具有首沖功能的300 m3自航耙吸挖泥船疏浚系統設計

龔 琦

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

具有首沖功能的300 m3自航耙吸挖泥船疏浚系統設計

龔 琦

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

從疏浚工程船舶設計人員的角度，通過對實船設計實例的描述，介紹了既能滿足沿海深挖疏浚作業又能兼顧內河極淺挖疏浚作業的具有首沖功能的耙吸挖泥船疏浚系統設計。該船具備新型特殊功能，能更廣泛應用于疏浚施工區域。

疏浚系統設計；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域。若要在長江中上游航道進行疏浚作業，兼顧應急需求，且不影響通航，上述船型就存在一定困難了。整個長江航道素有“黃金水道”之稱，在我國內河航運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的大型山區河流，三峽庫區也位于其間，此段灘多流急且河床土質較為復雜：淺水由卵石覆蓋，空隙由砂和礫石填實，結構緊密；深水以亞粘土、砂土和細砂為主，顆粒細小，流動性好，但沉淀性差，想要滿足此航段的疏浚需求就得設計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”設計項目就此而生。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 疏浚系統功能

根據長江中上游航道的地貌特征和水流土質，“具有首沖功能的300 m3自航耙吸挖泥船”設計挖掘對象為淤泥、粘土、密實中細砂、粗砂、碎石和卵石等，具體土質技術指標如下：

粘土：Ip＞17

密實中細砂：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，有效裝艙時間不大于60 min。在船艏設有首沖吸泥裝置以進行2～4.5 m水深淺挖疏浚作業，船中還設有裝載泥漿的泥艙、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遠的邊拋回轉裝置。故本船常用的疏浚功能有以下幾項：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 疏浚系統設計

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

2.1 泥 泵

泥泵是挖泥船的核心設備，故挖泥船的作業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-揚程工作點之外，泥泵還應同時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。根據全船設計尺度和動力配置以及泵艙布置，留給泥泵的空間略顯不足，且整船在淺水區域作業時吃水非常淺，在安裝泥泵時必須盡可能將其中心放低，以保證泥泵的氣蝕性能，故決定采用一臺雙速高效離心式單殼泥泵，經齒輪箱和安全聯軸器，由變頻電機驅動。當挖深變化時，可通過調整變頻電機轉速來調整泥泵轉速，以獲得在相應作業工況時的最佳工作點（即最佳流量-揚程），低轉速時耙吸裝艙，高轉速時耙吸邊拋、首沖吸泥邊拋或抽艙邊拋。

根據艙容、挖深和邊拋距離等參數，本船泥泵性能參數如下：

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為揚程，m。

2.2 耙管耙頭及其升降裝置

本船設兩套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，在彎管與滑塊后經艙內吸泥管與泥泵相連。短耙管比長耙管少了十字鉸接頭，并在末端設了折角彎管與耙頭聯接，以保證淺挖時耙頭的對地角度。長耙管和短耙管靠船舷外側處均設有高壓沖水管，向耙頭提供高壓水，遇轉動處則由軟管過渡，所有軟管均為耐磨橡膠。

耙吸管升降裝置包括了：吊架，液壓絞車和波浪補償器等。使用長耙管時采用3點起吊，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，保證最大耙吸挖深20 m。轉換為短耙管時采用2點起吊，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，保證最小耙吸挖深4.5 m。在耙頭、耙中吊架旁設有波浪補償器，以保證在水流波動中耙頭的對地角度，使耙頭緊貼河床，從而獲得更好的挖泥濃度。波浪補償器設有一個鎖定裝置，當要快速起耙時，可直接鎖定波浪補償器液壓油缸柱塞。

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、吸泥管、高壓沖水管、軟管等。驅動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挖深點，打開高壓沖水泵經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，沖松后的泥砂在高速運動的水流帶動下形成沖刷，由此實現首沖吸泥作業，即首沖功能。具體設計時，首沖吸泥口的泥漿流速一般都控制在1 m/s以上，前蘇聯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，若太小會增加吸口的水力損失且結構設計困難，吸泥口的寬度從吸入中心至吸口側邊最大值為2.5～2.75 m，不超過3 m，若超過則應將全部寬度分成2～3個帶獨立連接吸管的分段，本裝置即分為2個分段。

圖3 首沖吸泥裝置

2.4 邊拋回轉裝置

邊拋回轉裝置是用于直接將泥漿向船舷側拋出的機構。根據長江中上游的航道環境，水道彎曲，水流湍急，十分有利于挖泥邊拋這種疏浚作業方式，當積沉于河床底部的泥砂經由耙頭或首沖吸泥裝置的高壓水沖松后吸入，再經邊拋回轉裝置于船舷側噴出時，泥漿順急流即逝，不會再次積沉于同一段航道內，免去了來回卸泥的麻煩，使疏浚作業效率得到最大的提升。邊拋回轉裝置包括：邊拋架和回轉機構。邊拋架由立柱、鋼管拉桿和排泥管一同組成。回轉機構則由液壓油缸、擺動支架、聯軸器、回轉軸承、固定彎管和轉動彎管等組成，在液壓油缸驅動下，帶動整個回轉機構旋轉至左右舷，最大可達90°。

圖4 邊拋回轉裝置

2.5 泥艙布置

鑒于長江中上游航道環境對整船尺度的限制，本船在泥艙段設有單列錐形泥門4個，閘板式抽艙門4個和溢流筒1個，均由駕駛室群控或單控。泥門打開時，泥漿經泥門與船體間的空隙卸載，卸載時間一般不超過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動，與船底間有橡膠密封圈，以保證泥門密封，并起緩沖作用，還設機械鎖緊裝置，在船舶長距離航行時，使液壓油缸卸載。抽艙門打開時，泥漿經一側吸泥管線吸入泥泵進行邊拋作業，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動，通過拉桿帶動閘板在導軌內上、下運動。溢流筒可在裝艙時垂直升降調整高度來溢流海水，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動上筒體在與船體固定的下筒體中移動，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設備串聯起來完成各項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泥漿流速，必須大于相應土質的臨界流速，一般又不超過7 m/s。液壓閘閥按吸排泥管通徑選取，通過開閉閘閥實現各項疏浚功能，由駕駛室控制。裝載消能箱安裝于泥艙段，焊接結構，雙側開孔，頂部設法蘭與裝艙泥管相連，泥漿經縱向裝艙泥管進入消能箱，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，加速沉淀，消能箱出口處還設格柵以阻擋泥漿中較大的石塊、雜物等，以減少對泥艙沖擊。

2.7 高壓沖水系統

為實現各項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土質，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，置于船艏泵艙內，左右舷對稱布置，經聯軸器由變頻電機驅動，泵從泵艙的海底門吸水，再經高壓沖水管系到達各個需要的位置，管系中以蝶閥開閉實現各項功能，蝶閥由駕駛室控制，通海旁的蝶閥亦可手動控制以應對緊急情況。

本船高壓沖水泵性能參數如下：

流量：Q = 600 m3/h

揚程：H ≈ 70 m

2.8 起重機

本船作為疏浚作業船舶不同于普通船舶，在甲板及艙內布置了眾多疏浚設備，為保證疏浚作業正常高效進行，這些設備需經常進行保養維護，因此配置必要的吊裝設備可有效保證挖泥船的作業效率，從而進一步保證暢通航道的能力。現在船艉部靠近泥艙的甲板處設一臺固定的船用電液驅動全回轉起重機，用于吊裝耙頭和機艙設備檢修，根據各個設備的質量，核定后起重機定為8 t×14 m。

2.9 液壓控制系統

本船設開式液壓系統，向各個疏浚設備供給液壓油以驅動設備運行。液壓系統包括：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都是向成套設備商訂貨，故此處不作展開。

3 結 論

具有首沖功能的300 m3自航耙吸挖泥船建成投入使用后，疏浚作業情況良好，各項疏浚作業指標都達到了預定要求。可見本船的疏浚系統設計是成功的，從而保證能高效為長江黃金水道長期暢通服務。在2006年9月，本船還憑借“首沖功能實現極淺挖深”這一特點獲得了中國航海學會科學技術進步二等獎。

［1］ 譚宗柒， 崔家仲.吸盤式挖泥船噴嘴噴射功能改進研究［J］.三峽大學學報（自然科學版），2003，25（2）：149-164.

［2］ 沈志平.具有首沖功能的300 m3自航耙吸挖泥船船型設計［J］.船舶，2009（6）：18-21.

［3］ 王兵. 新型耙吸挖泥船首部沖沙疏浚方式-“航浚20”耙吸挖泥船首沖功能介紹［J］. 船舶，2010（1）：18-21.

［4］ 王敏， 鄧逵， 王軍. 1 250 m3/h 吸盤式挖泥船噴嘴改進研究［J］. 中國水運，2011，11（7）：91-94.

［5］ 馮峰， 孫雪， 孫原， 等.吸盤挖泥船吸盤試驗研究［J］.船舶，2012，23（4）：07-11.

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，主要從事工程船機械設計。