水下泥泵在耙吸式挖泥船上的應(yīng)用

曾慶松 王 煒 鄭 琴 劉樹祥 李向榮

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.長江航道局 武漢430010）

船舶舾裝/疏浚/特機(jī)

水下泥泵在耙吸式挖泥船上的應(yīng)用

曾慶松1王 煒2鄭 琴2劉樹祥1李向榮2

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.長江航道局 武漢430010）

耙吸式挖泥船安裝水下泵通常是為滿足深水取砂疏浚的需要。近年來，隨著水下泥泵裝置技術(shù)的成熟，水下泥泵裝置越來越多地應(yīng)用于航道疏浚作業(yè)。相比于艙內(nèi)泵，安裝水下泥泵可有效提升泥泵吸入濃度、提高裝艙效率，并可改善泥泵的氣蝕性能、減少振動(dòng)。文章從離心式泥泵的特性出發(fā)，闡釋應(yīng)用水下泵可提高疏浚濃度的理論基礎(chǔ)，簡要介紹了水下泥泵裝置的組成特點(diǎn)以及在應(yīng)用中可能存在的問題；最后介紹耙吸式挖泥船應(yīng)用水下泥泵的實(shí)船案例，為耙吸式挖泥船疏浚系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

水下泥泵；耙吸式挖泥船；疏浚濃度；疏浚效率

引 言

隨著疏浚技術(shù)的發(fā)展，耙吸式挖泥船的疏浚深度不斷加大，早已超過100m，如“Cristobal Colón”號46000m3超巨型耙吸式挖泥船的最大挖深已達(dá)155m， “Queen of the Netherlands”號可選挖深甚至達(dá)到160m。

在耙吸式挖泥船上配置水下泥泵通常是用于深水取砂造島或作為建筑材料。不過，由于采用水下泵可有效提高疏浚濃度和效率，而且隨著相并技術(shù)日趨成熟，水下泵裝置在耙吸式挖泥船上正越來越多被應(yīng)用。

本文將總結(jié)分析水下泵在耙吸船上的作用和可能存在的問題，以及水下泥泵裝置的組成特點(diǎn)，為水下泵在耙吸船應(yīng)用設(shè)計(jì)提供參考。

1 水下泥泵的發(fā)展

隨著疏浚深度加大，泥泵真空度增高，而艙內(nèi)泵能提供的真空度非常有限，疏浚濃度減小，導(dǎo)致疏浚效率下降。同時(shí)泥泵還可能產(chǎn)生氣蝕。水下泥泵的出現(xiàn)則可妥善解決這個(gè)問題。

水下泥泵早期應(yīng)用于絞吸式挖泥船［1］。這主要是由于整套水下泵裝置可以安裝在橋架上，而橋架可為水下泥泵裝置提供足夠的穩(wěn)定空間和剛度。這一方面可以提高疏浚濃度和效率，另外一方面水下泵與艙內(nèi)泵或甲板泵串聯(lián)可獲得更大排距，從而節(jié)省艙室布置空間。

如表1和表2為長江航道局現(xiàn)有絞吸船水下泵裝置應(yīng)用情況。當(dāng)挖深大于20m時(shí)均配置了水下泥泵，且均采用電機(jī)經(jīng)減速器驅(qū)動(dòng)泥泵的形式。

然而耙吸挖泥船的水下泵裝置安裝在耙吸管上，所有組成設(shè)備都在水面以下。且安裝水下泵裝置的耙吸管與船體為柔性連接，相比于絞吸挖泥船，耙吸挖泥船應(yīng)用水下泵的技術(shù)難度更大。

但隨著大型耙吸挖泥船的挖深在不斷加大，80年代挖深已達(dá)到32～35m，這已接近只依靠艙內(nèi)泥泵挖泥裝艙，而不安裝水下泥泵的極限挖深。此后，由于耙吸船的功能不單是疏浚航道而擴(kuò)展到挖掘水下建筑砂料，對挖深要求越來越高。這也促進(jìn)了水下泵在耙吸船應(yīng)用的技術(shù)突破。

表1 長航局現(xiàn)有部分絞吸挖泥船水下泵裝置

表2 長江航道局絞吸挖泥船水下泵裝置主要參數(shù)

由下頁表3可以看出，大型、巨型和超巨型耙吸挖泥船通常都兼顧深海取砂作業(yè)，所要求的挖深較大，最大已達(dá)155m（甚至160m），因此基本都配有水下泥泵裝置。

中小型耙吸挖泥船一般用于航道疏浚，挖深一般在30m以內(nèi)，因此很少配置水下泵裝置。近年來，隨著水下泵裝置的成熟，為獲得更高的疏浚濃度，中小型耙吸挖泥船也越來越多采用水下泵裝置。如海新7000m3和長江航道局6000m3耙吸挖泥船均配置有水下泵裝置。長江航道局6000m3耙吸船所針對的是長江口較難疏浚的板結(jié)密實(shí)細(xì)沙，通常很難獲得較高的疏浚濃度（泥漿密度在1.1 t/m3左右［2］），且該土質(zhì)粒徑較小，很難沉淀。應(yīng)用了水下泵便可獲得更高的疏浚濃度，從而提高裝艙效率。

表3 國內(nèi)外大型耙吸式挖泥船的泥泵配置

表4 國內(nèi)外中小型耙吸式挖泥船的泥泵配置

近年來，“浚海12”號、“浚海56”號、“通恒”號、“通旭”號等大型耙吸船，為適應(yīng)新的疏浚需要，加大挖深，均已提出增加水下泵改造需求，目前已完成方案論證設(shè)計(jì)。

2 耙吸挖泥船應(yīng)用水下泥泵的作用

2.1 有效提高泥泵吸入濃度

應(yīng)用于疏浚的泥泵一般為離心泵，該類泵的作用機(jī)理為通過原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)離心葉輪高速旋轉(zhuǎn)，在泵葉輪中心部位產(chǎn)生真空，在大氣壓力的作用下，不斷向泵進(jìn)口補(bǔ)充流體，而流體經(jīng)過葉輪獲得能量，通過泵殼排出，從而實(shí)現(xiàn)疏浚物的輸送。

采用離心泵的優(yōu)點(diǎn)是可連續(xù)輸送流體、運(yùn)動(dòng)部件少、有大的球形通道、體積小質(zhì)量輕、經(jīng)濟(jì)性好，并且可以用耐磨材料制造，也可制造成雙殼泵。其缺點(diǎn)是沒有自吸能力，對氣體敏感，容易發(fā)生氣蝕。

假設(shè)泥泵入口在水面處，理想情況下，在大氣壓力作用下可獲得10m水柱的真空度，但由于離心泵本身有泵必需氣蝕余量（NPSHr），以及吸入管系阻力損失，可用真空度通常只有5～8m。

如圖2為泥泵工作基本原理。由于泥漿密度要大于水的密度，因此泥泵必須提供一定的真空度才能達(dá)到平衡，才能實(shí)現(xiàn)泥漿的輸送。ΔH為泥泵需提供的最小真空度。

耙吸式挖泥船采用艙內(nèi)泵挖泥時(shí)（如圖3所示），艙內(nèi)泵一般位于水面以下，耙頭外部水壓為：

式中：H為挖深，m；P0為大氣壓力，Pa；ρw為海水密度， kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

耙頭內(nèi)部泥漿壓力為：

式中：Hp為耙頭吸口至泥泵中心線高度 ，m；PNPSHr為泥泵必需氣蝕余量 ，Pa；ρm1為泥漿密度 ，kg/m3；v為泥泵進(jìn)口處平均流速 ，m/s；D為吸管直徑，m；L1為吸管長度 ，m；ξ為局部損失系數(shù)；λ為沿程損失系數(shù)。

聯(lián)合以上式（1）和式（2），可求得ρm1：

耙吸式挖泥船采用水下泵挖泥時(shí)，耙頭外部水壓為：

耙頭內(nèi)部泥漿壓力為：

式中：Hs為耙頭吸口至水下泥泵吸口高度 ，m；L2為吸管長度，m。

聯(lián)合式（4）和式（5）中，可求得ρm2：

在挖深相同情況下，Hs＜Hp，L2＜L1，故ρm1＜ρm2。因此，采用水下泥泵，可以大大提高泥漿密度，減少裝艙時(shí)間，提高疏浚效率。

2.2 改善泥泵氣蝕性能

隨著泥泵安裝深度的增加，增大了所需真空和最小允許真空的范圍，因此減小了氣蝕和在挖泥過程不穩(wěn)定導(dǎo)致泥泵的堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，這對提高泥泵壽命是非常有利的。

2.3 疏浚粗砂、卵石等土質(zhì)更有優(yōu)勢

對于泥漿的輸送速度，過快將導(dǎo)致阻力損失過大，流速過小則容易沉降，堵塞管道。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，泥漿臨界流速可按表5確定［4］。

以700mm管徑為例，粗砂和沙礫臨界流速達(dá)5m/s以上。假設(shè)艙內(nèi)泵在水線以下2m，在30m挖深下，可吸入最大濃度在1.1 t/m3左右。這主要是因?yàn)楣軆?nèi)流速增加以后，吸入管系損失迅速增加，泥泵可用真空度減小。采用水下泥泵后，可用真空度增大，允許較大的流速，因此可在疏浚粗砂、卵石等大粒徑土質(zhì)時(shí)獲得更高的疏浚濃度。

表5 臨界流速參考值

2.4 優(yōu)化全船布置

對于大挖深超大型耙吸挖泥船，采用水下泵不僅可為船體線型的設(shè)計(jì)提供很大的自由度，因?yàn)榇w設(shè)計(jì)不會受到耙臂特定配置的影響。耙臂的彎管滑塊就可以盡量靠近船首布置。這種布置方式可以使耙臂挖深達(dá)到155m（甚至更深），且可依然放置于甲板。

此外，由于使用水下泵，就可能對機(jī)艙采取不同的布置。泥艙被置于主機(jī)艙與泵艙之間，這樣不僅可增大泥艙的長度，而且可避免質(zhì)量集中產(chǎn)生的荷載和在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生不可接受的高應(yīng)力。質(zhì)量分布盡可能均勻，便可適當(dāng)降低船體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，從而也有利于增加載重量。

2.5 減小耙吸管尺寸

采用水下泵，可以提高疏浚濃度和泥泵入口的真空度，因此可以選擇更小的吸管直徑，以減輕質(zhì)量和節(jié)約成本。

3 耙吸挖泥船水下泥泵裝置組成

水下泵裝置主要由水下泥泵，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，整套水下泵傳動(dòng)裝置安裝在耙吸管上。

水下泥泵主要有由高速電機(jī)經(jīng)齒輪箱驅(qū)動(dòng)和由低速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)兩種形式。兩種形式各有優(yōu)缺點(diǎn)。

目前應(yīng)用較多的水下泥泵裝置是泥泵和專用的水下電動(dòng)機(jī)（油密）設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，并使泥泵和電動(dòng)機(jī)處于同一轉(zhuǎn)速。這種機(jī)-泵一體化的設(shè)計(jì)具有良好的比強(qiáng)度，使整體質(zhì)量明顯減輕，同時(shí)也有利于耙吸管的布置。另外，由于水下泵直接由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，少了中間環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)的可靠性。但由于采用低速電機(jī)，電機(jī)尺寸相對較大。

水下泵裝置可安裝一個(gè)壓力補(bǔ)償裝置（BPC），使電機(jī)內(nèi)的油壓始終能夠高于電機(jī)外的水壓，而與挖泥船的挖深無并。

水下電機(jī)可在駕駛室內(nèi)的疏?？刂婆_上遙控。水下泵一般采用單殼離心泵。目前水下泵裝置最大作業(yè)水深為30m左右。

4 水下泵裝置應(yīng)用存在的問題

4.1 設(shè)備成本高

水下泵和電機(jī)都在水下面作業(yè)，因此對于水下電機(jī)和水下電纜的密性要求極高，檢修維護(hù)的技術(shù)含量越大，成本也越高。

在泥泵轉(zhuǎn)速不變的情況下，淺挖深時(shí)流量過大，損失增大（轉(zhuǎn)速按最大挖深確定）。因此，水下電機(jī)一般采用變頻電機(jī)，可以調(diào)節(jié)泥泵轉(zhuǎn)速，以滿足不同的作業(yè)工況。變頻電機(jī)初期成本也較高。

4.2 水下泵吊放裝置加大

耙吸管安裝水下泵裝置后，耙管總體質(zhì)量增大，耙中吊架即水下泵吊架額定載荷也隨著變大，如新海獅水泵吊架額定載荷為100 t，跨距8.7m［4］，而相似耙吸船耙中吊架額定載荷約為52 t，跨距5.4m。這將導(dǎo)致吊放裝置尺寸、絞車?yán)σ约耙簤罕谜镜染鶎⒆兇蟆?/p>

因此，有些耙吸船采取水下泵與艙內(nèi)泵串聯(lián)，水下泵揚(yáng)程可以降低；相同流量下，可選擇較小功率水下泵。這樣可以適當(dāng)降低水下泵裝置質(zhì)量，相應(yīng)輔助系統(tǒng)也可減少。如“通程”號耙吸船通過功率管理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，可采用單個(gè)艙內(nèi)泵和水下泵串聯(lián)進(jìn)行最大挖深85m的疏浚作業(yè)［5］。

4.3 淺挖深可能存在的問題

在淺挖深情況下，由于水下泵裝置整體尺寸比較大，因此很容易使裝置觸泥或與船體舷側(cè)發(fā)生干涉，從而損壞裝置或破壞船體。另外，在超淺挖深情況下，耙吸管無法完全充滿水，故不能形成真空，導(dǎo)致無法吸泥。

5 水下泥泵應(yīng)用實(shí)例

某耙吸挖泥船主要用于我國長江口、珠江口等沿海港口、航道的疏浚、吹填工程。該船挖泥吃水6.8m，吸泥管直徑900mm，挖深在耙管與船基線不同夾角下可達(dá)到30～34m。

該船采用單耙疏浚作業(yè)，在耙管上安裝有IHC水下泥泵系統(tǒng)，可通過水下泵或艙內(nèi)泵（旁通水下泵后）進(jìn)行挖泥裝艙作業(yè)。該水下泵由水下變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

疏浚土質(zhì)可為淤泥、中細(xì)沙、粗砂、粘土和卵石等，其中，中細(xì)砂特性如下：

d10%= 0.31mm，d50%= 0.23mm，d90%= 0.16mm，不含淤泥。

密度（容重）= 1.95 t/m3（砂細(xì)孔中充水）。

該挖泥船在30m挖深、疏浚中細(xì)砂時(shí)，水下泵與艙內(nèi)泵進(jìn)行挖泥裝艙的性能對比如表6所示。

由表6可見，耙吸船安裝水下泵將使疏浚性能得到顯著改善。

6 結(jié) 論

本文分析了水下泵裝置在耙吸式挖泥船上的組成特點(diǎn)、應(yīng)用特點(diǎn)以及存在的問題。隨著技術(shù)的成熟，中小型耙吸船在航道疏浚中也將越來越多采用水下泵。這一新的設(shè)計(jì)理念，可供后續(xù)耙吸船疏浚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

表6 水下泵與艙內(nèi)泵疏浚性能對比

［1］ 徐德陽.水下泥泵在絞吸式挖泥船上的應(yīng)用［J］.水利電力施工機(jī)械，1988（2）：7-10.

［2］ 洪國軍，林風(fēng)，王建.新型高效耙頭的研制與應(yīng)用［C］//中國交通建設(shè)股份有限公司2008現(xiàn)場技術(shù)交流會論文集，2008：411-416.

［3］ 熊庭，楊文，鄧勇，等.絞吸挖泥船泥漿管道輸送模型構(gòu)建［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2015（2）：254-263.

［4］ 趙建亭.深水疏浚工程船水下泵吊放裝置開發(fā)設(shè)計(jì)［J］.船舶，2005（4）：46-49.

［5］ 仲偉東，費(fèi)龍.“通程號”超大型耙吸挖泥船開發(fā)設(shè)計(jì)［J］.上海造船，2011（2）：29-32.

信息動(dòng)態(tài)

MARIC設(shè)計(jì)的載人潛水器支持母船開建

9月16日上午，中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院（MARIC）為中國大洋協(xié)會設(shè)計(jì)的“深海一號”載人潛水器支持母船在武船重工開工建造?！?深海一號”是目前世界新型、先進(jìn)的載人潛水支持母船，該船將為“蛟龍”號載人潛水器深潛作業(yè)提供水下、水面支持及維護(hù)保養(yǎng)，以充分發(fā)揮其在深海科學(xué)考察、海底資源勘查、深海生物基因研究領(lǐng)域技術(shù)優(yōu)勢。

該船總長90.2m；型寬16.8m，設(shè)計(jì)吃水5.5m，型深8.3m，設(shè)計(jì)航速16 kn以上，續(xù)航能力超過12000 nmile。該船為單體、雙槳、長首樓船型，具備B3級冰區(qū)加強(qiáng)，滿足直升機(jī)懸停要求，部分上層建筑為鋁合金材質(zhì)，帶DP-1級動(dòng)力定位系統(tǒng)，特別在聲寂性、重量控制、材料與工藝以及內(nèi)裝、照明等方面按照國際先進(jìn)理念和跨學(xué)科技術(shù)合作進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造。

該船不僅是一艘設(shè)計(jì)理念、技術(shù)水平和科學(xué)調(diào)查能力達(dá)到國際先進(jìn)水平的“蛟龍”號載人潛水器專用支持母船，也將是助推中國深海事業(yè)發(fā)展的重要一步！

Application of submerged dredge pump on trailing suction hopper dredger

ZENG Qing-song1WANG Wei2ZHENG Qin2LIU shu-xiang1LI Xiang- rong2
(1.marine Design & Research Institute of China,shanghai 200011, China; 2. Changjiang Wuhan Waterway Engineering Bureau, Wuhan 430010, China)

submerged dredge pumps are usually installed on the trailing suction hopper dredger (TSHD) for the deep water dredging. As the technology of the submerged dredge pump develops, the sub merged dredge pump unit was increasingly applied in channel dredging in the recent years. By comparison with the inboard dredge pump, the submerged dredge pump can enhance the suction concentration and the loading efficiency, and improve the cavitation performance of the dredge pump with less vibration. On the basis of the characteristics of centrifugal dredge pumps, this paper explains the theory of applying the submerged dredge pump to improve the dredging concentration. It also briefly introduces the composition features of the submerged dredge pump unit, and discusses the possible application problems. Finally, the case study of TSHD using the submerged dredge pump is presented. It can provide reference for the design of the dredging system for the TSHD.

submerged dredge pump; trailing suction hopper dredger(TSHD); dredging concentration; dredging efficiency

U674.31

A

1001-9855（2017）05-0080-07

2017-03-01；

2017-04-27

曾慶松（1988-），男，工程師。研究方向：船舶特種機(jī)械的設(shè)計(jì)研究。王 煒（1977-），男，高級工程師。研究方向：船舶工程。鄭 琴（1980-），女，工程師。研究方向：船舶工程。劉樹祥（1983-），男，工程師。研究方向：船舶特種機(jī)械的設(shè)計(jì)研究。李向榮（1978-），男，高級工程師。研究方向：船舶工程。

10.19423 /j.cnki.31-1561 / u.2017.05.080