耙吸式挖泥船油艙柜的布置與設計

饒廣龍 張宇凡

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

0 引 言

挖泥船是應用范圍相當廣泛的一類工程船舶，主要用于水利清淤，河道治理，港口、航道、海灘的建設和維護，吹填造陸以及海上采礦等眾多領域，對國民經濟建設、城市可持續(xù)發(fā)展、維護海洋權益、農田水利、防洪搶險、環(huán)境治理和旅游業(yè)開發(fā)具有特別重要的意義。

挖泥船屬于疏浚工程、船舶工程、機械和電氣相互融合的交叉科學技術領域，通過設置在船上的挖泥裝置，能將水下泥沙或巖石挖掘、提升、搬移和運送。挖泥船是挖泥裝置與船舶的結合體，不同的船型與不同的挖泥裝置結合形成了不同種類和型式的挖泥船。

挖泥船根據挖泥原理可分為水力式挖泥船和機械式挖泥船。水力式挖泥船包括耙吸式挖泥船、絞吸式挖泥船和吸盤式挖泥船等，機械式挖泥船包括鏈斗式挖泥船、抓斗式挖泥船和鏟斗式挖泥船等。

作為水力式挖泥船的一種，耙吸式挖泥船設置了具有大開口、大艙容的泥艙，用于裝運從海底挖出的泥沙，并具有自航能力。船上還設置耙頭、耙管、泥泵和泥門等疏浚專用設備。耙吸式挖泥船可采用自航的方式，通過耙頭、泥泵進行挖泥作業(yè)，并能獨立完成挖泥、裝泥、運泥和卸泥全過程疏浚作業(yè)。其工作原理為：耙吸挖泥船航行抵達作業(yè)水域后，航速降至2~3 kn，通過吊架將耙臂放置于舷外，利用絞車下放耙臂至彎管滑塊到達吸口，然后繼續(xù)下放耙臂直至耙頭貼近泥面開始挖泥作業(yè)；啟動泥泵和高壓沖水泵，利用耙頭進行破土，利用泥泵通過耙臂將耙頭挖掘的土水混合物吸入，以邊航行、邊挖泥、邊裝艙的方式將吸入泥漿裝入船中部的泥艙，并通過沉淀溢流的方式提高泥砂的裝載量；泥艙裝滿后停止挖泥，吊起耙臂；船舶航行至預定的排泥水域，通過泥艙底部的泥門進行卸泥，或利用艙內泥泵和艏吹裝置進行艏噴或艏吹排岸。

耙吸式挖泥船有許多性能指標，是用以界定其船型規(guī)模以及表征該船主要技術性能的相關參數，包括：作業(yè)環(huán)境條件（土質、風、浪和流）、船舶主尺度（長、寬、型深和吃水等）、泥艙艙容、挖泥作業(yè)吃水、航速、挖泥航速、主機功率、總裝船功率和推進功率比等。泥艙艙容指泥艙所能裝載泥漿最大容積，即最高溢流位置處的泥艙容積，其大小是耙吸挖泥船裝載能力的重要指標。耙吸式挖泥船的大小一般用艙容來表示?？傃b船功率指船舶上安裝的柴油機的功率之和，其值的大小可一定程度上反映船舶的動力配置情況。推進功率比指總裝船功率與泥艙艙容的比值，該參數直接表征耙吸式挖泥船的動力性能。其值越大，則表明船舶功率儲備越大，動力性越好。但該值也不宜過大，否則將出現功率浪費的情況，降低船舶的經濟性。通常，耙吸式挖泥船的推進比功率值在1~1.4。因此，對于萬方級的耙吸式挖泥船而言，由于其泥艙艙容巨大，將導致總裝船功率隨之增大。再考慮足夠的續(xù)航力和自持力，最終將導致萬方級的耙吸挖泥船的燃油儲存艙容積需求巨大。

同時，耙吸式挖泥船上還設置有泥泵艙，用以布置艙內泥泵及附屬設備。作為耙吸式挖泥船重中之重的泥艙及泥泵艙，其設計與布置皆是為了滿足疏浚工程應用，往往受限于運營要求和裝船設備的制約， 可調整余地較小，因此其余的艙室、艙柜及系統的布置與設計，均須服務于它。

輪機系統設計中的燃油/滑油等艙柜的布置，除了要滿足規(guī)范的要求外，還需結合耙吸式挖泥船自身的特點，靈活配置。下文結合典型的耙吸式挖泥船布置情況，對燃油/滑油等艙柜的設計進行對比分析。

1 燃油艙柜的設計與布置

耙吸式挖泥船作為工程船，根據其作業(yè)施工海域的分布情況，出于經濟性考慮，往往船上選擇燃用重質燃油，即船用殘渣燃料油（Residual Marine Fuel，RMF），同時考慮在較少時間內，船舶可能會經過硫排放控制區(qū)或在該區(qū)域施工作業(yè)，因此船上通常設置有容積較大的RMF 儲存艙以及容積稍小一些的船用餾分燃料油（Distillate Marine Fuel，DMF）儲存艙，DMF 儲存艙可兼為低硫油儲存艙。根據柴油機運行需要，設置燃油日用艙和燃油沉淀艙。

1.1 燃油儲存艙的設計與布置

由于泥泵艙和機艙占據較大空間，因此通常將燃油儲存艙布置在泥艙兩側，燃油儲存艙對稱布置，以便于浮態(tài)的調整，如下頁圖1所示。

圖1 耙吸式挖泥船燃油儲存艙典型布置

值得注意的是，近年來大型耙吸挖泥船的總裝船功率不斷增大，究其原因可總結如下：

（1）不斷向外海、深海開展挖掘作業(yè)的需求，提高了對航速的要求；

（2）隨著挖深的不斷增大，需要增大艙內泥泵功率并加裝大功率的水下泥泵；

（3）為提高對付硬黏土的挖掘能力及濃度而需設置高壓沖水泵；

（4）艏吹裝置的全面配置以及遠距離排岸要求（達5~8 km），使泥泵排岸作業(yè)時的功率比挖泥裝艙工況下的功率要高出1 倍左右，進一步提高了泥泵的功率要求；

（5）為改善航行性能和作業(yè)時的艏向保持能力而普遍增設的艏（艉）側推等。

同時，由于耙吸式挖泥船往往有遠距離調遣及長時間連續(xù)施工的要求，其續(xù)航力和自持力的設計值皆較高，以至于使耙吸式挖泥船的燃油艙艙容往往超過600 m。以13 800 m耙吸式挖泥船為例，總裝船功率為19 400 kW，續(xù)航力約10 000 n mile，其燃油儲存艙的總艙容達到2 500 m。

根據國際海事組織頒布的《防污公約MARPOL》的要求，當船舶總艙容超過600 m時，應為容積超過30 m的非小油艙進行燃油艙保護設計，燃油艙應位于船底殼板型線以上，且均不應小于下列規(guī)定的距離：

式中：和的單位均為m，為船寬。

根據這一規(guī)范要求，耙吸式挖泥船在燃油儲存艙外設置有用于雙殼保護的空艙；同時為了盡可能增加泥艙艙容、不增加空間損耗，空艙的寬度往往按照滿足規(guī)范要求的最小值進行設計，如下頁圖2所示。

從圖2可以看出，雙殼保護空艙的底部高度（即雙層底高度）遠遠大于規(guī)范的要求。其原因在于，該類型挖泥船不僅常處于泥艙滿載工況作業(yè)，而且泥艙滿載至泥艙空載的變化較為頻繁，且在卸泥工況時，泥門打開，導致泥艙通海。增加雙層底的高度有利于增加結構的剛度，從而保證船舶在上述工況作業(yè)時以及面對頻繁的負載變化時，仍能保證具有足夠的強度和穩(wěn)定性，以保證船舶能安全可靠地運營。

圖2 耙吸式挖泥船燃油艙保護典型布置

1.2 燃油日用艙的設計與布置

根據規(guī)范要求，“推進和重要系統所必需的每一種燃油， 應配備2個燃油日用柜或等效布置。 每一油柜的容量至少能供推進裝置于最大持續(xù)功率和發(fā)電機組正常工作負荷情況下工作8 h。燃油日用柜的設置應滿足當一個油柜在清潔或修理時，另一個油柜可持續(xù)供應燃油。”

由于RMF日用柜內部需進行加熱，外部需包覆絕緣，因此其數量越多，對船上熱源消耗越大。為減少RMF日用柜的設置數量，通常選擇采用規(guī)范允許的等效布置，即設置1個重油日用柜和2個船用柴油日用柜，油柜容積需滿足規(guī)范要求，具體如 圖3所示。

圖3 耙吸式挖泥船燃油日用艙典型配置情況

RMF 中含有較多渣質，必須進行分離凈化處理后，方可供給柴油機使用，因此船上需配置具有足夠分離能力的分油機。由于分油機在對燃油進行分離時，產生大量的油氣，因此通常需布置在一個獨立的分油機室內，并根據規(guī)范的要求，進行獨立的抽風。

前文提到，耙吸式挖泥船經常處在重載工況下運行，船體結構的強度極為關鍵，因此在結構設計時，盡量保證連續(xù)。通常是將泥艙兩側的艙壁盡可能往艉部延伸。在這種設計思路下，機艙左右舷將出現2 個沿船長方向布置的艙室，其中一個正好可作為分油機室，另一個根據需要，可作為配電板間，也可作為集控室，如下頁圖4 所示。

圖4 耙吸式挖泥船分油機間及日用艙布置

根據驅動模式的不同，耙吸式挖泥船可分為“一拖二”、“一拖三”和全電力驅動3種模式。對于“一拖二”和“一拖三”模式的耙吸式挖泥船，其動力及電站配置往往為“中速推進柴油機+高速主發(fā)電機組”的搭配模式；對于全電力驅動模式的耙吸式挖泥船，其動力及電站配置往往為“中速主柴油發(fā)電機組+高速輔柴油發(fā)電機組”。

對于中速推進柴油機，其供油泵有采用機帶泵或電動泵2種模式。若為機帶燃油泵，則通常要求日用油柜最低液面高于柴油機曲軸中心線一定距離，以便機帶泵能有良好的吸入性能；若供油泵采用電動泵，則沒有特殊的要求。由于耙吸式挖泥船推進柴油機的單機功率較大，往往柴油機的外部供油管路按照采用電動供油泵的方案進行設計。

對于高速柴油機，轉速通常在1 500～2 100 r/min。這種機型結構緊湊，基本不需要外部系統。由于其供油泵通常為機帶泵，且高速柴油機對于燃油回油阻力有比較苛刻的要求，因此，燃油日用柜通常需和柴油機布置在同一平臺。若日用柜布置得過高，則需要在柴油機本體上增設浮子油箱，以保證柴油機的正常供、回油。

基于以上的情況，耙吸式挖泥船的燃油日用柜布置在機艙2平臺，且布置在分油機室附近。這種布置既可保證推進柴油機和主發(fā)電機組柴油機的正常運行，也可使分油機供、排油管路較短，便于船舶管路排線及船員操作。

燃油日用柜在布置時還需考慮的一點是：日用柜與機艙的接觸面只能有一個，以保證在機艙失火時，高溫火焰不會與日用柜大面積接觸，從而造成油柜出現高溫變形及破裂的現象，導致火勢進一步蔓延。

2 滑油艙的設計與布置

滑油是一切機械設備的潤滑劑。若沒有足夠的潤滑，機械設備的壽命將大幅度減少，甚至損壞。因此，船舶需要根據裝船設備對滑油品質及耗量的要求，配置足夠容量及數量的滑油艙。

2.1 滑油儲存艙柜的設計與布置

相比于常規(guī)運輸船，耙吸式挖泥船還配置有泥泵及高壓沖水泵。泥泵和高壓沖水泵功率較大，有時可達到6 000 kW，其軸承箱需要單獨設置動力潤滑單元進行潤滑。同時，不管是采用柴油機直接驅動，還是電動機驅動，都需要在原動機和泵組之間設置減速齒輪箱。耙吸式挖泥船上的滑油用戶包括：推進柴油機、推進齒輪箱、主發(fā)電機組柴油機、艉軸艉管、泥泵軸承、高壓沖水泵軸承、泥泵齒輪箱、高壓沖水泵齒輪箱和空壓機等。

由于滑油存在易乳化的問題，因此應根據用戶的實際需求量來設計滑油儲存艙柜，容積不宜過大。對于容積需求＜2 m的滑油柜，不便設計成船體結構艙柜，故往往設計成獨立艙柜。

值得注意的是：滑油艙柜不應與淡水艙柜相鄰。若燃油艙柜和滑油艙柜直接相鄰，則其相鄰艙壁的焊接應為全焊透方式。

2.2 滑油循環(huán)艙的設計與布置

柴油機根據油底殼的不同形式，可分為濕式油底殼和干式油底殼。按照濕式油底殼設計的柴油機，由于其滑油在自帶的油底殼內往復循環(huán)，因此船體上無需設置滑油循環(huán)艙。對于采用干式油底殼設計的柴油機而言，則必須在柴油機正下方的船體上設置滑油循環(huán)艙，作為“外置油底殼”為柴油機的滑油系統進行服務。

不同柴油機廠商對滑油循環(huán)艙的艙容有不同的要求，不管是哪家廠商，其艙容要求都與柴油機自身功率相關，不同之處在于系數的選取。以MAN柴油機為例，其要求滑油循環(huán)艙實際可用艙容與柴油機功率關系為不小于1 L/kW；而瓦錫蘭則要求滑油循環(huán)艙實際可用艙容與柴油機功率關系為1.2~1.5 L/kW。

在進行滑油循環(huán)艙的設計時，不僅應基于柴油機廠家的推薦值，同時還必須考慮船舶在航行時可能出現的橫傾和縱傾現象。根據規(guī)范要求，主機以及與船舶入級有關的機械設備， 其設計、選型和布置均應符合表1中船舶傾斜角的規(guī)定，以保證其能正常運轉。

表1 船舶傾斜角要求

由于柴油機沿船長方向布置，因此滑油循環(huán)艙也是沿船長方向布置，而柴油機的滑油吸口往往布置在艏部?？紤]到滑油吸口需要有足夠的流通量，因此滑油吸口往往不會距艙底過近。通常距艙底距離為管徑的一半，如下頁圖5 所示。

圖5 滑油循環(huán)艙吸入管布置情況

在滑油循環(huán)艙設計的過程中，若將其設計成一個扁平狀的艙室（即長度與高度的比值過大），則當滑油循環(huán)艙處在較低液位且船舶發(fā)生5°的艉部縱傾時，可能出現滑油積攢在艉部，從而導致位于艏部的吸口露出的情況，造成柴油機無法吸入滑油，從而無法正常運轉。因此，在設計滑油循環(huán)艙時，需要在保證擁有足夠艙容的前提下，控制滑油循環(huán)艙的長高比，避免出現過于扁平的情況；同時，可靈活設置滑油循環(huán)艙的低位報警值，在滑油損耗時，發(fā)出報警，提醒船員及時補充滑油。

滑油循環(huán)艙底板可直接由船底外板組成，也可在船底外板和滑油循環(huán)艙底板之間增加1個隔離空艙。若滑油循環(huán)艙底板直接由外板組成，則需要在滑油的吸入管和排出管上增加隔斷閥，其閥可在花鋼板上便于操作，以便在船外板破損、海水進入循環(huán)艙時，及時關閉。此時柴油機不再使用滑油循環(huán)艙內的滑油，而改為用自帶的油底殼進行臨時潤滑。典型的滑油循環(huán)艙布置如圖6所示。

圖6 典型的滑油循環(huán)艙布置方案

具體采用哪種設計方案，應根據柴油機及軸系定位高度，綜合考慮雙層底高度及合適的長高比后統籌決定。

3 油渣艙的設計與布置

由于耙吸式挖泥船通常燃用RMF，因此配置有分油機。分油機在進行分離時，除了將干凈的RMF 輸送至日用艙外，還會排出大量油渣，這些油渣需要設置專門的油渣艙進行收集處理。

常規(guī)的分油機不帶渣柜，其要求排渣管盡量垂直，不允許有大的拐角。這是因為該類型分油機依靠重力排渣，若出現大的拐角，異常黏稠的油渣將堵塞在拐角處，無法順利排出。因此在使用這類型的分油機時，需要在其正下方設置油渣艙，可選擇直接將油渣艙倒掛在分油機下方，也可將油渣艙布置在雙層底內。需要注意的是，若采取非倒掛的方式，應考慮船體線型的收縮程度，以免從機艙平臺垂直向下的排渣管由于線型的影響，被迫向船腫彎曲，造成排渣不暢。

目前，還有一種自帶渣柜的分油機，也被大眾接受與認可。這種分油機在其公共底座上配置有1 個小油渣柜，并在油渣柜的出口處設置有排渣泵，通過監(jiān)測自帶油渣柜內的液位，自動啟停排渣泵。通過動力排渣的方式，船上的油渣艙布置可更加靈活自由，不再受分油機位置的限制。

4 結 語

本文針對耙吸式挖泥船特有的設備配置情況及船型布置特點，依據規(guī)范的要求并結合實船應用，總結出船上燃油艙、滑油艙及油渣艙的布置要求及設計思路：

（1）燃油儲存艙布置在泥艙兩側，并需要進行雙殼保護；

（2）日用艙可采用規(guī)范允許的等效設計，布置在機艙平臺為較優(yōu)方案；

（3）滑油循環(huán)艙的設計盡量避免過大的長高比，其布置方案應結合柴油機安裝高度和雙層底高度綜合考慮；

（4）油渣艙的布置應滿足分油機的要求，可通過采用自帶渣柜的分油機實現油渣艙位置的靈活設計。