(qiáng)度50 MPa 以內(nèi)的中弱風(fēng)化巖。

為最大化天鯤號的效能，研究者們對此進(jìn)行了深入研究。張曉楓等[1]詳細(xì)介紹了其船型、主尺度和總布置等設(shè)計(jì)亮點(diǎn)；張更生等[2]分享了其在廣西某港航道擴(kuò)建工程中疏浚風(fēng)化砂巖的經(jīng)驗(yàn)；佟德財(cái)?shù)萚3]對天鯤號在某海外工程中與小型泥駁配合時(shí)的效率問題給出了建設(shè)性的建議。此外，孫雪夢和沈偉平的研究[4]為大型疏浚項(xiàng)目中絞吸船和耙吸船協(xié)同作業(yè)提供了新的策略。邵善慶[5]探討了一種新型的開體式耙吸挖泥船的設(shè)計(jì)思想。

要充分釋放天鯤號的巨大疏浚潛能，引入高效的“疏浚挖掘與物料運(yùn)輸?shù)挠行Х蛛x”（簡稱“挖-運(yùn)分離”）物流策略是關(guān)鍵[6]。這需要為天鯤號定制一艘與之匹配的開體式耙吸挖泥船。本文詳細(xì)討論了開體式耙吸挖泥船在主尺度和艙容、快速靠泊、泥艙結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度、疏浚系統(tǒng)和船舶布局等方面與天鯤號的匹配問題。最后，提出了一種新穎的開體式耙吸船方案，能夠完全滿足天鯤號挖巖裝駁和運(yùn)輸?shù)男枨?，?shí)現(xiàn)“挖-運(yùn)分離”物流策略；能夠開展后期掃淺挖泥作業(yè)，減少天鯤號的占用期，從而顯著提升整體經(jīng)濟(jì)效益。

1 研究背景

“天鯤號”是一艘超大功率的絞吸挖泥船，主要服務(wù)于港口航道疏浚、島礁建設(shè)及圍海吹填造地等任務(wù)。當(dāng)進(jìn)入施工區(qū)域后，天鯤號首先拋下左右橫移錨、落下主樁，隨后利用橋架絞車將絞刀架下放至水下，然后啟動泥泵和絞刀。絞刀切削泥土后，將泥水混合物從吸口經(jīng)吸管吸入泥泵，再通過排泥管線連續(xù)輸送排至泥場[1，6]。對于巖石等粒徑較大的石料的挖掘，則無法直接通過排泥管線輸送，需要采用邊挖邊裝駁的施工工藝，與泥駁配合完成疏浚物料的運(yùn)輸。

開體式耙吸挖泥船屬于一類獨(dú)特的挖泥船。其裝備有耙頭、耙管、泥泵、高壓沖水泵等疏浚設(shè)備，可以進(jìn)行耙吸挖泥作業(yè)。該船的設(shè)計(jì)與自航開體泥駁類似，船體中央設(shè)有大容量泥艙，用于裝載泥漿和石料。船體分為左右2 個(gè)片體，通過泥艙前后端的2 個(gè)主鉸鏈和2 個(gè)開體液壓油缸，可以沿中心線打開，從而迅速拋卸艙內(nèi)物料。這使得開體式耙吸挖泥船同時(shí)具備耙吸挖泥船和開體泥駁的雙重特性[5-6]。但由于其艙容相對較小，且往往面向特定場景使用，所以國內(nèi)外該船型數(shù)量相對較少。

在大型吹填工程中，如迪拜的一系列填海筑島項(xiàng)目，普遍采用“挖-運(yùn)分離”的物流策略以提高疏浚效率。在工程初期，絞吸式挖泥船主要用于大規(guī)模挖砂和挖巖，開體式耙吸挖泥船則作為絞吸挖泥船的配套泥駁，負(fù)責(zé)長距離的物料運(yùn)輸，既節(jié)省了工程成本又提高了工程進(jìn)度[6]。在工程后期，開體式耙吸挖泥船能夠獨(dú)立進(jìn)行掃淺挖泥作業(yè)，而絞吸挖泥船可用于新工程。這一策略可以減少大型絞吸挖泥船的占用期，提高工程整體經(jīng)濟(jì)性。

盡管天鯤號自2019 年起就已投入市場運(yùn)營，但目前尚無與之配套的開體式耙吸挖泥船。為了實(shí)施“挖-運(yùn)分離”的高效物流策略，有必要開發(fā)一艘與天鯤號匹配的開體式耙吸挖泥船。其設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)主要有：1） 確保開體式耙吸挖泥船的主要參數(shù)和性能能夠與天鯤號匹配；2） 保證開體式耙吸挖泥船具備優(yōu)良的操縱性能，能快速靠泊天鯤號；3） 滿足開體式耙吸挖泥船快速裝卸和高效挖泥的需求。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 主尺度和泥艙艙容

1） 裝駁作業(yè)對船舶主尺度和艙容的限制

在船舶設(shè)計(jì)中，滿足特定任務(wù)要求的船型選擇是至關(guān)重要的。對于與天鯤號配套的開體式耙吸挖泥船來說，其主尺度和艙容設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足裝駁作業(yè)的特殊要求。在風(fēng)浪條件下，根據(jù)小船更易靠泊大船的經(jīng)驗(yàn)，開體式耙吸挖泥船的船長應(yīng)略小于天鯤號船長（約122 m）。為避免裝駁時(shí)橫向裝載不平衡造成的風(fēng)險(xiǎn)，考慮到天鯤號裝駁管出口到舷外的距離約11 m，經(jīng)扣除靠泊碰墊厚度后，實(shí)際伸入的有效寬度約為10 m。因此，結(jié)合裝駁管出口到船舶中心線的允許距離（約1 m），推薦的開體式耙吸挖泥船型寬為18～22 m，如圖1所示。

圖1 天鯤號絞吸挖泥船和開體式耙吸挖泥船配合裝駁作業(yè)Fig.1 Coordinated loading operation of the cutter suction dredger"Tiankun"and split trailing suction hopper dredger

為保證能夠在相同水域作業(yè)，開體式耙吸挖泥船的作業(yè)吃水應(yīng)與天鯤號保持一致，約為6.5 m。綜合以上裝駁作業(yè)對開體式耙吸挖泥船主尺度的限制條件，與其匹配的泥艙艙容約為3 500～5 000 m3。

2） 開體船型泥艙艙容的設(shè)計(jì)界限

開體式耙吸挖泥船結(jié)構(gòu)主要依賴2 個(gè)縱艙壁及船體外板來承受外力。隨著船體尺度的增加，船體可能會出現(xiàn)明顯的變形，這將導(dǎo)致泥艙密封性變差，從而影響泥艙艙容設(shè)計(jì)。根據(jù)國外實(shí)際已交付使用的船舶資料，開體船型泥艙最大艙容約為3 700 m3。

開體船型的關(guān)鍵設(shè)備之一是開體液壓油缸，它控制主船體兩片體的啟閉。在卸泥階段，它將兩片體繞鉸鏈向外打開，卸泥完成后，兩片體自行關(guān)閉[7]。由于開體液壓油缸的限制，開體船型的泥艙艙容通常在3 000～5 000 m3。

3） 泥艙艙容與天鯤號疏浚能力的匹配

為確保天鯤號持續(xù)高效作業(yè)，綜合考慮其泥泵產(chǎn)量（挖巖能力是1 000 m3/h）和整個(gè)工程的泥駁船隊(duì)配置，預(yù)計(jì)裝艙時(shí)間約3～4 h[4]。因此，開體式耙吸挖泥船的泥艙艙容應(yīng)設(shè)計(jì)在3 000～4 500 m3。

綜合以上因素，推薦開體式耙吸挖泥船船長約100 m，船寬約22 m，吃水約6.5 m，泥艙艙容約4 200 m3。

2.2 靠泊設(shè)計(jì)

開體式耙吸挖泥船的設(shè)計(jì)應(yīng)高度重視靈活性和操縱性，這是安全快速靠泊的關(guān)鍵。

1） 推進(jìn)系統(tǒng)和操縱的靈活性

盡管常規(guī)螺旋槳和舵組合的結(jié)構(gòu)簡單，但其低航速時(shí)舵效變差，操縱性表現(xiàn)不佳，不適合快速靠泊作業(yè)。推薦在開體式耙吸挖泥船中采用全回轉(zhuǎn)舵槳，它可使船舶能夠執(zhí)行橫向移動、急速后退、微速轉(zhuǎn)向等多種操作，以滿足靠泊時(shí)對靈活性的要求。此外，該舵槳應(yīng)具備帶導(dǎo)管和可調(diào)螺距的功能，以適應(yīng)在耙吸挖泥作業(yè)時(shí)對拖曳力的特定需求。

為進(jìn)一步增強(qiáng)操縱靈活性，開體式耙吸挖泥船艏部應(yīng)裝備1 臺隧道式側(cè)推裝置。盡管噴泵式側(cè)推裝置能夠不受片體影響，提供多方向的推力，但其在同等功率下產(chǎn)生的側(cè)向推力相對較小。因此，建議選擇隧道式側(cè)推裝置，并設(shè)置側(cè)推導(dǎo)管的片體間對接結(jié)構(gòu)，有助于減少推力損失。

2） 靠泊裝置和作業(yè)效率

開體式耙吸挖泥船應(yīng)根據(jù)天鯤號的系泊設(shè)計(jì)，在船艏和船艉設(shè)置快速釋放脫鉤（額定拉力不小于500 kN）。這種配置與天鯤號的恒張力絞車（恒張力范圍100～500 kN）相匹配，旨在實(shí)現(xiàn)快速帶纜和解纜操作，從而確?？坎醋鳂I(yè)的效率和安全[3]。

3） 靠泊的其他安全考量

為確?？坎磶Ю|作業(yè)的人員安全，兩船作業(yè)區(qū)的干舷應(yīng)盡量接近。鑒于天鯤號和開體式耙吸挖泥船主甲板的艏艉部干舷差異，通過設(shè)計(jì)開體式耙吸挖泥船的艏樓以及艉部升高甲板，使其與天鯤號干舷相當(dāng)。將快速釋放脫鉤布置在上述的艏樓和艉升高甲板上，從而保證帶纜作業(yè)人員安全。同時(shí)，為避免靠泊過程中潛在的碰撞損壞，建議船體舭部取消舭龍骨，而改用折角線型設(shè)計(jì)；舷側(cè)的錨臺布置也應(yīng)充分考慮碰撞損壞風(fēng)險(xiǎn)。

4） 靠泊指揮和通信

在靠泊作業(yè)時(shí)，天鯤號擔(dān)任指揮船，因此開體式耙吸挖泥船靠泊和離開均需得到天鯤號的確認(rèn)。在此過程中，兩船的通信系統(tǒng)應(yīng)保持密切和有效的溝通，確保整個(gè)作業(yè)過程的安全。

2.3 泥艙結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)

開體式耙吸挖泥船的泥艙結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)須應(yīng)充分研究天鯤號在挖巖作業(yè)中的特殊要求和自身的開體船型特征。

泥艙位置和長度的設(shè)計(jì)，應(yīng)確保與天鯤號的裝駁架完全匹配。為了抵御天鯤號挖巖作業(yè)時(shí)石塊的沖擊，泥艙區(qū)域的斜壁板和橫壁板厚度應(yīng)在規(guī)范規(guī)定的基礎(chǔ)上增厚2 mm，同時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)板材也應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。

與傳統(tǒng)耙吸挖泥船不同，開體式耙吸挖泥船的泥艙中不設(shè)橫梁和縱向三角艙等結(jié)構(gòu)，也無泥門等拋泥設(shè)備，雖然這樣有利于卸泥，但給泥艙結(jié)構(gòu)和總縱強(qiáng)度設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。為應(yīng)對這一問題，應(yīng)開展泥艙艙段的有限元計(jì)算分析和總強(qiáng)度設(shè)計(jì)，既要保證船體整體總縱強(qiáng)度，又要滿足由于泥艙內(nèi)外密度不同產(chǎn)生的半體橫向強(qiáng)度。同時(shí)，通過對泥艙橫向變形量的精確分析，確保片體間和泥艙密封裝置的有效配合，避免碎石泄漏。

2.4 疏浚系統(tǒng)

開體式耙吸挖泥船的疏浚系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)作特殊考慮，以滿足天鯤號后期的掃淺挖泥作業(yè)的特殊需求。

1） 考慮到耙管可能會影響裝駁作業(yè)，建議開體式耙吸挖泥船僅設(shè)置單耙。這種配置不僅設(shè)備簡單，維護(hù)方便；而且在裝機(jī)功率一定時(shí)，單個(gè)耙頭能夠獲得更大的拖曳力，更適合掃淺作業(yè)[8]；同時(shí)也能減輕空船重量，降低開體液壓油缸的受力。此外，耙管長度應(yīng)與天鯤號常用挖深（30 m）匹配，建議最大挖深為35 m。

2） 在后期掃淺作業(yè)時(shí)，通常面臨較大的挖深和粒徑較粗的土質(zhì)。而水下泵在挖泥時(shí)可以不受汽蝕的限制，效率顯著優(yōu)于艙內(nèi)泵。例如，在挖掘中粗砂且挖深30 m 時(shí)，水下泵的裝艙時(shí)間大約是48 min，而艙內(nèi)泵則需要約81 min。因此，開體式耙吸挖泥船應(yīng)優(yōu)先考慮采用水下泵[9]。與傳統(tǒng)艙內(nèi)泵的布置方案不同，水下泵可以安裝在耙臂上并通過水下變頻電機(jī)驅(qū)動。這樣的配置不僅簡化了設(shè)備和管路，還有助于減輕空船重量。

3） 對于后期掃淺作業(yè)，由于可能存在多個(gè)且雜亂的淺點(diǎn)，建議開體式耙吸挖泥船采用動力定位與動態(tài)跟蹤系統(tǒng)（DP/DT）[10]。在工作前，先進(jìn)行淺點(diǎn)標(biāo)注，然后通過DP/DT 系統(tǒng)的自動航跡控制模式進(jìn)行挖泥作業(yè)[10-12]，以提高挖泥自動化水平和掃淺效率。

4） 作為整個(gè)船隊(duì)的一部分，天鯤號已具備高效的吹泥能力，因此開體式耙吸挖泥船可以不設(shè)艏吹/艏噴功能，從而取消了艙內(nèi)泥泵、抽艙和艏吹管系。這不僅使疏浚系統(tǒng)更簡潔實(shí)用，而且可以減輕空船重量。

2.5 總體布置

在設(shè)計(jì)開體式耙吸挖泥船時(shí)，有一項(xiàng)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是解決船舶橫向重量平衡問題。由于要避免干擾裝駁作業(yè)，所有的挖泥設(shè)備包括耙吸管以及吊放裝置、裝艙管和用于設(shè)備維修的甲板起重機(jī)都需要集中在右片體上，而左片體并沒有布置任何挖泥設(shè)備。這樣的配置不僅導(dǎo)致船舶的重心偏向右側(cè)，還對其他設(shè)備和系統(tǒng)在2 個(gè)片體上的布置帶來挑戰(zhàn)。

為緩解這個(gè)問題，建議將一些較大機(jī)械設(shè)備，例如艏部折臂吊機(jī)、空調(diào)機(jī)組和救生艇等盡可能布置在左片體，如圖2 所示。盡管高壓沖水泵和液壓泵站布置在右片體更方便，但為了橫向重量平衡，建議也將這些設(shè)備布置在左片體。相應(yīng)地，通過泥艙絞點(diǎn)附近的軟管或者導(dǎo)纜架，將高壓沖水管線和液壓管線跨接至右片體。

圖2 開體式耙吸挖泥船主甲板平面圖Fig.2 Main deck plan of split hopper trailing suction dredger

即便如此，仍然存在一定程度的橫向不平衡力矩（如表1 所示）。如果不采取進(jìn)一步措施，船舶在滿載狀態(tài)下可能會出現(xiàn)約3.0°的右傾，這將影響船舶安全。為實(shí)現(xiàn)不減少載泥量的目標(biāo)，建議采用動態(tài)調(diào)載的方案，即在左片體邊艙內(nèi)設(shè)置大型燃油艙和調(diào)載水艙（約280 m3），用以調(diào)整橫向重量平衡。在燃油艙滿載時(shí)，通過燃油來平衡橫向力矩，而無需額外的壓載水。隨著燃油的消耗，可以通過調(diào)載水艙作進(jìn)一步的橫向平衡。此時(shí)，該船應(yīng)配備1 套傾斜儀作為其監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的一部分。它能夠根據(jù)測得的船舶橫傾信號自動控制調(diào)載泵啟停，以此來調(diào)整船舶的橫向浮態(tài)，保證船舶安全。

表1 橫向不平衡力矩Table 1 Lateral unbalanced moment t·m

2.6 開體式耙吸挖泥船船型方案

通過上述分析，本文建議與天鯤號挖巖作業(yè)配套的開體式耙吸挖泥船，船體長約100 m，型寬約22.0 m，型深約7.3 m，作業(yè)吃水約6.5 m，泥艙艙容約4 200 m3，航速約12 kn。該船主船體分為左右2 個(gè)片體，能夠通過2 個(gè)主鉸鏈和2 個(gè)開體液壓油缸將整船沿中心線打開，從而實(shí)現(xiàn)快速卸泥功能。泥艙采用V 形結(jié)構(gòu)，在底部和前后端均設(shè)置密封裝置，頂部為敞開式。動力系統(tǒng)采用一拖二復(fù)合驅(qū)動，左右片體內(nèi)均布置1 個(gè)機(jī)艙，每個(gè)機(jī)艙設(shè)置1 臺約2 750 kW 主柴油機(jī)，該主柴油機(jī)飛輪端驅(qū)動1 套帶導(dǎo)管可調(diào)螺距全回轉(zhuǎn)舵槳；自由端驅(qū)動1 臺軸帶發(fā)電機(jī)，用于供電給水下泥泵電機(jī)和其他用電負(fù)荷。船艏設(shè)1 臺約500 kW 艏側(cè)推，以增強(qiáng)靠泊靈活性。左片體主甲板上布置2 個(gè)快速釋放脫鉤。右片體主甲板布置1 套900 mm 直徑的耙吸管及其吊放裝置。在該耙管上安裝有1 臺由1 400 kW 變頻電機(jī)驅(qū)動的水下泵，可進(jìn)行單耙挖泥作業(yè)，最大挖深35 m。開體式耙吸挖泥船的總布置如圖3 所示。

圖3 開體式耙吸挖泥船總布置圖Fig.3 General layout of split hopper trailing suction dredger

3 結(jié)語

為充分釋放天鯤號絞吸挖泥船的巨大疏浚潛能，引入高效的“挖-運(yùn)分離”物流策略。通過分析天鯤號在挖巖工程中的需求，提出了一種創(chuàng)新的開體式耙吸挖泥船方案。該方案解決了與天鯤號配套裝駁和運(yùn)輸以及后期掃淺挖泥作業(yè)所面臨的主要問題，包括確定開體式耙吸挖泥船的主尺度和泥艙艙容、實(shí)現(xiàn)快速靠泊、泥艙結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)以及疏浚系統(tǒng)和船舶布局設(shè)計(jì)等一系統(tǒng)挑戰(zhàn)。

本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：1） 提出的開體式耙吸挖泥船方案能夠全面滿足天鯤號挖巖作業(yè)的需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了“挖-運(yùn)分離”的物流策略。通過該方案的應(yīng)用，可以顯著提升天鯤號挖巖作業(yè)的整體效率。2） 提出了一種專為開體式耙吸挖泥船設(shè)計(jì)的布置優(yōu)化和動態(tài)調(diào)載方案，在不減少載泥量目標(biāo)的前提下確保船舶橫向動態(tài)平衡，保證了作業(yè)安全和經(jīng)濟(jì)效益。

由于時(shí)間和資源的限制，該設(shè)計(jì)方案尚未在實(shí)際項(xiàng)目得到驗(yàn)證。考慮到此領(lǐng)域的復(fù)雜性，所提出的方案還需要進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化。