揭秘亞洲最大造島神器“天鯤”號(hào)

CCS南通辦事處 盧 煒

隨著世界和國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，海上疏浚和填筑工程的規(guī)模越來(lái)越大，疏浚行業(yè)面對(duì)的挑戰(zhàn)也越來(lái)越嚴(yán)峻，土質(zhì)堅(jiān)硬、輸送距離長(zhǎng)、工況較惡劣使得傳統(tǒng)的挖泥船已不能完全適應(yīng)。疏浚市場(chǎng)對(duì)疏浚設(shè)備的效率、成本和節(jié)能減排的要求越來(lái)越高，疏浚企業(yè)對(duì)大型疏浚設(shè)備的需求也越來(lái)越迫切，挖泥船正朝向高效化、智能化和綠色環(huán)保方向快速發(fā)展。大型自航絞吸式挖泥船的設(shè)計(jì)建造和挖泥船關(guān)鍵設(shè)備的研制已成為國(guó)際疏浚行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力的標(biāo)志，甚至代表了一個(gè)國(guó)家的裝備制造業(yè)總體水平。因此，研發(fā)與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平相當(dāng)、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型絞吸式挖泥船是在當(dāng)前國(guó)際疏浚市場(chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)下的一項(xiàng)緊迫使命。

圖1-1 下水前的天鯤號(hào)

圖1-2 下水后的天鯤號(hào)

2011年10月，國(guó)家工信部、財(cái)政部聯(lián)合批復(fù)關(guān)于“5000kW絞刀功率絞吸式疏浚船關(guān)鍵技術(shù)”研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目由中交天津航道局有限公司牽頭組織，聯(lián)合中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七〇八研究所、上海交通大學(xué)、廣州文沖船廠有限責(zé)任公司、招商局重工（深圳）有限公司等單位聯(lián)合研發(fā)。經(jīng)過(guò)參研單位艱苦卓絕的不懈努力，歷時(shí)五年，圓滿完成了全部研發(fā)任務(wù)，順利的通過(guò)了工信部組織的專(zhuān)家組驗(yàn)收，為”天鯤”號(hào)的建造奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

為積極響應(yīng)“一帶一路”倡議，打造建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)之重器，提升中國(guó)在國(guó)際高端疏浚市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，2015年中交天津航道局有限公司啟動(dòng)了新一代重型自航絞吸船”天鯤”號(hào)的建造工作,并于2015年12月11日在上海振華重工啟東海洋工程股份有限公司開(kāi)工建造，該項(xiàng)目入級(jí)中國(guó)船級(jí)社（CCS）。

“天鯤”號(hào)主要技術(shù)性能

如下圖1-1、1-2，“天鯤”號(hào)是國(guó)內(nèi)首艘從設(shè)計(jì)到建造擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、綠色環(huán)保、高效智能的重型自航絞吸船。全船采用全電力驅(qū)動(dòng)型式，船體艉部設(shè)置帶有波浪補(bǔ)償裝置的重型橋架，艏部設(shè)置柔性鋼樁臺(tái)車(chē)及三纜定位系統(tǒng)，機(jī)艙、泵艙位于船體舯部，上甲板以上設(shè)置帶有氣動(dòng)減振裝置的5層甲板室，定員45人。

船舶主要參數(shù)：總長(zhǎng)140.0m，型 寬27.8m， 型 深9.0m， 吃水6.5m，航速12kn，總裝機(jī)功率25843kW，標(biāo)準(zhǔn)疏浚能力6000m3/h。

1、國(guó)內(nèi)首艘采用全電力驅(qū)動(dòng)型式的自航絞吸船

“天鯤”號(hào)采用全電力中壓驅(qū)動(dòng)型式，配置3臺(tái)8000kW主發(fā)電機(jī)組，絞刀功率2×3300kW，水下泵功率5000kW，艙內(nèi)泵功率2×6000kW，主推進(jìn)功率2×4000kW，艏側(cè)推功率550kW，移絞車(chē)功率2×700kW，起橋絞車(chē)功率2×700kW。

這種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)型式可根據(jù)全船用電負(fù)荷需求以及泥泵排距長(zhǎng)短合理選擇柴油發(fā)電機(jī)組的開(kāi)啟數(shù)量，無(wú)需在排泥終端配置縮口，實(shí)現(xiàn)裝機(jī)功率的最有效利用。

2、挖掘系統(tǒng)能力位居世界前列

“天鯤”號(hào)絞刀電機(jī)額定功率6600kW，最大功率可達(dá)9900kW。絞刀轉(zhuǎn)速可根據(jù)土質(zhì)的變化進(jìn)行無(wú)極調(diào)速，兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)可根據(jù)挖掘功率的需要選擇單機(jī)或雙機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，其挖掘功率居世界前列，亞洲第一。

本船配備了四型絞刀頭，可挖掘抗壓強(qiáng)度50MPa的巖石。

圖1-3 天鯤號(hào)總布置圖

圖1-4 柔性重型鋼樁臺(tái)車(chē)系統(tǒng)

3、輸送系統(tǒng)能力世界第一

“天鯤”號(hào)泥泵電機(jī)總功率17000kW，最大排距15000m?？筛鶕?jù)輸送距離選擇單泵、雙泵串聯(lián)和三泵串聯(lián)等多種施工組合工作模式。

“天鯤”號(hào)配備最新型高效泥泵，每臺(tái)泥泵配備有不同葉片數(shù)、不同直徑的系列葉輪，可滿足不同輸送工況的要求。

全船吸排泥管徑為1000mm，全部采用雙層復(fù)合高耐磨材料，可大大提高吸排泥管路的耐磨性能和使用壽命。

4、適應(yīng)惡劣海況的能力全球最強(qiáng)

“天鯤”號(hào)橋架重量高達(dá)1700t，可滿足挖掘高強(qiáng)度巖石的需要。如下圖1-3所示的總布置圖，”天鯤”號(hào)重型橋架采用上下雙耳軸形式，可實(shí)現(xiàn)6.5～35m挖深范圍，本船35m的最大挖掘深度居世界前列，亞洲第一。

“天鯤”號(hào)橋架配置了世界上最大的波浪補(bǔ)償系統(tǒng)，可保證船舶在大風(fēng)浪工況下的施工安全，大幅提升施工效率。

全球首創(chuàng)在重型自航絞吸船配置鋼樁臺(tái)車(chē)/三纜定位雙定位系統(tǒng)

如下圖1-4 所示，“天鯤”號(hào)研制了世界上最先進(jìn)的油缸式柔性重型鋼樁臺(tái)車(chē)系統(tǒng)，可適應(yīng)3m高的波浪；三纜定位系統(tǒng)海況適應(yīng)性更高，可適應(yīng)4m高的波浪。

5、國(guó)際領(lǐng)先的自航絞吸船智能集成控制系統(tǒng)

“天鯤”號(hào)在疏浚三維土質(zhì)建模與顯示、實(shí)時(shí)潮位推算、能效管理、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和智能自動(dòng)挖泥控制等方面進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)，形成了國(guó)際領(lǐng)先的新型自航絞吸船智能集成控制系統(tǒng)。該集成控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)疏浚施工過(guò)程中重要設(shè)備（如橫移絞車(chē)、橋架絞車(chē)、鋼樁臺(tái)車(chē)等）在不同的施工模式下進(jìn)行的自動(dòng)控制。通過(guò)該集成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了橫移絞車(chē)、橋架絞車(chē)和鋼樁臺(tái)車(chē)在疏浚過(guò)程中的動(dòng)作自動(dòng)控制。

除上述先進(jìn)技術(shù)以外，“天鯤”號(hào)還在泥泵封水泵、智能海水冷卻系統(tǒng)、氣動(dòng)減震系統(tǒng)、海水淡化裝置及折臂吊機(jī)等方面取得突破性的創(chuàng)新和應(yīng)用新成果。

“天鯤”號(hào)建造難點(diǎn)

1、橋架的安裝制作

根據(jù)七〇八所的基本設(shè)計(jì)，“天鯤”號(hào)的絞刀橋架是采用可上下轉(zhuǎn)換的耳軸橋架，該工藝也是本項(xiàng)目工藝創(chuàng)新的最大亮點(diǎn)（國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)），可以實(shí)現(xiàn)橋架轉(zhuǎn)換耳軸的互換，挖泥深度也可以做相應(yīng)調(diào)整。但同時(shí)也對(duì)該項(xiàng)目建造難道系數(shù)有了質(zhì)的提升。橋架本身的鋼結(jié)構(gòu)量約為850噸，橋架內(nèi)的設(shè)備重量約為600噸?？倶蚣?chē)嵨恢剡_(dá)1600多噸，這個(gè)橋架總噸位遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)今一流船廠最大起重噸位。

2、鋼樁抬車(chē)的安裝

“天鯤”號(hào)的鋼樁抬車(chē)分主鋼樁和輔助鋼樁，主鋼樁的噸位超過(guò)800噸，輔助鋼樁噸位約500噸，同樣面臨著吊裝最大噸位的瓶頸外，還面臨的機(jī)加工，主鋼樁的有16個(gè)面需要機(jī)加工，最大加工面長(zhǎng)度約10米，機(jī)加工后的范圍需要≤1mm，安裝誤差要求極其嚴(yán)苛。

3、上建氣動(dòng)減震安裝

“天鯤”號(hào)上建和主船體是用氣動(dòng)減震裝置進(jìn)行連接，能夠有效過(guò)濾絞吸挖泥船在工作狀態(tài)下的震動(dòng)。該氣動(dòng)減震裝置供應(yīng)商（loggers）目前在中國(guó)也是第一次使用，且該裝置在船舶行業(yè)上使用也是比較罕見(jiàn)的。此設(shè)備安裝難點(diǎn)是對(duì)設(shè)備基座的平整度要求極高，除了面臨精度（±1mm）要求外，還有就是數(shù)量之多（148塊）。這么大的量，即使在氣動(dòng)減震廠家來(lái)說(shuō)，也是史無(wú)前例的?，F(xiàn)場(chǎng)在氣動(dòng)減震基座整體焊接完成后，需要及時(shí)調(diào)整胎架高度，尋找148塊墊塊的基準(zhǔn)點(diǎn)，通過(guò)尋找基線整體進(jìn)行機(jī)加工。

4、橋架耳軸鑄鋼件的焊接

橋架耳軸鑄鋼件共計(jì)10只，材料ZG20Mn，因鑄鋼件本身材質(zhì)特性焊接時(shí)需要設(shè)有專(zhuān)項(xiàng)焊接工藝，保證焊接質(zhì)量，該鑄鋼件焊接前需要預(yù)熱保溫150℃，焊接時(shí)需要注意應(yīng)力消除，焊后保溫需要200℃，因鑄鋼件安裝區(qū)域在狹小空間內(nèi)，焊接溫度之高及焊接難度之大對(duì)焊接工程師提出了更為嚴(yán)峻的考驗(yàn)。該鑄鋼件后續(xù)的機(jī)加工精度平行度、垂直度均要求控制在0.2mm范圍。對(duì)160噸的鋼架構(gòu)而言，船體鑄鋼件及橋架耳軸配合公差為3mm，這樣嚴(yán)格的誤差要求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)而言是很難控制的。且機(jī)加工在白天太陽(yáng)照射的范圍內(nèi)船體本身的變形誤差都在10mm以上。因此，該橋架機(jī)加工的時(shí)間都是控制在夜間23:00～凌晨5:00之間進(jìn)行。

5、技術(shù)工藝國(guó)內(nèi)首創(chuàng)

該船為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，在世界同類(lèi)型船也只有一艘“雅典娜”號(hào)可借鑒，但是相比之前建造的絞吸式挖泥船，“天鯤”號(hào)有多項(xiàng)工藝/裝備屬于專(zhuān)利創(chuàng)新，比如橋架制作與安裝工藝、三纜定位系統(tǒng)安裝工藝、鋼樁臺(tái)車(chē)施工方案等，均屬于國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，基本上無(wú)任何借鑒的經(jīng)驗(yàn)。這些新的工藝無(wú)可避免在前期的設(shè)計(jì)和后續(xù)的生產(chǎn)上面臨多項(xiàng)技術(shù)修改難關(guān)。

CCS助力“天鯤”號(hào)揚(yáng)帆起航

針對(duì)以上的種種困難點(diǎn)，中國(guó)船級(jí)社（CCS）全程參與“天鯤”號(hào)的建造檢驗(yàn)過(guò)程，提前充分做好技術(shù)和建造難點(diǎn)的分析和研究，吸取國(guó)內(nèi)外挖泥船建造項(xiàng)目組經(jīng)驗(yàn)，與船東、設(shè)計(jì)院做好充分溝通，同時(shí)協(xié)同系統(tǒng)內(nèi)專(zhuān)家，組建成立技術(shù)攻關(guān)小組，在項(xiàng)目的研發(fā)、圖紙審核和現(xiàn)場(chǎng)建造過(guò)程中給予了全方位的技術(shù)支持與保障。

1、CCS挖泥船審圖技術(shù)服務(wù)能力

項(xiàng)目立項(xiàng)后，CCS積極組織社內(nèi)專(zhuān)家與設(shè)計(jì)方七〇八所和建造方振華重工以及現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)單位進(jìn)行了全方位對(duì)接，尋找提供入級(jí)前技術(shù)服務(wù)的切入點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多輪深入交流，CCS專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)和相關(guān)方圍繞以下三個(gè)方面展開(kāi)技術(shù)支持服務(wù)：

第一，本船航行時(shí)，兩根鋼樁可通過(guò)傾倒油缸系統(tǒng)傾倒平放在甲板上。但鋼樁兩側(cè)的提升油缸，原有的設(shè)計(jì)造成了從駕駛位置所見(jiàn)海面視域兩側(cè)提升油缸盲視區(qū)之間的可視扇形區(qū)域不能滿足SOLAS公約第Ⅴ章航行安全第22條駕駛室可視范圍1.2中關(guān)于在盲視區(qū)之間的可視扇形區(qū)域應(yīng)至少為5°的要求。針對(duì)原有設(shè)計(jì)不滿足SOLAS公約要求的情況，CCS建議設(shè)計(jì)單位將主輔鋼樁起升裝置采用液壓缸驅(qū)動(dòng)的整體傾倒方式：一是主、輔鋼樁起升裝置采用增加液壓缸驅(qū)動(dòng)的整體傾倒結(jié)構(gòu)型式；二是增設(shè)起升裝置整體將鋼樁傾倒在鋼樁上的馬鞍形固定架；三是傾倒控制旋鈕設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)的鋼樁控制臺(tái)上；四是上面的維修平臺(tái)做成格柵式，不遮擋航行視線。通過(guò)該優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)，本船的駕駛視線非常好，安全性也得到了保障，這與國(guó)外同型船相比具有創(chuàng)新意義。

第二，上層建筑與主船體的連接安裝了主動(dòng)氣動(dòng)減震裝置，可以有效減少和隔絕船舶施工期間低頻振動(dòng)對(duì)上層建筑的影響，為國(guó)內(nèi)首例。CCS進(jìn)行了全面的有限元直接計(jì)算，校核該新穎設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可靠性。

第三，在絞吸式挖泥船中，相關(guān)連接構(gòu)件的超大厚度板焊接工藝是對(duì)CCS現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)的一大技術(shù)挑戰(zhàn)。CCS現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)過(guò)硬，成功解決了這一工藝難題。

2、CCS挖泥船現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)服務(wù)能力

在現(xiàn)場(chǎng)建造過(guò)程中，為進(jìn)一步提高挖泥船規(guī)范與檢驗(yàn)水平，提升服務(wù)能力，CCS積極參與到挖泥專(zhuān)用關(guān)鍵設(shè)備的建造檢驗(yàn)過(guò)程，提前充分做好技術(shù)和建造難點(diǎn)的分析和研究，結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)力量，組建成立挖泥船專(zhuān)用關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)研究小組。CCS對(duì)建造關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，力求把監(jiān)造期間的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。具體來(lái)講：

第一，在項(xiàng)目開(kāi)展初期，現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目組協(xié)調(diào)上海審圖中心積極組織審圖交底會(huì)，會(huì)議就設(shè)計(jì)院、船東、船廠關(guān)心的若干問(wèn)題達(dá)成一致，并就“天鯤”號(hào)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)關(guān)注的要點(diǎn)達(dá)成了多方共識(shí)。

第二，針對(duì)“天鯤”號(hào)橋架耳軸鑄鋼件等采用的特殊材料，CCS積極組織完成了針對(duì)該項(xiàng)目特殊材料的焊接工藝認(rèn)可，確保項(xiàng)目的順利進(jìn)行。

第三． 針對(duì)“天鯤”號(hào)多項(xiàng)技術(shù)工藝國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的特點(diǎn)，CCS積極深入?yún)⑴c到該項(xiàng)目的技術(shù)工藝評(píng)審會(huì)。比如針對(duì)”天鯤”號(hào)上建氣動(dòng)減震系統(tǒng)的安裝對(duì)設(shè)備基座平整度要求極高，且數(shù)量大的特點(diǎn)，CCS積極組織完成了上建氣動(dòng)減震系統(tǒng)安裝工藝評(píng)審會(huì)。通過(guò)深入到這些工藝評(píng)審會(huì)并積極參與到挖泥設(shè)專(zhuān)用關(guān)鍵設(shè)備的建造檢驗(yàn)過(guò)程，極大的提升了CCS在工程船特別是挖泥船專(zhuān)用關(guān)鍵設(shè)備的建造檢驗(yàn)服務(wù)能力。

第四，針對(duì)本船橋架吊裝難度大，機(jī)加工精度要求高的特點(diǎn)，CCS積極參與到橋架安裝的現(xiàn)場(chǎng)建造檢驗(yàn)?！疤祧H”號(hào)為了增強(qiáng)作業(yè)適應(yīng)能力，盡可能增加最大挖深，同時(shí)滿足最小挖深的指標(biāo)，設(shè)置了上、下雙耳軸，這樣便可通過(guò)切換上下鉸點(diǎn)調(diào)整橋架位置，滿足6.5m至35m的挖深需要。但這一首創(chuàng)新技術(shù)對(duì)建造工藝提出了更大的挑戰(zhàn)。1500余噸重的橋梁在安裝對(duì)接時(shí)誤差必須控制在毫米級(jí)別，為了解決這一技術(shù)難題，該項(xiàng)目先后組織召開(kāi)橋架工藝評(píng)審討論會(huì)20余次。工藝要求橋架耳軸軸承座左、右舷位置度控制在±1mm內(nèi)，同軸度在0.2mm內(nèi)，誤差要求相當(dāng)苛刻。且為了控制環(huán)境溫度對(duì)船體變形的影響，橋架在機(jī)加工的時(shí)間都是控制在夜間23:00～凌晨5:00之間。CCS現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)船師全力配合，保質(zhì)保量的完成各項(xiàng)工作。

第五，作為技術(shù)服務(wù)單位，對(duì)客戶的技術(shù)層面服務(wù)既是項(xiàng)目管理的切實(shí)需求，也是船東船廠直接需要。一年以來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目組一直致力于對(duì)客戶的技術(shù)培訓(xùn)服務(wù)工作，這其中即有常規(guī)檢驗(yàn)技術(shù)服務(wù)，也包括高新技術(shù)的專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)培訓(xùn)服務(wù)，所有技術(shù)服務(wù)活動(dòng)均收到客戶的高度認(rèn)可和歡迎，取得了十分理想的效果；包括工程船消防救生專(zhuān)題培訓(xùn)、有害物質(zhì)清單編制專(zhuān)題培訓(xùn)等。

第六，CCS對(duì)本船采用的新型海水淡化裝置前置處理優(yōu)化方案進(jìn)行了認(rèn)可和技術(shù)服務(wù)，確保該突破性的創(chuàng)新在本項(xiàng)目得以成功實(shí)施。

縱觀我國(guó)的疏浚裝備發(fā)展的歷史，先后走過(guò)了整船進(jìn)口、國(guó)外設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)建造、國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)建造等階段的曲折道路，經(jīng)歷了從無(wú)到有，從小到大，從弱到強(qiáng)的幾十年的發(fā)展歷程?！疤祧H”號(hào)的成功研制，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)重型自航絞吸船關(guān)鍵技術(shù)的突破和核心技術(shù)的掌握，填補(bǔ)了我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造重型自航絞吸船的空白，使我國(guó)挖泥船設(shè)計(jì)和建造技術(shù)躋身世界前列。

“天鯤”號(hào)的成功下水，不僅是CCS與船東、船廠、設(shè)計(jì)院四方共同努力、相互信任、相互合作的成果，更是CCS不斷提升技術(shù)服務(wù)能力，深化客戶合作，實(shí)現(xiàn)四方共贏的又一典范。該船的成功下水，也標(biāo)志著CCS在大型工程船特別是挖泥船上的檢驗(yàn)服務(wù)能力提升到一個(gè)新的高度。