長江口 12 000m3大型專用耙吸挖泥船的技術特點

朱榮，李偉強

（中交上海航道局有限公司， 上海 200002）

長江口 12 000m3大型專用耙吸挖泥船的技術特點

朱榮，李偉強

（中交上海航道局有限公司， 上海 200002）

“長江口 01”、“長江口 02”輪系根據(jù)長江口-12.5m 深水航道現(xiàn)場水文、通航密度、施工土質(zhì)等作業(yè)條件定制的 2 艘 12 000m3大型專用耙吸挖泥船，與一般通用大型耙吸挖泥船相比，具有淺吃水、小挖深、高效率、低能耗等特點。文章通過該型船性能參數(shù)和技術特點的介紹，展示了耙吸挖泥船設計技術的最新成就。

12 000m3；專用耙吸挖泥船；技術特點

1 船型及功能

長江口航道管理局建造的 2 艘 12 000m3耙吸挖泥船“長江口 01/02”輪，主要針對長江口水域開闊、施工現(xiàn)場風大、流急、霧多，交通繁忙，疏浚土質(zhì)為顆粒細、流動性強、不易沉淀的松散細砂和軟弱淤泥等特點，定制的大型專用耙吸挖泥船[1]。船型為雙推進主機、雙可調(diào)槳、雙 魚尾舵和雙艏側(cè)向推進器，單甲板艏樓結(jié)構(gòu)，采用超大球鼻艏、雙艉鰭船體線型。挖泥系統(tǒng)主要安裝有雙耙管、雙裝艙消能箱、單溢流筒和艏吹裝置，船右舷安裝了裝駁裝置用于駁船艕靠作業(yè)，具有挖、運、拋、吹、裝駁功能。

“長江口 01/02”輪 2 艘挖泥船于 2008 年 7 月簽訂建造合同，由荷蘭 IHC 公司負責設計建造，首制船“長江口 01”輪在荷蘭建造，于 2012 年 5月交船，第二艘“長江口 02”輪在中國建造，于2013 年 3 月交船，2 艘船的總投資超過 18 億元人民幣。

2 性能參數(shù)

2.1 主要設備和性能

“長江口 01/02”輪總噸 12 319，泥艙容積12 000 m3， 滿 載 自 由 航 速 15.2 kn， 配 置 2 臺MAN7L48/60CR 主柴油機，單機功率 7 560 kW；2臺軸帶發(fā)電機，單機功率 2 050 kW；1 臺 CAT/ 3512B 輔助發(fā)電機，功率 960 kW；1 臺 CAT/C18應急發(fā)電機，功率 380 kW；2 臺變頻電機驅(qū)動的艏側(cè)推裝置，單機功率 500 kW；2 臺 IHC 制造的HRMD202-43-100 單殼泥泵。在平均 90%最大持續(xù)功率工況下，本船可連續(xù)疏浚作業(yè) 20 d，續(xù)航力約為 8 000 nmail。

2.2 浮態(tài)及穩(wěn)性

“長江口 01/02”輪在設計吃水和挖泥吃水時，完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性滿足CCS規(guī)范要求。船舶在空船或輕載時，艏尖艙作為縱傾調(diào)節(jié)艙，能夠迅速壓排水，用于調(diào)節(jié)船舶的縱傾。當船舶裝載50%油水，泥艙抽空時平均吃水小于 3.2m，挖泥時滿載吃水 8.37m。

2.3 疏浚性能

“長江口 01/02”兩艘船的疏浚系統(tǒng)設計，充分考慮了長江口深水航道的水域條件與疏浚泥質(zhì)情況，對曾參于長江口航道疏浚施工船舶的歷史數(shù)據(jù)進行了系統(tǒng)分析后，最終確定該船艙容為12 000m3，泥艙密度設定為 1.35 t/m3，最大挖深-25m，裝艙時間約 52min，使用雙耙挖泥時對水航速約為 6.5 kn，即船舶對地航速約為 2.5 kn，逆流流速約為 4 kn。

3 技術特點

荷蘭 IHC 公司在設計長江口 12 000m3專用耙吸挖泥船時應用了多項減阻技術，從船舶主尺度選擇、線型設計、船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料使用等方面全盤考慮，努力降低船舶自重，減少航行阻力，提高營運效益。在主機、泥泵、耙頭等關鍵設備選型、參數(shù)確定方面結(jié)合長江口實際工況，打破常規(guī)，具有獨特的技術特點。

3.1 合理的主尺度和船型參數(shù)

主尺度是體現(xiàn)船舶先進性和經(jīng)濟性的關鍵，耙吸式挖泥船的主尺度主要取決于泥艙的裝載量?！伴L江口 01/02”輪船舶主尺度的設計原則：

1）結(jié)合泥艙、機泵艙、其它艙室和甲板機械的布置；

2） 兼顧船舶航行性能、船體總縱強度與穩(wěn)性、續(xù)航力等因素；

3） 重點考慮長江口航道水深、槽寬、流速、通航密度，以及泥艙容量和裝艙密度等施工條件。

通過前期調(diào)研、技術論證、方案比較、船型優(yōu)化等工作，最終確定該船較合理的主尺度和船型參數(shù)?？傞L 132.0m，垂線間長 122.2m，型寬27.3 m，型深 10.0m，疏浚時平均吃 水 8.37 m，排水體積 24 643 m3，水線面系數(shù) CWP=0.923，方形系數(shù) CB=0.884。

與同期國內(nèi)設計建造的同樣規(guī)格的挖泥船相比，該船主尺度、空船重量、空載吃水、滿載吃水具有明顯的優(yōu)勢。

3.2 船舶減阻附體技術的應用

耙吸挖泥船船體線型是設計的難點與關鍵點，良好的線型能夠大幅減小航行阻力，為航速、載重量、船舶穩(wěn)性等帶來性能提升?！伴L江口 01/ 02”輪在船體線型設計中重點研究了耙吸挖泥船阻力特性和推進性能。

針對長江口航道淺水疏浚作業(yè)的特殊要求，依據(jù)大型耙吸挖泥船的發(fā)展趨勢，創(chuàng)新應用了船舶減阻附體——超長肥大型球鼻艏（見圖 1）技術。

圖1 超長肥大型球鼻艏Fig.1 Super-long large-scalebulbousbow

在船體設計時將艏柱前移，設超長肥大型球鼻艏[2]，以改善肩部壓力梯度，球鼻艏和船體形成的波峰和波谷得以相互抵消，波形平滑（圖 2），顯著降低了船體興波阻力。這種設計對有一定航速要求的淺吃水肥大型耙吸挖泥船降阻效果明顯。

圖2 船體興波示意Fig.2 Sketch of ship wave-making

為了提高推進效率，達到節(jié)能的目的，“長江口 01/02”輪還采用了“Gondola”型雙導流尾鰭技術（見圖 3），增加船艉流場的伴流系數(shù)，大大改善螺旋槳的進流。

“長江口 01/02”輪裝配了舵效好、可靠性高、適合長江口航道工況的改進型魚尾舵，舵效得到明顯提升。此外在船艉雙尾鰭結(jié)構(gòu)中間還設置了箱形呆木（見圖 4），在增大艉部結(jié)構(gòu)強度和剛性的同時避免了船體振動，保障了船舶航向穩(wěn)定性。

圖3 "Gondola"型導流尾鰭Fig.3 Gondola type of fair water tail fin

圖4 魚尾舵、呆木布置Fig.4 Layou t of the tail rudder and deadwood

3.3 “零舵位偏角”技術的應用

根據(jù)“Gondola”雙尾鰭布置的需要，舵桿中心位置較尾軸中心線有 300mm 的偏移。根據(jù)流體力學的計算結(jié)果，艉舵零位時最佳角度偏轉(zhuǎn)設置為 3°。在此情況下，流場狀態(tài)良好（圖 5），與不采用偏角相比，能夠減少水流阻力約1%。

圖5 艉舵流場示意圖Fig.5 Sketch of flow field of stern rudder

3.4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計降低船舶自重，提高裝艙效率

“長江口 01/02”輪的泥艙設有雙列方形泥門，泥門數(shù)量共計 10個。船體泥艙段采用縱骨架式結(jié)構(gòu)，而船體艏、艉段則采用橫骨架式結(jié)構(gòu)，這種縱橫混合骨架船體結(jié)構(gòu)很好地解決了結(jié)構(gòu)重量和船體總強度之間的矛盾，更加經(jīng)濟。

在泥艙設計中，根據(jù)淤泥質(zhì)細粉砂土質(zhì)，通過模型試驗決定采用半深裝艙管，并經(jīng)流體力學分析計算，合理地確定了裝艙管的開口位置與開口大小的非勻稱布置形式，如圖6所示。有效的提高了裝艙效率，降低了疏浚物對泥艙艙壁結(jié)構(gòu)的沖擊磨損。

圖6 裝艙管布置示意圖Fig.6 Sketch of thearrangementof loading pipe

該船船體屬肥大型，長寬比較小，船體設計時對橫向結(jié)構(gòu)強度給予了特別的關注，在泥艙內(nèi)設置了沿船舯方向的縱向三角艙和4組橫向三角艙（見圖 7）。橫向三角艙、舷側(cè)隔離空艙橫艙壁和泥艙開口強橫梁共同組成了船體舯部泥艙分段的橫向強框架結(jié)構(gòu)。同時對船體泥門開口的四角隅進行了專門的有限元分析與計算，根據(jù)計算結(jié)果對相關結(jié)構(gòu)件進行局部加強，部分泥艙結(jié)構(gòu)件使用高強度鋼替代普通船用板、型材，降低船舶自重。

圖7 泥艙布置Fig.7 Layou t of the hopper

3.5 選用輕量化設備，采用復合驅(qū)動技術

“長江口 01/02”輪主機選用 2 臺電控共軌MAN7L48/60CR-7560KW 中速柴油機主機和 1 臺CAT/3512B 高速輔發(fā)電柴油機。電控共軌機與傳統(tǒng)柴油機相比，取消了燃油凸輪等部件，中速機和高速機相對于低速機重量較輕，對船舶的輕量化有較大的意義。

該船還運用了“一拖三”驅(qū)動方式[3]，即主機通過輸出端的雙輸出齒輪箱分帶推進器和軸帶發(fā)電機，自由端帶艙內(nèi)泥泵。 借助“復合驅(qū)動技術”，減少全船柴油機裝船數(shù)量，降低了船舶自重。

3.6 選用低流量泥泵

長江口深水航道長達 92.2 km，不同區(qū)域土質(zhì)分布存在著差異，但主要以粒徑細小的淤質(zhì)細粉砂為主，D50≈0.075mm，天然容重 1.65~1.75 t/m3。

通過對以往參與長江口一、二、三期工程疏浚的施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，通用型耙吸挖泥船普遍存在泥泵流量偏大、挖掘濃度不理想、泥土沉淀效果欠佳現(xiàn)象。為此該專用船在方案設計時，對長江口的土樣在實驗室進行了裝艙試驗，并到長江口施工實船測量，在泥艙不同位置檢測泥槳垂直方向的濃度、運動速度，并進行重點分析計算，決定選用總流量為 3.7m3/s，即單泵為 1.85m3/s 低流量泥泵，大幅度降低長江口 12 000m3專用耙吸船的裝艙流量，以降低泥槳在泥艙內(nèi)的擾動能量，提高其沉淀效果。并據(jù)此參數(shù)和吸排管阻力計算出泥泵所需揚程，最終確定了泥泵的型號和轉(zhuǎn)速、功率等性能參數(shù)。

“長江口 01/02”輪實船施工數(shù)據(jù)表明，單泵裝艙泥槳流量約 7 000m3/h，揚程 17m，平均吸入濃度 1.45 t/m3，泥泵軸功率約為 600~700 kW，達到了專用耙吸挖泥船的高生產(chǎn)效率、低能耗的目標。

3.7 裝備專用高效“威龍”耙頭

“長江口 01/02”輪根據(jù)土質(zhì)特性、實驗室試驗數(shù)據(jù)，并結(jié)合耙頭拖曳阻力和主機推進功率，專門設計了 2 只寬 4.0m，重量 17 t的“威龍”（Wild Dragon）耙頭（見圖 8）。

該耙頭帶有雙排耙齒，五排高壓沖水，耙頭高壓沖水水箱采用獨立式高強度結(jié)構(gòu)，耙頭底板、高壓沖水噴嘴板采用了耐磨材料與普通鋼板澆鑄連接的復合材料，提高了耐磨性。耙頭兩側(cè)安裝有易拆裝的防磨材料擋板，提高了耙頭真空度，達到破土效果最大化，再通過泥泵的抽吸和航速的控制，將松散土體盡量全部吸收，以提高耙頭挖掘濃度。通過模型試驗，這種新型耙頭比普通耙頭在挖掘濃度上提高了 10%以上[4]。

當耙齒切土深度為 0.24m，挖泥航速 2.5 kn時，耙頭的切土產(chǎn)量可達 1.2m3/s，泥泵流量為1.85m3/s 時，挖掘的泥槳濃度達到1.378 t/m3。

耙頭裝有2個液壓油缸用于調(diào)整耙頭耙舌角度以改變破土深度，可以實現(xiàn) 0.36m 的最大破土要求。

通過實船挖泥試驗，該耙頭挖掘細粉砂時平均濃度大于 1.40 t/m3，挖 掘含泥砂土時濃度超過1.50 t/m3，挖掘能力優(yōu)良。通過現(xiàn)場實船試驗，證明了室內(nèi)實驗成果的可靠性，并為此種新型高壓沖水耙頭的深化研究提供了依據(jù)。

圖8 “威龍”型耙頭Fig.8 Weilong-type drag head

4 結(jié)語

“長江口 01”、“長江口 02”輪系長江口航道管理局根據(jù)長江口工況特點定制的兩艘大型專用耙吸挖泥船。投產(chǎn)1 a多來，該船平均裝艙濃度可達 1.45 t/m3以上，裝艙時間約 50min，船舶滿載 （約 7 200 m3原狀土）拋泥時間 3~5 min，在3 000m 排距工況下吹岸時間約 70min，實現(xiàn)了高效施工的既定目標。

[1]彭振武.長江口航道管理局建造專用耙吸式挖泥船的必要性[J].水運工程，2007（4）：43-46. PENG Zhen-wu.Necessity of the Yangtze Estuary Waterway Administration Bureau's building of specialized trailing suction hopperdredger[J].Port&Waterway Engineering,2007(4):43-46.

[2]劉厚恕.國內(nèi)外大型耙吸挖泥船發(fā)展綜述[J].船舶，2006（5）：1-7. LIUHou-shu.Developmentof large SHD in China and other countries[J].Ship&Boat,2006(5):1-7.

[3]于再紅.大型耙吸挖泥船“新海虎”號的輪機設計[J].船舶，2008（5）：25-29. YU Zai-hong.Machinery system for large TSHD'XIN HAIHU'[J]. Ship&Boat,2008(5):25-29.

[4]江帥，樹偉.一種新型高壓沖水耙頭的探索研究[C]//中國疏浚協(xié)會.第十九屆世界疏浚大會論文集.2010：175-182. JIANGShuai,SHUWei.Research on anew type high-pressure jet atdraghead[C]//Proceeding of the 19th world dredging congress of China Dredging Association.2010:175-182.

Technical features of 12 000m3large-scale dedicated TSHD at the Yangtze estuary

ZHURong,LIWei-qiang
（CCCCShanghaiDredging Co.,Ltd.,Shanghai200002,China）

Yangtze Estuary 01 and Yangtze Estuary 02 are the two 12 000 m3large-scale trailing suction hopper dredgers, which are customized focusing on Yangtze estuary deepwater channel dredging and regulation workswith the channel depth of -12.5m and under the typical site hydrological condition,busy navigation waterway with high traffic density as well as special soil conditions at the estuary of Yangtze river.Compared with common large-scale TSHD,they have the technical features of small draft,shallow dredging depth with high working efficiency and low energy consumption,etc.This paper shows the latest achievementsof the TSHD design technology by introducing the ship performance and technical features.

12 000m3;the dedicated TSHD;technical features

U615.35

B

2095-7874（2014）09-0063-04

10.7640/zggw js201409017

2014-06-24

朱榮 （1962 — ），男，江蘇泰州市人，高級工程師，主要從事設備管理、船舶修造與節(jié)能減排等工作。E-mail：hjzhurong@sina.com