具有首沖功能的300 m3自航耙吸挖泥船疏浚系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龔 琦

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

具有首沖功能的300 m3自航耙吸挖泥船疏浚系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龔 琦

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

從疏浚工程船舶設(shè)計(jì)人員的角度，通過對(duì)實(shí)船設(shè)計(jì)實(shí)例的描述，介紹了既能滿足沿海深挖疏浚作業(yè)又能兼顧內(nèi)河極淺挖疏浚作業(yè)的具有首沖功能的耙吸挖泥船疏浚系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該船具備新型特殊功能，能更廣泛應(yīng)用于疏浚施工區(qū)域。

疏浚系統(tǒng)設(shè)計(jì)；耙吸挖泥；首沖吸泥

引 言

航道疏浚工程船包括耙吸挖泥船、絞吸挖泥船、抓斗挖泥船、鏟斗挖泥船和吸盤挖泥船等船型，無論哪種型式的挖泥船均有適用的施工區(qū)域。若要在長江中上游航道進(jìn)行疏浚作業(yè)，兼顧應(yīng)急需求，且不影響通航，上述船型就存在一定困難了。整個(gè)長江航道素有“黃金水道”之稱，在我國內(nèi)河航運(yùn)中有極其重要的地位，其中長江中上游是處于丘陵和高山峽谷地區(qū)的大型山區(qū)河流，三峽庫區(qū)也位于其間，此段灘多流急且河床土質(zhì)較為復(fù)雜：淺水由卵石覆蓋，空隙由砂和礫石填實(shí)，結(jié)構(gòu)緊密；深水以亞粘土、砂土和細(xì)砂為主，顆粒細(xì)小，流動(dòng)性好，但沉淀性差，想要滿足此航段的疏浚需求就得設(shè)計(jì)一艘既能淺挖又能深挖的航道疏浚工程船。受中國交通部長江航道局委托，“具有首沖功能的300 m3自航耙吸挖泥船”設(shè)計(jì)項(xiàng)目就此而生。該船總長約60 m、垂線間長56.4 m、型寬12 m、型深4.2 m、空載吃水小于2 m、最大吃水3.2 m、理論艙容300 m3、最大艙容535 m3。該船首沖最小挖深2 m，耙吸最大挖深20 m。

1 疏浚系統(tǒng)功能

根據(jù)長江中上游航道的地貌特征和水流土質(zhì)，“具有首沖功能的300 m3自航耙吸挖泥船”設(shè)計(jì)挖掘?qū)ο鬄橛倌唷⒄惩?、密?shí)中細(xì)砂、粗砂、碎石和卵石等，具體土質(zhì)技術(shù)指標(biāo)如下：

粘土：Ip＞17

密實(shí)中細(xì)砂：d50=0.231 mm（不含淤泥），天然容重為1.95 t/m3

粗砂：d50＞0.50 mm

碎石和卵石：d50＞20 mm

本船艙容300 m3，雙耙管配置，單耙管施工，耙吸挖深4.5～20 m，有效裝艙時(shí)間不大于60 min。在船艏設(shè)有首沖吸泥裝置以進(jìn)行2～4.5 m水深淺挖疏浚作業(yè)，船中還設(shè)有裝載泥漿的泥艙、吸排泥疏浚管系、溢流海水用的溢流筒、卸載泥艙泥漿的泥門與抽艙門，以及將泥漿直接拋于距船舷外25 m遠(yuǎn)的邊拋回轉(zhuǎn)裝置。故本船常用的疏浚功能有以下幾項(xiàng)：耙吸裝艙、耙吸邊拋、首沖吸泥邊拋、抽艙邊拋、泥艙卸泥。

圖1 船型示意圖

2 疏浚系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本船整個(gè)疏浚系統(tǒng)包括：泥泵、耙管耙頭及其升降裝置、首沖吸泥裝置、邊拋回轉(zhuǎn)裝置、泥門、抽艙門、溢流筒、吸排泥管系、高壓沖水系統(tǒng)、起重機(jī)和液壓控制系統(tǒng)。

2.1 泥 泵

泥泵是挖泥船的核心設(shè)備，故挖泥船的作業(yè)性能在很大程度上取決于泥泵的性能。除滿足不同工況的流量-揚(yáng)程工作點(diǎn)之外，泥泵還應(yīng)同時(shí)具有較大的通過面積、較好的氣蝕性能、較高的工作效率和耐磨耐沖擊性能。根據(jù)全船設(shè)計(jì)尺度和動(dòng)力配置以及泵艙布置，留給泥泵的空間略顯不足，且整船在淺水區(qū)域作業(yè)時(shí)吃水非常淺，在安裝泥泵時(shí)必須盡可能將其中心放低，以保證泥泵的氣蝕性能，故決定采用一臺(tái)雙速高效離心式單殼泥泵，經(jīng)齒輪箱和安全聯(lián)軸器，由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)挖深變化時(shí)，可通過調(diào)整變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)整泥泵轉(zhuǎn)速，以獲得在相應(yīng)作業(yè)工況時(shí)的最佳工作點(diǎn)（即最佳流量-揚(yáng)程），低轉(zhuǎn)速時(shí)耙吸裝艙，高轉(zhuǎn)速時(shí)耙吸邊拋、首沖吸泥邊拋或抽艙邊拋。

根據(jù)艙容、挖深和邊拋距離等參數(shù)，本船泥泵性能參數(shù)如下：

裝艙：Q = 5 500 m3/h；H ≈ 16 m；邊拋：Q = 4 500 m3/h；H ≈ 25 m；

式中：Q為流量，m3/h；H為揚(yáng)程，m。

2.2 耙管耙頭及其升降裝置

本船設(shè)兩套DN600的耙吸管和兩套耙吸管升降裝置，分別布置于泥艙主甲板的左右舷。

耙吸管設(shè)有兩種長度，長耙管用于深挖，短耙管用于淺挖。長耙管主要部件有：耙頭、下吸管、旋轉(zhuǎn)接頭、撓性橡膠軟管、十字鉸接頭、上吸管、水平鉸、彎管、滑塊及沖水管路，在彎管與滑塊后經(jīng)艙內(nèi)吸泥管與泥泵相連。短耙管比長耙管少了十字鉸接頭，并在末端設(shè)了折角彎管與耙頭聯(lián)接，以保證淺挖時(shí)耙頭的對(duì)地角度。長耙管和短耙管靠船舷外側(cè)處均設(shè)有高壓沖水管，向耙頭提供高壓水，遇轉(zhuǎn)動(dòng)處則由軟管過渡，所有軟管均為耐磨橡膠。

耙吸管升降裝置包括了：吊架，液壓絞車和波浪補(bǔ)償器等。使用長耙管時(shí)采用3點(diǎn)起吊，分別啟用耙頭、耙中、彎頭吊架與液壓絞車。泥艙空載、10%油水裝載吃水，長耙管傾斜角與水平成45°時(shí)，保證最大耙吸挖深20 m。轉(zhuǎn)換為短耙管時(shí)采用2點(diǎn)起吊，分別啟用耙中、彎頭吊架與液壓絞車，泥艙空載、10%油水裝載吃水，短耙管傾斜角與水平成10°時(shí)，保證最小耙吸挖深4.5 m。在耙頭、耙中吊架旁設(shè)有波浪補(bǔ)償器，以保證在水流波動(dòng)中耙頭的對(duì)地角度，使耙頭緊貼河床，從而獲得更好的挖泥濃度。波浪補(bǔ)償器設(shè)有一個(gè)鎖定裝置，當(dāng)要快速起耙時(shí)，可直接鎖定波浪補(bǔ)償器液壓油缸柱塞。

圖2 耙管耙頭及其升降裝置

2.3 首沖吸泥裝置

為滿足除耙吸挖深外的極淺水域挖深要求，本船在船艏設(shè)有一套首沖吸泥裝置，挖深2～4.5 m。首沖吸泥裝置包括：起吊液壓絞車、滑輪架、鋼絲繩、臂架、鉸點(diǎn)、吸泥管、高壓沖水管、軟管等。驅(qū)動(dòng)液壓絞車再通過滑輪架和鋼絲繩起升或下放首沖臂架至相應(yīng)挖深點(diǎn)，打開高壓沖水泵經(jīng)架體最前端緊密排列的噴嘴噴射高壓水，從而在架體前端吸口處形成高壓水流區(qū)，沖松后的泥砂在高速運(yùn)動(dòng)的水流帶動(dòng)下形成沖刷，由此實(shí)現(xiàn)首沖吸泥作業(yè)，即首沖功能。具體設(shè)計(jì)時(shí)，首沖吸泥口的泥漿流速一般都控制在1 m/s以上，前蘇聯(lián)此類裝置的吸口流速在1.1～1.2 m/s，美國此類裝置的吸口流速在1.3～1.4 m/s，吸泥口高度一般取0.2～0.3 m，若太小會(huì)增加吸口的水力損失且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難，吸泥口的寬度從吸入中心至吸口側(cè)邊最大值為2.5～2.75 m，不超過3 m，若超過則應(yīng)將全部寬度分成2～3個(gè)帶獨(dú)立連接吸管的分段，本裝置即分為2個(gè)分段。

圖3 首沖吸泥裝置

2.4 邊拋回轉(zhuǎn)裝置

邊拋回轉(zhuǎn)裝置是用于直接將泥漿向船舷側(cè)拋出的機(jī)構(gòu)。根據(jù)長江中上游的航道環(huán)境，水道彎曲，水流湍急，十分有利于挖泥邊拋這種疏浚作業(yè)方式，當(dāng)積沉于河床底部的泥砂經(jīng)由耙頭或首沖吸泥裝置的高壓水沖松后吸入，再經(jīng)邊拋回轉(zhuǎn)裝置于船舷側(cè)噴出時(shí)，泥漿順急流即逝，不會(huì)再次積沉于同一段航道內(nèi)，免去了來回卸泥的麻煩，使疏浚作業(yè)效率得到最大的提升。邊拋回轉(zhuǎn)裝置包括：邊拋架和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。邊拋架由立柱、鋼管拉桿和排泥管一同組成?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)則由液壓油缸、擺動(dòng)支架、聯(lián)軸器、回轉(zhuǎn)軸承、固定彎管和轉(zhuǎn)動(dòng)彎管等組成，在液壓油缸驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)整個(gè)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)至左右舷，最大可達(dá)90°。

圖4 邊拋回轉(zhuǎn)裝置

2.5 泥艙布置

鑒于長江中上游航道環(huán)境對(duì)整船尺度的限制，本船在泥艙段設(shè)有單列錐形泥門4個(gè)，閘板式抽艙門4個(gè)和溢流筒1個(gè)，均由駕駛室群控或單控。泥門打開時(shí)，泥漿經(jīng)泥門與船體間的空隙卸載，卸載時(shí)間一般不超過10 min，泥門名義通徑為2 000 mm，開閉由安裝于上方帶行程顯示的液壓油缸驅(qū)動(dòng)，與船底間有橡膠密封圈，以保證泥門密封，并起緩沖作用，還設(shè)機(jī)械鎖緊裝置，在船舶長距離航行時(shí)，使液壓油缸卸載。抽艙門打開時(shí)，泥漿經(jīng)一側(cè)吸泥管線吸入泥泵進(jìn)行邊拋?zhàn)鳂I(yè)，抽艙門名義通徑為500 mm，開閉由安裝于上方帶行程顯示的液壓油缸驅(qū)動(dòng)，通過拉桿帶動(dòng)閘板在導(dǎo)軌內(nèi)上、下運(yùn)動(dòng)。溢流筒可在裝艙時(shí)垂直升降調(diào)整高度來溢流海水，使泥漿沉淀于泥艙底部，其筒體通徑為1 300 mm，由帶行程顯示的液壓油缸驅(qū)動(dòng)上筒體在與船體固定的下筒體中移動(dòng)，上、下筒體間安裝有可更換的橡膠密封圈。

2.6 吸排泥管系

吸排泥管系正是將上述各個(gè)設(shè)備串聯(lián)起來完成各項(xiàng)疏浚功能的重要通路，它包括：DN600的吸泥管、DN550的排泥管、液壓閘閥和裝載消能箱等。吸排泥管大小取決于管內(nèi)泥漿流速，必須大于相應(yīng)土質(zhì)的臨界流速，一般又不超過7 m/s。液壓閘閥按吸排泥管通徑選取，通過開閉閘閥實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)疏浚功能，由駕駛室控制。裝載消能箱安裝于泥艙段，焊接結(jié)構(gòu)，雙側(cè)開孔，頂部設(shè)法蘭與裝艙泥管相連，泥漿經(jīng)縱向裝艙泥管進(jìn)入消能箱，再從消能箱開孔中卸入泥艙，從而減少泥漿在泥艙中的擾動(dòng)，加速沉淀，消能箱出口處還設(shè)格柵以阻擋泥漿中較大的石塊、雜物等，以減少對(duì)泥艙沖擊。

2.7 高壓沖水系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)疏浚功能都用到高壓水，耙吸和首沖需要高壓水從耙頭噴嘴或首沖噴嘴噴射以松動(dòng)土質(zhì)，抽艙或卸泥亦需要高壓水配合稀釋已沉淀的稠厚泥漿便于輸送，本船高壓沖水系統(tǒng)包括：高壓沖水泵、高壓沖水管系和蝶閥等。高壓沖水泵共有兩臺(tái)，置于船艏泵艙內(nèi)，左右舷對(duì)稱布置，經(jīng)聯(lián)軸器由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，泵從泵艙的海底門吸水，再經(jīng)高壓沖水管系到達(dá)各個(gè)需要的位置，管系中以蝶閥開閉實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，蝶閥由駕駛室控制，通海旁的蝶閥亦可手動(dòng)控制以應(yīng)對(duì)緊急情況。

本船高壓沖水泵性能參數(shù)如下：

流量：Q = 600 m3/h

揚(yáng)程：H ≈ 70 m

2.8 起重機(jī)

本船作為疏浚作業(yè)船舶不同于普通船舶，在甲板及艙內(nèi)布置了眾多疏浚設(shè)備，為保證疏浚作業(yè)正常高效進(jìn)行，這些設(shè)備需經(jīng)常進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)，因此配置必要的吊裝設(shè)備可有效保證挖泥船的作業(yè)效率，從而進(jìn)一步保證暢通航道的能力?，F(xiàn)在船艉部靠近泥艙的甲板處設(shè)一臺(tái)固定的船用電液驅(qū)動(dòng)全回轉(zhuǎn)起重機(jī)，用于吊裝耙頭和機(jī)艙設(shè)備檢修，根據(jù)各個(gè)設(shè)備的質(zhì)量，核定后起重機(jī)定為8 t×14 m。

2.9 液壓控制系統(tǒng)

本船設(shè)開式液壓系統(tǒng)，向各個(gè)疏浚設(shè)備供給液壓油以驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行。液壓系統(tǒng)包括：不銹鋼油箱組、液壓泵站、PLC控制柜、閥件集成塊和附件等。一般耙吸挖泥船的液壓系統(tǒng)都是向成套設(shè)備商訂貨，故此處不作展開。

3 結(jié) 論

具有首沖功能的300 m3自航耙吸挖泥船建成投入使用后，疏浚作業(yè)情況良好，各項(xiàng)疏浚作業(yè)指標(biāo)都達(dá)到了預(yù)定要求?？梢姳敬氖杩Ｏ到y(tǒng)設(shè)計(jì)是成功的，從而保證能高效為長江黃金水道長期暢通服務(wù)。在2006年9月，本船還憑借“首沖功能實(shí)現(xiàn)極淺挖深”這一特點(diǎn)獲得了中國航海學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

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Dredging system design of 300 m3self-propelled drag suction dredger with bow-jetting

GONG Qi
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

From viewpoint of dredger designer, this paper introduces the design of the dredging system for suction dredgers with bow-jetting which can dredge not only in the coastal deep water but also in the inland shallow water based on a description of the ship design case. Owing to the special new functions, this kind of ship can be used more widely in the dredging area.

dredging system design; suction dredging; bow-jetting

U667.9

A

1001-9855（2014）02-0089-05

2013-10-24；

2013-11-28

龔 琦（1981-），女，工程師，主要從事工程船機(jī)械設(shè)計(jì)。