新建6 500 m3耙吸挖泥船疏浚系統技術研究

馮沛洪，胡京招*，李忠，班育博

（1．中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208；2．中港疏浚有限公司，上海 200129）

0 引言

耙吸挖泥船作為疏浚行業主力船舶，在各類航道疏浚、港口建設、吹填造地工程項目中發揮著重要作用。長江黃金水道深水航道整治維護、洋山深水港建設和航道疏浚、港珠澳大橋島隧工程等國家重點工程建設過程中耙吸挖泥船都發揮了重要作用。時至21世紀，隨著世界各國對節能減排和環境保護的要求日漸提升，業主對疏浚工程的施工要求也隨之提高，要求施工船舶在確保施工質量、進度和安全的同時，對水文環境不能造成新的污染[1]。因此，各施工企業和設計單位在研發設計施工船舶過程中，把節能和環保的性能作為關鍵指標納入設計理念中。

中交上海航道局有限公司無論在總艙容量還是在船舶技術性能方面，均處于國內外領先水平[2]。早在2002年，中交上航局便引進了荷蘭IHC設計建造的萬方耙吸挖泥船“新海龍”輪，在國內尚屬首例。該輪先進的設計理念、優化的整船疏浚性能和強大的施工能力帶動了國內整個疏浚裝備行業的發展[3]。近期6 500 m3耙吸挖泥船的研發設計和建造，是繼“新海龍”輪之后，中交上航局再一次和荷蘭IHC公司開展整船研發設計的合作項目（見圖1）。設計理念中融合了高效節能的經濟性指標和低排放低污染的環保性指標。在其疏浚系統設計中，提出了裝艙效率高、卸泥速度快、溢流損失低和溢流擴散污染小的要求[4]。

圖1 6 500 m3耙吸挖泥船側視圖Fig.1 Side view of 6 500 m3TSHD

本文針對6 500 m3耙吸挖泥船疏浚系統研發設計中采用的先進理念和新型疏浚裝備技術進行總結和分析，將全船疏浚系統分為挖掘子系統、裝艙溢流子系統、抽艙卸泥子系統、疏浚控制子系統共4個子系統進行分別研究，對比分析其各個子系統的特點和性能，總結新建6 500 m3耙吸挖泥船整船疏浚系統的優勢，為后續國內耙吸挖泥船疏浚系統和疏浚裝備的研究設計提供參考。

1 新型挖掘系統研究

耙頭是耙吸挖泥船的關鍵裝備，其挖掘性能直接影響船舶的施工產量。近幾年，國內對疏浚耙頭的性能研究不斷深入，從耙頭高壓沖水噴射角度、噴嘴直徑、噴嘴布置的系列研究到耙頭引水天窗的尺寸設置和開閉控制研究，都取得了一定的成果，并且轉化為多個成功應用的實例。在對耙頭耙齒切削性能的研究方面，中交疏浚技術裝備國家工程研究中心通過物理模型挖掘試驗和計算機數值模擬土體切削分析，研究結果發現，耙齒對地的切削角度對耙頭的挖掘效率和挖掘阻力有較大的影響，并且對于不同土質，耙齒對地的最佳切削角范圍是不同的。目前，在耙頭設計過程中，由于耙頭與土體切削作用產生的挖掘作用力較大，為確保耙齒及齒座在施工中不被拉斷，耙頭結構設計中耙齒及齒座均為固定焊接式。

新建6 500 m3耙吸挖泥船配備了最新研發的針對挖掘板結砂土質的“IHC威龍”型耙頭和針對挖掘黏土土質的“IHC黏土”型專用耙頭。其中，“IHC黏土”型專用耙頭除了配置高壓沖水和引水窗外，研發設計了可調角度型耙齒，如圖2所示，在不同施工深度和疏浚土質工況下，通過調節耙齒對地角度來獲得最佳的耙齒切削角，有效提高疏浚濃度，極大地增強了耙頭的工況適應能力。

圖2 可調角度型耙齒的黏土專用耙頭Fig.2 Clay draghead with adjustable angle teeth

2 裝艙溢流系統研究

2.1 環保溢流閥的應用

耙吸挖泥船在裝艙過程中，通過溢流來達到最大的裝艙量，是施工過程一個重要的環節。但是，在溢流過程中，通過溢流筒溢流出的低濃度混合物因為含有少部分泥沙而在進入水體后在水體表面形成懸浮物顆粒，造成水體的懸浮顆粒污染[5]。經過研究發現，泥沙密度大于水密度，能夠在水體表面長時間懸浮的一個直接原因是泥沙混合物在進入水體時攜帶了大量的空氣，促使混合物進入水體后，泥沙顆粒不能夠及時沉降而處于懸浮狀態，進而引起水體表面的懸浮擴散污染。

環保型溢流閥的設計理念即來源于此，通過在溢流筒底部設置一個可開閉的環保閥，如圖3所示，在溢流過程中通過持續調整閥體開合角度，在溢流筒內儲蓄一定高度的水體，直接降低了溢流混合物進入溢流筒后的垂直降落高度，即極大減小了溢流混合物與空氣接觸的時間和速度，進而減少溢流混合物內的空氣含量。通過環保閥的開口區域，溢流混合物進入水體后能夠迅速沉淀，有效降低了溢流混合物中泥沙在水體中的懸浮時間，達到降低懸浮擴散污染的目的，提高了整船施工的環保性能。

圖3 增設環保閥的溢流筒Fig.3 Overflow duct with hydraulically operated valve

對于某些禁止溢流的區域，通過保持溢流閥關閉，可以使耙吸挖泥船泥艙與外部水域的完全隔離，從而實現船舶挖泥施工過程的零溢流、無污染。

2.2 節能型單耙臂施工理念

近年來，隨著世界各國對工程施工節能減排要求的提高，施工企業對船舶施工精細化管理要求也越來越高。因此，在耙吸挖泥船的設計建造中，單耙臂系統的應用也逐漸盛行。

6 500 m3耙吸挖泥船的設計選擇配置了單耙臂系統，即在船體右舷側設置單耙臂系統。與此對應，機艙內2臺主機分別采用右舷側主機一拖二配置（主機同時驅動推進器和泥泵），左舷側主機一拖三配置（主機同時驅動推進器、主發電機和高壓沖水泵）。單耙臂系統設計的優勢在于，同樣推進功率下，有更大的推力分配，使單耙頭得到更大的挖掘力，破土能力更強。因此，在某種意義上，同一挖掘能力下，裝機功率減少，從而達到節能目的。

同時，單耙臂系統施工過程中可以選擇泥泵的大流量高效工況點裝艙，加大耙頭切入土體深度，使耙頭和泥泵的配合達到最佳施工效率點。因此，同樣艙容下，單耙臂系統的裝艙時間與雙耙臂系統的裝艙時間并非為兩倍的關系，雙耙臂系統裝艙時間40 min，單耙臂系統裝艙時間只需約1 h。

此外，適當延長裝艙時間有利于泥漿在泥艙內的充分沉淀，最大程度減少溢流損失，達到環保節能的效果[6]。

在國外，單耙設計已被歐洲疏浚公司廣泛采用，尤其是在挖掘中細砂的情況下，濃度可以提高40%以上，這種設計基本可以滿足裝艙時間的要求，而且單耙臂設計還具有維護保養簡單，節省50%的耙管成本費用等優勢。

3 抽艙卸泥系統的優化研究

3.1 抽艙系統的優化

抽艙排岸是耙吸挖泥船常規施工中的一種重要工況，整個抽艙系統的流暢作業對施工效率有直接的影響。目前的耙吸挖泥船，抽艙管系的類別主要有設置于三角艙內的抽艙管和設置于泥艙內的抽艙通道，與之相應匹配的抽艙門設備分別是置于泥艙內的提拉式抽艙小泥門和置于泥艙內的翻板式抽艙門。兩種設備均是采用將液壓油缸置于泥艙甲板，連桿通過泥艙連接小泥門的形式，此種形式下的優點是液壓油缸處于泥艙外，不受裝艙影響且便于維護。缺點則是經常出現拉桿被泥漿壓彎，抽艙小泥門打開困難。或者是長時間之后，拉桿鏈條被拉伸，小泥門關不嚴密。

本船則采用抽艙管系配備抽艙閘閥的形式，將閘閥與抽艙管系統一布置于縱向三角艙內，直接避免了抽艙門拉桿在泥艙內容易被泥漿沉淀壓彎變形的問題。此種設計理念將抽艙設備與泥漿徹底隔離放置于船體內，對于設備的保護和后期的檢查維護具有很大的優勢，尤其是對于縱向三角艙空間體積較大的船型，其優勢和便利性更為明顯。

3.2 方形泥門的優化

目前耙吸挖泥船的泥門類型中，以錐形泥門和對開式方形泥門為主。錐形泥門結構簡單，如圖4所示，整體呈圓錐形，與船體底部圓形開孔的泥門框相對應。錐形泥門通過拉桿與位于泥艙甲板的液壓油缸相連。在液壓油缸作用下，錐形泥門下放與船體泥門框脫開即為打開狀態，上升與泥門框對應貼合即為關閉狀態。整個運轉過程可靠性較高，不易變形，缺點是由于打開面積較小，拋泥效率較低。對開式方形泥門由兩扇方形泥門組成，如圖5所示，泥門通過鉸鏈安裝在船體底部開口區域，并通過連桿與泥艙甲板上的液壓油缸連接。在液壓油缸的作用下，對開泥門向下打開即為拋泥狀態，向上合攏與船底齊平即為關閉狀態。整個過程泥門打開面積大，泥艙內疏浚物順泥門表面下滑進入海底，拋泥效率高。但由于方形泥門的開閉都要繞鉸鏈轉動，鉸鏈與船體之間的間隙容易卡入異物、堆積泥沙，進而造成泥門關不嚴密，長時間的強行關閉還會造成方形泥門和鉸鏈的變形，最終導致泥門滲漏。基于此，盡管方形對開式泥門的拋泥效率高，許多耙吸挖泥船設計者也不敢輕易采用，寧愿選擇可靠性高的錐形泥門。

圖4 錐形泥門結構Fig.4 Conical bottom door

圖5 方形泥門Fig.5 Square shape bottom door

本船設計采用了拋泥效率高的方形對開式泥門，保證了整艘船疏浚系統的施工效率。同時，針對方形泥門開口大、鉸鏈區域泥沙堆積引起鉸鏈和泥門變形的問題，進行了一系列的優化改進。首先在設計上進行了加強，保證了其受力后的剛性。其次，方形泥門在鉸鏈位置設計了轉圓結構，與泥門框相對應，保證泥門在開閉過程中，鉸鏈區域的間隙一直被轉圓結構填充，阻止了異物和泥沙的進入和沉積，解決了泥門及鉸鏈結構因卡入異物和泥沙堆積而導致變形的問題。

同時，在方形泥門四周區域，配置了一組角度有序的旋流型高壓沖水噴嘴，卸泥時高壓水流在泥門區域高速沖刷，帶動泥漿形成旋流流態，減少泥漿在泥門區域的附著，加速卸泥過程，提高效率。

4 疏浚控制系統的設計應用

疏浚控制系統采用了IHC最新研發成果“一人疏浚控制（One person dredging control）”系統。船舶在航行控制臺和疏浚控制臺均設置了“一鍵疏浚”按鈕。施工參數設定后按下“一鍵疏浚”按鈕，APSS（耙臂系統自動順序）系統首先啟動，耙臂系統被提升并推出舷外，下放至舷側吸口位置。此時，所有啟動泥泵和高壓沖水泵所需的輔助設備都被激活，包括封水系統、潤滑系統及疏浚閥組預置。在耙頭入水及達到預設深度中，泥泵和高壓沖水泵自動合排，所有相關的自動疏浚控制子系統AWC（Automatic Winch Control System）、ADC（Automatic Draught Control System）、AVC（Automatic Visor Control System）、EPC （Eco pump controller）、ALMO（Automatic Light Mixture Overboard System）啟動運行，耙頭繼續下放到達預設挖深位置，開始疏浚過程。在耙頭挖掘過程中，自動控制系統會根據濃度變化對耙頭姿態進行微調，確保正常高效施工，避免濃度過大或過小。完成挖泥過程后，自動起耙并將耙臂系統歸位。這一自動化疏浚控制系統將最優化的施工方法與操耙工藝相結合并形成規則化和程序化，可保持穩定的產量[7]。據疏浚測試數據顯示，在整合并啟動激活TSC（Trail Speed controller）、AVC（Automatic Visor Control System）、AWC（Automatic Winch Control System）和EPC（Eco pump controller）功能時，使用自動化系統的施工產量預期比人工操作平均提高約15%。

5 結語

全船疏浚系統是一個整體，各疏浚設備相互之間匹配才能夠發揮出最佳的施工效率，僅僅單個疏浚設備性能的提升是不夠的，甚至會造成系統內部的不匹配，發生“小馬拉大車”或“大馬拉小車”等現象，造成能源的浪費。因此，在對耙吸挖泥船各個疏浚設備研究和設計過程中，必須以系統的理念從提升整船疏浚系統性能的角度來改進和優化疏浚設備。

本船正處于建造過程中，后續將針對系統內重點疏浚裝備的安裝和調試進行專項應用研究，驗證其理論設計與實船應用的相符性。