朱榮，李偉強(qiáng)

（中交上海航道局有限公司， 上海 200002）

長(zhǎng)江口 12 000m3大型專用耙吸挖泥船的技術(shù)特點(diǎn)

朱榮，李偉強(qiáng)

（中交上海航道局有限公司， 上海 200002）

“長(zhǎng)江口 01”、“長(zhǎng)江口 02”輪系根據(jù)長(zhǎng)江口-12.5m 深水航道現(xiàn)場(chǎng)水文、通航密度、施工土質(zhì)等作業(yè)條件定制的 2 艘 12 000m3大型專用耙吸挖泥船，與一般通用大型耙吸挖泥船相比，具有淺吃水、小挖深、高效率、低能耗等特點(diǎn)。文章通過該型船性能參數(shù)和技術(shù)特點(diǎn)的介紹，展示了耙吸挖泥船設(shè)計(jì)技術(shù)的最新成就。

12 000m3；專用耙吸挖泥船；技術(shù)特點(diǎn)

1 船型及功能

長(zhǎng)江口航道管理局建造的 2 艘 12 000m3耙吸挖泥船“長(zhǎng)江口 01/02”輪，主要針對(duì)長(zhǎng)江口水域開闊、施工現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)大、流急、霧多，交通繁忙，疏浚土質(zhì)為顆粒細(xì)、流動(dòng)性強(qiáng)、不易沉淀的松散細(xì)砂和軟弱淤泥等特點(diǎn)，定制的大型專用耙吸挖泥船[1]。船型為雙推進(jìn)主機(jī)、雙可調(diào)槳、雙 魚尾舵和雙艏側(cè)向推進(jìn)器，單甲板艏樓結(jié)構(gòu)，采用超大球鼻艏、雙艉鰭船體線型。挖泥系統(tǒng)主要安裝有雙耙管、雙裝艙消能箱、單溢流筒和艏吹裝置，船右舷安裝了裝駁裝置用于駁船艕靠作業(yè)，具有挖、運(yùn)、拋、吹、裝駁功能。

“長(zhǎng)江口 01/02”輪 2 艘挖泥船于 2008 年 7 月簽訂建造合同，由荷蘭 IHC 公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)建造，首制船“長(zhǎng)江口 01”輪在荷蘭建造，于 2012 年 5月交船，第二艘“長(zhǎng)江口 02”輪在中國(guó)建造，于2013 年 3 月交船，2 艘船的總投資超過 18 億元人民幣。

2 性能參數(shù)

2.1 主要設(shè)備和性能

“長(zhǎng)江口 01/02”輪總噸 12 319，泥艙容積12 000 m3， 滿 載 自 由 航 速 15.2 kn， 配 置 2 臺(tái)MAN7L48/60CR 主柴油機(jī)，單機(jī)功率 7 560 kW；2臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)，單機(jī)功率 2 050 kW；1 臺(tái) CAT/ 3512B 輔助發(fā)電機(jī)，功率 960 kW；1 臺(tái) CAT/C18應(yīng)急發(fā)電機(jī)，功率 380 kW；2 臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的艏側(cè)推裝置，單機(jī)功率 500 kW；2 臺(tái) IHC 制造的HRMD202-43-100 單殼泥泵。在平均 90%最大持續(xù)功率工況下，本船可連續(xù)疏浚作業(yè) 20 d，續(xù)航力約為 8 000 nmail。

2.2 浮態(tài)及穩(wěn)性

“長(zhǎng)江口 01/02”輪在設(shè)計(jì)吃水和挖泥吃水時(shí)，完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性滿足CCS規(guī)范要求。船舶在空船或輕載時(shí)，艏尖艙作為縱傾調(diào)節(jié)艙，能夠迅速壓排水，用于調(diào)節(jié)船舶的縱傾。當(dāng)船舶裝載50%油水，泥艙抽空時(shí)平均吃水小于 3.2m，挖泥時(shí)滿載吃水 8.37m。

2.3 疏浚性能

“長(zhǎng)江口 01/02”兩艘船的疏浚系統(tǒng)設(shè)計(jì)，充分考慮了長(zhǎng)江口深水航道的水域條件與疏浚泥質(zhì)情況，對(duì)曾參于長(zhǎng)江口航道疏浚施工船舶的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析后，最終確定該船艙容為12 000m3，泥艙密度設(shè)定為 1.35 t/m3，最大挖深-25m，裝艙時(shí)間約 52min，使用雙耙挖泥時(shí)對(duì)水航速約為 6.5 kn，即船舶對(duì)地航速約為 2.5 kn，逆流流速約為 4 kn。

3 技術(shù)特點(diǎn)

荷蘭 IHC 公司在設(shè)計(jì)長(zhǎng)江口 12 000m3專用耙吸挖泥船時(shí)應(yīng)用了多項(xiàng)減阻技術(shù)，從船舶主尺度選擇、線型設(shè)計(jì)、船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料使用等方面全盤考慮，努力降低船舶自重，減少航行阻力，提高營(yíng)運(yùn)效益。在主機(jī)、泥泵、耙頭等關(guān)鍵設(shè)備選型、參數(shù)確定方面結(jié)合長(zhǎng)江口實(shí)際工況，打破常規(guī)，具有獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)。

3.1 合理的主尺度和船型參數(shù)

主尺度是體現(xiàn)船舶先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵，耙吸式挖泥船的主尺度主要取決于泥艙的裝載量。“長(zhǎng)江口 01/02”輪船舶主尺度的設(shè)計(jì)原則：

1）結(jié)合泥艙、機(jī)泵艙、其它艙室和甲板機(jī)械的布置；

2） 兼顧船舶航行性能、船體總縱強(qiáng)度與穩(wěn)性、續(xù)航力等因素；

3） 重點(diǎn)考慮長(zhǎng)江口航道水深、槽寬、流速、通航密度，以及泥艙容量和裝艙密度等施工條件。

通過前期調(diào)研、技術(shù)論證、方案比較、船型優(yōu)化等工作，最終確定該船較合理的主尺度和船型參數(shù)?？傞L(zhǎng) 132.0m，垂線間長(zhǎng) 122.2m，型寬27.3 m，型深 10.0m，疏浚時(shí)平均吃 水 8.37 m，排水體積 24 643 m3，水線面系數(shù) CWP=0.923，方形系數(shù) CB=0.884。

與同期國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)建造的同樣規(guī)格的挖泥船相比，該船主尺度、空船重量、空載吃水、滿載吃水具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

3.2 船舶減阻附體技術(shù)的應(yīng)用

耙吸挖泥船船體線型是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與關(guān)鍵點(diǎn)，良好的線型能夠大幅減小航行阻力，為航速、載重量、船舶穩(wěn)性等帶來性能提升?！伴L(zhǎng)江口 01/ 02”輪在船體線型設(shè)計(jì)中重點(diǎn)研究了耙吸挖泥船阻力特性和推進(jìn)性能。

針對(duì)長(zhǎng)江口航道淺水疏浚作業(yè)的特殊要求，依據(jù)大型耙吸挖泥船的發(fā)展趨勢(shì)，創(chuàng)新應(yīng)用了船舶減阻附體——超長(zhǎng)肥大型球鼻艏（見圖 1）技術(shù)。

圖1 超長(zhǎng)肥大型球鼻艏Fig.1 Super-long large-scalebulbousbow

在船體設(shè)計(jì)時(shí)將艏柱前移，設(shè)超長(zhǎng)肥大型球鼻艏[2]，以改善肩部壓力梯度，球鼻艏和船體形成的波峰和波谷得以相互抵消，波形平滑（圖 2），顯著降低了船體興波阻力。這種設(shè)計(jì)對(duì)有一定航速要求的淺吃水肥大型耙吸挖泥船降阻效果明顯。

圖2 船體興波示意Fig.2 Sketch of ship wave-making

為了提高推進(jìn)效率，達(dá)到節(jié)能的目的，“長(zhǎng)江口 01/02”輪還采用了“Gondola”型雙導(dǎo)流尾鰭技術(shù)（見圖 3），增加船艉流場(chǎng)的伴流系數(shù)，大大改善螺旋槳的進(jìn)流。

“長(zhǎng)江口 01/02”輪裝配了舵效好、可靠性高、適合長(zhǎng)江口航道工況的改進(jìn)型魚尾舵，舵效得到明顯提升。此外在船艉雙尾鰭結(jié)構(gòu)中間還設(shè)置了箱形呆木（見圖 4），在增大艉部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性的同時(shí)避免了船體振動(dòng)，保障了船舶航向穩(wěn)定性。

圖3 "Gondola"型導(dǎo)流尾鰭Fig.3 Gondola type of fair water tail fin

圖4 魚尾舵、呆木布置Fig.4 Layou t of the tail rudder and deadwood

3.3 “零舵位偏角”技術(shù)的應(yīng)用

根據(jù)“Gondola”雙尾鰭布置的需要，舵桿中心位置較尾軸中心線有 300mm 的偏移。根據(jù)流體力學(xué)的計(jì)算結(jié)果，艉舵零位時(shí)最佳角度偏轉(zhuǎn)設(shè)置為 3°。在此情況下，流場(chǎng)狀態(tài)良好（圖 5），與不采用偏角相比，能夠減少水流阻力約1%。

圖5 艉舵流場(chǎng)示意圖Fig.5 Sketch of flow field of stern rudder

3.4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低船舶自重，提高裝艙效率

“長(zhǎng)江口 01/02”輪的泥艙設(shè)有雙列方形泥門，泥門數(shù)量共計(jì) 10個(gè)。船體泥艙段采用縱骨架式結(jié)構(gòu)，而船體艏、艉段則采用橫骨架式結(jié)構(gòu)，這種縱橫混合骨架船體結(jié)構(gòu)很好地解決了結(jié)構(gòu)重量和船體總強(qiáng)度之間的矛盾，更加經(jīng)濟(jì)。

在泥艙設(shè)計(jì)中，根據(jù)淤泥質(zhì)細(xì)粉砂土質(zhì)，通過模型試驗(yàn)決定采用半深裝艙管，并經(jīng)流體力學(xué)分析計(jì)算，合理地確定了裝艙管的開口位置與開口大小的非勻稱布置形式，如圖6所示。有效的提高了裝艙效率，降低了疏浚物對(duì)泥艙艙壁結(jié)構(gòu)的沖擊磨損。

圖6 裝艙管布置示意圖Fig.6 Sketch of thearrangementof loading pipe

該船船體屬肥大型，長(zhǎng)寬比較小，船體設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)橫向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度給予了特別的關(guān)注，在泥艙內(nèi)設(shè)置了沿船舯方向的縱向三角艙和4組橫向三角艙（見圖 7）。橫向三角艙、舷側(cè)隔離空艙橫艙壁和泥艙開口強(qiáng)橫梁共同組成了船體舯部泥艙分段的橫向強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)。同時(shí)對(duì)船體泥門開口的四角隅進(jìn)行了專門的有限元分析與計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行局部加強(qiáng)，部分泥艙結(jié)構(gòu)件使用高強(qiáng)度鋼替代普通船用板、型材，降低船舶自重。

圖7 泥艙布置Fig.7 Layou t of the hopper

3.5 選用輕量化設(shè)備，采用復(fù)合驅(qū)動(dòng)技術(shù)

“長(zhǎng)江口 01/02”輪主機(jī)選用 2 臺(tái)電控共軌MAN7L48/60CR-7560KW 中速柴油機(jī)主機(jī)和 1 臺(tái)CAT/3512B 高速輔發(fā)電柴油機(jī)。電控共軌機(jī)與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，取消了燃油凸輪等部件，中速機(jī)和高速機(jī)相對(duì)于低速機(jī)重量較輕，對(duì)船舶的輕量化有較大的意義。

該船還運(yùn)用了“一拖三”驅(qū)動(dòng)方式[3]，即主機(jī)通過輸出端的雙輸出齒輪箱分帶推進(jìn)器和軸帶發(fā)電機(jī)，自由端帶艙內(nèi)泥泵。 借助“復(fù)合驅(qū)動(dòng)技術(shù)”，減少全船柴油機(jī)裝船數(shù)量，降低了船舶自重。

3.6 選用低流量泥泵

長(zhǎng)江口深水航道長(zhǎng)達(dá) 92.2 km，不同區(qū)域土質(zhì)分布存在著差異，但主要以粒徑細(xì)小的淤質(zhì)細(xì)粉砂為主，D50≈0.075mm，天然容重 1.65~1.75 t/m3。

通過對(duì)以往參與長(zhǎng)江口一、二、三期工程疏浚的施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，通用型耙吸挖泥船普遍存在泥泵流量偏大、挖掘濃度不理想、泥土沉淀效果欠佳現(xiàn)象。為此該專用船在方案設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)長(zhǎng)江口的土樣在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了裝艙試驗(yàn)，并到長(zhǎng)江口施工實(shí)船測(cè)量，在泥艙不同位置檢測(cè)泥槳垂直方向的濃度、運(yùn)動(dòng)速度，并進(jìn)行重點(diǎn)分析計(jì)算，決定選用總流量為 3.7m3/s，即單泵為 1.85m3/s 低流量泥泵，大幅度降低長(zhǎng)江口 12 000m3專用耙吸船的裝艙流量，以降低泥槳在泥艙內(nèi)的擾動(dòng)能量，提高其沉淀效果。并據(jù)此參數(shù)和吸排管阻力計(jì)算出泥泵所需揚(yáng)程，最終確定了泥泵的型號(hào)和轉(zhuǎn)速、功率等性能參數(shù)。

“長(zhǎng)江口 01/02”輪實(shí)船施工數(shù)據(jù)表明，單泵裝艙泥槳流量約 7 000m3/h，揚(yáng)程 17m，平均吸入濃度 1.45 t/m3，泥泵軸功率約為 600~700 kW，達(dá)到了專用耙吸挖泥船的高生產(chǎn)效率、低能耗的目標(biāo)。

3.7 裝備專用高效“威龍”耙頭

“長(zhǎng)江口 01/02”輪根據(jù)土質(zhì)特性、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合耙頭拖曳阻力和主機(jī)推進(jìn)功率，專門設(shè)計(jì)了 2 只寬 4.0m，重量 17 t的“威龍”（Wild Dragon）耙頭（見圖 8）。

該耙頭帶有雙排耙齒，五排高壓沖水，耙頭高壓沖水水箱采用獨(dú)立式高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，耙頭底板、高壓沖水噴嘴板采用了耐磨材料與普通鋼板澆鑄連接的復(fù)合材料，提高了耐磨性。耙頭兩側(cè)安裝有易拆裝的防磨材料擋板，提高了耙頭真空度，達(dá)到破土效果最大化，再通過泥泵的抽吸和航速的控制，將松散土體盡量全部吸收，以提高耙頭挖掘濃度。通過模型試驗(yàn)，這種新型耙頭比普通耙頭在挖掘濃度上提高了 10%以上[4]。

當(dāng)耙齒切土深度為 0.24m，挖泥航速 2.5 kn時(shí)，耙頭的切土產(chǎn)量可達(dá) 1.2m3/s，泥泵流量為1.85m3/s 時(shí)，挖掘的泥槳濃度達(dá)到1.378 t/m3。

耙頭裝有2個(gè)液壓油缸用于調(diào)整耙頭耙舌角度以改變破土深度，可以實(shí)現(xiàn) 0.36m 的最大破土要求。

通過實(shí)船挖泥試驗(yàn)，該耙頭挖掘細(xì)粉砂時(shí)平均濃度大于 1.40 t/m3，挖 掘含泥砂土?xí)r濃度超過1.50 t/m3，挖掘能力優(yōu)良。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)船試驗(yàn)，證明了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)成果的可靠性，并為此種新型高壓沖水耙頭的深化研究提供了依據(jù)。

圖8 “威龍”型耙頭Fig.8 Weilong-type drag head

4 結(jié)語

“長(zhǎng)江口 01”、“長(zhǎng)江口 02”輪系長(zhǎng)江口航道管理局根據(jù)長(zhǎng)江口工況特點(diǎn)定制的兩艘大型專用耙吸挖泥船。投產(chǎn)1 a多來，該船平均裝艙濃度可達(dá) 1.45 t/m3以上，裝艙時(shí)間約 50min，船舶滿載 （約 7 200 m3原狀土）拋泥時(shí)間 3~5 min，在3 000m 排距工況下吹岸時(shí)間約 70min，實(shí)現(xiàn)了高效施工的既定目標(biāo)。

[1]彭振武.長(zhǎng)江口航道管理局建造專用耙吸式挖泥船的必要性[J].水運(yùn)工程，2007（4）：43-46. PENG Zhen-wu.Necessity of the Yangtze Estuary Waterway Administration Bureau's building of specialized trailing suction hopperdredger[J].Port&Waterway Engineering,2007(4):43-46.

[2]劉厚恕.國(guó)內(nèi)外大型耙吸挖泥船發(fā)展綜述[J].船舶，2006（5）：1-7. LIUHou-shu.Developmentof large SHD in China and other countries[J].Ship&Boat,2006(5):1-7.

[3]于再紅.大型耙吸挖泥船“新?；ⅰ碧?hào)的輪機(jī)設(shè)計(jì)[J].船舶，2008（5）：25-29. YU Zai-hong.Machinery system for large TSHD'XIN HAIHU'[J]. Ship&Boat,2008(5):25-29.

[4]江帥，樹偉.一種新型高壓沖水耙頭的探索研究[C]//中國(guó)疏浚協(xié)會(huì).第十九屆世界疏浚大會(huì)論文集.2010：175-182. JIANGShuai,SHUWei.Research on anew type high-pressure jet atdraghead[C]//Proceeding of the 19th world dredging congress of China Dredging Association.2010:175-182.

Technical features of 12 000m3large-scale dedicated TSHD at the Yangtze estuary

ZHURong,LIWei-qiang
（CCCCShanghaiDredging Co.,Ltd.,Shanghai200002,China）

Yangtze Estuary 01 and Yangtze Estuary 02 are the two 12 000 m3large-scale trailing suction hopper dredgers, which are customized focusing on Yangtze estuary deepwater channel dredging and regulation workswith the channel depth of -12.5m and under the typical site hydrological condition,busy navigation waterway with high traffic density as well as special soil conditions at the estuary of Yangtze river.Compared with common large-scale TSHD,they have the technical features of small draft,shallow dredging depth with high working efficiency and low energy consumption,etc.This paper shows the latest achievementsof the TSHD design technology by introducing the ship performance and technical features.

12 000m3;the dedicated TSHD;technical features

U615.35

B

2095-7874（2014）09-0063-04

10.7640/zggw js201409017

2014-06-24

朱榮 （1962 — ），男，江蘇泰州市人，高級(jí)工程師，主要從事設(shè)備管理、船舶修造與節(jié)能減排等工作。E-mail：hjzhurong@sina.com