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      天鯤號絞吸挖泥船挖巖作業(yè)配套船舶技術(shù)研究

      2024-01-30 09:45:44毛建輝費(fèi)龍王顯力丁勇張瑩
      中國港灣建設(shè) 2024年1期
      關(guān)鍵詞:挖泥體式挖泥船

      毛建輝,費(fèi)龍,王顯力,丁勇,張瑩

      (中國船舶與海洋工程設(shè)計(jì)研究院,上海 200011)

      0 引言

      隨著全球經(jīng)濟(jì)的加速發(fā)展以及國際疏浚業(yè)的不斷壯大,大型絞吸式挖泥船已成為該領(lǐng)域的關(guān)鍵裝備。我國研制了天鯤號超大型絞吸挖泥船。其泥泵系統(tǒng)功率高達(dá)17 000 kW,不僅能夠挖掘淤泥、黏土、密實(shí)砂質(zhì)土、礫石,而且還能挖掘單側(cè)抗壓強(qiáng)度50 MPa 以內(nèi)的中弱風(fēng)化巖。

      為最大化天鯤號的效能,研究者們對此進(jìn)行了深入研究。張曉楓等[1]詳細(xì)介紹了其船型、主尺度和總布置等設(shè)計(jì)亮點(diǎn);張更生等[2]分享了其在廣西某港航道擴(kuò)建工程中疏浚風(fēng)化砂巖的經(jīng)驗(yàn);佟德財(cái)?shù)萚3]對天鯤號在某海外工程中與小型泥駁配合時(shí)的效率問題給出了建設(shè)性的建議。此外,孫雪夢和沈偉平的研究[4]為大型疏浚項(xiàng)目中絞吸船和耙吸船協(xié)同作業(yè)提供了新的策略。邵善慶[5]探討了一種新型的開體式耙吸挖泥船的設(shè)計(jì)思想。

      要充分釋放天鯤號的巨大疏浚潛能,引入高效的“疏浚挖掘與物料運(yùn)輸?shù)挠行Х蛛x”(簡稱“挖-運(yùn)分離”)物流策略是關(guān)鍵[6]。這需要為天鯤號定制一艘與之匹配的開體式耙吸挖泥船。本文詳細(xì)討論了開體式耙吸挖泥船在主尺度和艙容、快速靠泊、泥艙結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度、疏浚系統(tǒng)和船舶布局等方面與天鯤號的匹配問題。最后,提出了一種新穎的開體式耙吸船方案,能夠完全滿足天鯤號挖巖裝駁和運(yùn)輸?shù)男枨?,?shí)現(xiàn)“挖-運(yùn)分離”物流策略;能夠開展后期掃淺挖泥作業(yè),減少天鯤號的占用期,從而顯著提升整體經(jīng)濟(jì)效益。

      1 研究背景

      “天鯤號”是一艘超大功率的絞吸挖泥船,主要服務(wù)于港口航道疏浚、島礁建設(shè)及圍海吹填造地等任務(wù)。當(dāng)進(jìn)入施工區(qū)域后,天鯤號首先拋下左右橫移錨、落下主樁,隨后利用橋架絞車將絞刀架下放至水下,然后啟動泥泵和絞刀。絞刀切削泥土后,將泥水混合物從吸口經(jīng)吸管吸入泥泵,再通過排泥管線連續(xù)輸送排至泥場[1,6]。對于巖石等粒徑較大的石料的挖掘,則無法直接通過排泥管線輸送,需要采用邊挖邊裝駁的施工工藝,與泥駁配合完成疏浚物料的運(yùn)輸。

      開體式耙吸挖泥船屬于一類獨(dú)特的挖泥船。其裝備有耙頭、耙管、泥泵、高壓沖水泵等疏浚設(shè)備,可以進(jìn)行耙吸挖泥作業(yè)。該船的設(shè)計(jì)與自航開體泥駁類似,船體中央設(shè)有大容量泥艙,用于裝載泥漿和石料。船體分為左右2 個(gè)片體,通過泥艙前后端的2 個(gè)主鉸鏈和2 個(gè)開體液壓油缸,可以沿中心線打開,從而迅速拋卸艙內(nèi)物料。這使得開體式耙吸挖泥船同時(shí)具備耙吸挖泥船和開體泥駁的雙重特性[5-6]。但由于其艙容相對較小,且往往面向特定場景使用,所以國內(nèi)外該船型數(shù)量相對較少。

      在大型吹填工程中,如迪拜的一系列填海筑島項(xiàng)目,普遍采用“挖-運(yùn)分離”的物流策略以提高疏浚效率。在工程初期,絞吸式挖泥船主要用于大規(guī)模挖砂和挖巖,開體式耙吸挖泥船則作為絞吸挖泥船的配套泥駁,負(fù)責(zé)長距離的物料運(yùn)輸,既節(jié)省了工程成本又提高了工程進(jìn)度[6]。在工程后期,開體式耙吸挖泥船能夠獨(dú)立進(jìn)行掃淺挖泥作業(yè),而絞吸挖泥船可用于新工程。這一策略可以減少大型絞吸挖泥船的占用期,提高工程整體經(jīng)濟(jì)性。

      盡管天鯤號自2019 年起就已投入市場運(yùn)營,但目前尚無與之配套的開體式耙吸挖泥船。為了實(shí)施“挖-運(yùn)分離”的高效物流策略,有必要開發(fā)一艘與天鯤號匹配的開體式耙吸挖泥船。其設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)主要有:1) 確保開體式耙吸挖泥船的主要參數(shù)和性能能夠與天鯤號匹配;2) 保證開體式耙吸挖泥船具備優(yōu)良的操縱性能,能快速靠泊天鯤號;3) 滿足開體式耙吸挖泥船快速裝卸和高效挖泥的需求。

      2 方案設(shè)計(jì)

      2.1 主尺度和泥艙艙容

      1) 裝駁作業(yè)對船舶主尺度和艙容的限制

      在船舶設(shè)計(jì)中,滿足特定任務(wù)要求的船型選擇是至關(guān)重要的。對于與天鯤號配套的開體式耙吸挖泥船來說,其主尺度和艙容設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足裝駁作業(yè)的特殊要求。在風(fēng)浪條件下,根據(jù)小船更易靠泊大船的經(jīng)驗(yàn),開體式耙吸挖泥船的船長應(yīng)略小于天鯤號船長(約122 m)。為避免裝駁時(shí)橫向裝載不平衡造成的風(fēng)險(xiǎn),考慮到天鯤號裝駁管出口到舷外的距離約11 m,經(jīng)扣除靠泊碰墊厚度后,實(shí)際伸入的有效寬度約為10 m。因此,結(jié)合裝駁管出口到船舶中心線的允許距離(約1 m),推薦的開體式耙吸挖泥船型寬為18~22 m,如圖1所示。

      圖1 天鯤號絞吸挖泥船和開體式耙吸挖泥船配合裝駁作業(yè)Fig.1 Coordinated loading operation of the cutter suction dredger"Tiankun"and split trailing suction hopper dredger

      為保證能夠在相同水域作業(yè),開體式耙吸挖泥船的作業(yè)吃水應(yīng)與天鯤號保持一致,約為6.5 m。綜合以上裝駁作業(yè)對開體式耙吸挖泥船主尺度的限制條件,與其匹配的泥艙艙容約為3 500~5 000 m3。

      2) 開體船型泥艙艙容的設(shè)計(jì)界限

      開體式耙吸挖泥船結(jié)構(gòu)主要依賴2 個(gè)縱艙壁及船體外板來承受外力。隨著船體尺度的增加,船體可能會出現(xiàn)明顯的變形,這將導(dǎo)致泥艙密封性變差,從而影響泥艙艙容設(shè)計(jì)。根據(jù)國外實(shí)際已交付使用的船舶資料,開體船型泥艙最大艙容約為3 700 m3。

      開體船型的關(guān)鍵設(shè)備之一是開體液壓油缸,它控制主船體兩片體的啟閉。在卸泥階段,它將兩片體繞鉸鏈向外打開,卸泥完成后,兩片體自行關(guān)閉[7]。由于開體液壓油缸的限制,開體船型的泥艙艙容通常在3 000~5 000 m3。

      3) 泥艙艙容與天鯤號疏浚能力的匹配

      為確保天鯤號持續(xù)高效作業(yè),綜合考慮其泥泵產(chǎn)量(挖巖能力是1 000 m3/h)和整個(gè)工程的泥駁船隊(duì)配置,預(yù)計(jì)裝艙時(shí)間約3~4 h[4]。因此,開體式耙吸挖泥船的泥艙艙容應(yīng)設(shè)計(jì)在3 000~4 500 m3。

      綜合以上因素,推薦開體式耙吸挖泥船船長約100 m,船寬約22 m,吃水約6.5 m,泥艙艙容約4 200 m3。

      2.2 靠泊設(shè)計(jì)

      開體式耙吸挖泥船的設(shè)計(jì)應(yīng)高度重視靈活性和操縱性,這是安全快速靠泊的關(guān)鍵。

      1) 推進(jìn)系統(tǒng)和操縱的靈活性

      盡管常規(guī)螺旋槳和舵組合的結(jié)構(gòu)簡單,但其低航速時(shí)舵效變差,操縱性表現(xiàn)不佳,不適合快速靠泊作業(yè)。推薦在開體式耙吸挖泥船中采用全回轉(zhuǎn)舵槳,它可使船舶能夠執(zhí)行橫向移動、急速后退、微速轉(zhuǎn)向等多種操作,以滿足靠泊時(shí)對靈活性的要求。此外,該舵槳應(yīng)具備帶導(dǎo)管和可調(diào)螺距的功能,以適應(yīng)在耙吸挖泥作業(yè)時(shí)對拖曳力的特定需求。

      為進(jìn)一步增強(qiáng)操縱靈活性,開體式耙吸挖泥船艏部應(yīng)裝備1 臺隧道式側(cè)推裝置。盡管噴泵式側(cè)推裝置能夠不受片體影響,提供多方向的推力,但其在同等功率下產(chǎn)生的側(cè)向推力相對較小。因此,建議選擇隧道式側(cè)推裝置,并設(shè)置側(cè)推導(dǎo)管的片體間對接結(jié)構(gòu),有助于減少推力損失。

      2) 靠泊裝置和作業(yè)效率

      開體式耙吸挖泥船應(yīng)根據(jù)天鯤號的系泊設(shè)計(jì),在船艏和船艉設(shè)置快速釋放脫鉤(額定拉力不小于500 kN)。這種配置與天鯤號的恒張力絞車(恒張力范圍100~500 kN)相匹配,旨在實(shí)現(xiàn)快速帶纜和解纜操作,從而確??坎醋鳂I(yè)的效率和安全[3]。

      3) 靠泊的其他安全考量

      為確??坎磶Ю|作業(yè)的人員安全,兩船作業(yè)區(qū)的干舷應(yīng)盡量接近。鑒于天鯤號和開體式耙吸挖泥船主甲板的艏艉部干舷差異,通過設(shè)計(jì)開體式耙吸挖泥船的艏樓以及艉部升高甲板,使其與天鯤號干舷相當(dāng)。將快速釋放脫鉤布置在上述的艏樓和艉升高甲板上,從而保證帶纜作業(yè)人員安全。同時(shí),為避免靠泊過程中潛在的碰撞損壞,建議船體舭部取消舭龍骨,而改用折角線型設(shè)計(jì);舷側(cè)的錨臺布置也應(yīng)充分考慮碰撞損壞風(fēng)險(xiǎn)。

      4) 靠泊指揮和通信

      在靠泊作業(yè)時(shí),天鯤號擔(dān)任指揮船,因此開體式耙吸挖泥船靠泊和離開均需得到天鯤號的確認(rèn)。在此過程中,兩船的通信系統(tǒng)應(yīng)保持密切和有效的溝通,確保整個(gè)作業(yè)過程的安全。

      2.3 泥艙結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)

      開體式耙吸挖泥船的泥艙結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)須應(yīng)充分研究天鯤號在挖巖作業(yè)中的特殊要求和自身的開體船型特征。

      泥艙位置和長度的設(shè)計(jì),應(yīng)確保與天鯤號的裝駁架完全匹配。為了抵御天鯤號挖巖作業(yè)時(shí)石塊的沖擊,泥艙區(qū)域的斜壁板和橫壁板厚度應(yīng)在規(guī)范規(guī)定的基礎(chǔ)上增厚2 mm,同時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)板材也應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。

      與傳統(tǒng)耙吸挖泥船不同,開體式耙吸挖泥船的泥艙中不設(shè)橫梁和縱向三角艙等結(jié)構(gòu),也無泥門等拋泥設(shè)備,雖然這樣有利于卸泥,但給泥艙結(jié)構(gòu)和總縱強(qiáng)度設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。為應(yīng)對這一問題,應(yīng)開展泥艙艙段的有限元計(jì)算分析和總強(qiáng)度設(shè)計(jì),既要保證船體整體總縱強(qiáng)度,又要滿足由于泥艙內(nèi)外密度不同產(chǎn)生的半體橫向強(qiáng)度。同時(shí),通過對泥艙橫向變形量的精確分析,確保片體間和泥艙密封裝置的有效配合,避免碎石泄漏。

      2.4 疏浚系統(tǒng)

      開體式耙吸挖泥船的疏浚系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)作特殊考慮,以滿足天鯤號后期的掃淺挖泥作業(yè)的特殊需求。

      1) 考慮到耙管可能會影響裝駁作業(yè),建議開體式耙吸挖泥船僅設(shè)置單耙。這種配置不僅設(shè)備簡單,維護(hù)方便;而且在裝機(jī)功率一定時(shí),單個(gè)耙頭能夠獲得更大的拖曳力,更適合掃淺作業(yè)[8];同時(shí)也能減輕空船重量,降低開體液壓油缸的受力。此外,耙管長度應(yīng)與天鯤號常用挖深(30 m)匹配,建議最大挖深為35 m。

      2) 在后期掃淺作業(yè)時(shí),通常面臨較大的挖深和粒徑較粗的土質(zhì)。而水下泵在挖泥時(shí)可以不受汽蝕的限制,效率顯著優(yōu)于艙內(nèi)泵。例如,在挖掘中粗砂且挖深30 m 時(shí),水下泵的裝艙時(shí)間大約是48 min,而艙內(nèi)泵則需要約81 min。因此,開體式耙吸挖泥船應(yīng)優(yōu)先考慮采用水下泵[9]。與傳統(tǒng)艙內(nèi)泵的布置方案不同,水下泵可以安裝在耙臂上并通過水下變頻電機(jī)驅(qū)動。這樣的配置不僅簡化了設(shè)備和管路,還有助于減輕空船重量。

      3) 對于后期掃淺作業(yè),由于可能存在多個(gè)且雜亂的淺點(diǎn),建議開體式耙吸挖泥船采用動力定位與動態(tài)跟蹤系統(tǒng)(DP/DT)[10]。在工作前,先進(jìn)行淺點(diǎn)標(biāo)注,然后通過DP/DT 系統(tǒng)的自動航跡控制模式進(jìn)行挖泥作業(yè)[10-12],以提高挖泥自動化水平和掃淺效率。

      4) 作為整個(gè)船隊(duì)的一部分,天鯤號已具備高效的吹泥能力,因此開體式耙吸挖泥船可以不設(shè)艏吹/艏噴功能,從而取消了艙內(nèi)泥泵、抽艙和艏吹管系。這不僅使疏浚系統(tǒng)更簡潔實(shí)用,而且可以減輕空船重量。

      2.5 總體布置

      在設(shè)計(jì)開體式耙吸挖泥船時(shí),有一項(xiàng)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是解決船舶橫向重量平衡問題。由于要避免干擾裝駁作業(yè),所有的挖泥設(shè)備包括耙吸管以及吊放裝置、裝艙管和用于設(shè)備維修的甲板起重機(jī)都需要集中在右片體上,而左片體并沒有布置任何挖泥設(shè)備。這樣的配置不僅導(dǎo)致船舶的重心偏向右側(cè),還對其他設(shè)備和系統(tǒng)在2 個(gè)片體上的布置帶來挑戰(zhàn)。

      為緩解這個(gè)問題,建議將一些較大機(jī)械設(shè)備,例如艏部折臂吊機(jī)、空調(diào)機(jī)組和救生艇等盡可能布置在左片體,如圖2 所示。盡管高壓沖水泵和液壓泵站布置在右片體更方便,但為了橫向重量平衡,建議也將這些設(shè)備布置在左片體。相應(yīng)地,通過泥艙絞點(diǎn)附近的軟管或者導(dǎo)纜架,將高壓沖水管線和液壓管線跨接至右片體。

      圖2 開體式耙吸挖泥船主甲板平面圖Fig.2 Main deck plan of split hopper trailing suction dredger

      即便如此,仍然存在一定程度的橫向不平衡力矩(如表1 所示)。如果不采取進(jìn)一步措施,船舶在滿載狀態(tài)下可能會出現(xiàn)約3.0°的右傾,這將影響船舶安全。為實(shí)現(xiàn)不減少載泥量的目標(biāo),建議采用動態(tài)調(diào)載的方案,即在左片體邊艙內(nèi)設(shè)置大型燃油艙和調(diào)載水艙(約280 m3),用以調(diào)整橫向重量平衡。在燃油艙滿載時(shí),通過燃油來平衡橫向力矩,而無需額外的壓載水。隨著燃油的消耗,可以通過調(diào)載水艙作進(jìn)一步的橫向平衡。此時(shí),該船應(yīng)配備1 套傾斜儀作為其監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的一部分。它能夠根據(jù)測得的船舶橫傾信號自動控制調(diào)載泵啟停,以此來調(diào)整船舶的橫向浮態(tài),保證船舶安全。

      表1 橫向不平衡力矩Table 1 Lateral unbalanced moment t·m

      2.6 開體式耙吸挖泥船船型方案

      通過上述分析,本文建議與天鯤號挖巖作業(yè)配套的開體式耙吸挖泥船,船體長約100 m,型寬約22.0 m,型深約7.3 m,作業(yè)吃水約6.5 m,泥艙艙容約4 200 m3,航速約12 kn。該船主船體分為左右2 個(gè)片體,能夠通過2 個(gè)主鉸鏈和2 個(gè)開體液壓油缸將整船沿中心線打開,從而實(shí)現(xiàn)快速卸泥功能。泥艙采用V 形結(jié)構(gòu),在底部和前后端均設(shè)置密封裝置,頂部為敞開式。動力系統(tǒng)采用一拖二復(fù)合驅(qū)動,左右片體內(nèi)均布置1 個(gè)機(jī)艙,每個(gè)機(jī)艙設(shè)置1 臺約2 750 kW 主柴油機(jī),該主柴油機(jī)飛輪端驅(qū)動1 套帶導(dǎo)管可調(diào)螺距全回轉(zhuǎn)舵槳;自由端驅(qū)動1 臺軸帶發(fā)電機(jī),用于供電給水下泥泵電機(jī)和其他用電負(fù)荷。船艏設(shè)1 臺約500 kW 艏側(cè)推,以增強(qiáng)靠泊靈活性。左片體主甲板上布置2 個(gè)快速釋放脫鉤。右片體主甲板布置1 套900 mm 直徑的耙吸管及其吊放裝置。在該耙管上安裝有1 臺由1 400 kW 變頻電機(jī)驅(qū)動的水下泵,可進(jìn)行單耙挖泥作業(yè),最大挖深35 m。開體式耙吸挖泥船的總布置如圖3 所示。

      圖3 開體式耙吸挖泥船總布置圖Fig.3 General layout of split hopper trailing suction dredger

      3 結(jié)語

      為充分釋放天鯤號絞吸挖泥船的巨大疏浚潛能,引入高效的“挖-運(yùn)分離”物流策略。通過分析天鯤號在挖巖工程中的需求,提出了一種創(chuàng)新的開體式耙吸挖泥船方案。該方案解決了與天鯤號配套裝駁和運(yùn)輸以及后期掃淺挖泥作業(yè)所面臨的主要問題,包括確定開體式耙吸挖泥船的主尺度和泥艙艙容、實(shí)現(xiàn)快速靠泊、泥艙結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)以及疏浚系統(tǒng)和船舶布局設(shè)計(jì)等一系統(tǒng)挑戰(zhàn)。

      本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn):1) 提出的開體式耙吸挖泥船方案能夠全面滿足天鯤號挖巖作業(yè)的需求,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了“挖-運(yùn)分離”的物流策略。通過該方案的應(yīng)用,可以顯著提升天鯤號挖巖作業(yè)的整體效率。2) 提出了一種專為開體式耙吸挖泥船設(shè)計(jì)的布置優(yōu)化和動態(tài)調(diào)載方案,在不減少載泥量目標(biāo)的前提下確保船舶橫向動態(tài)平衡,保證了作業(yè)安全和經(jīng)濟(jì)效益。

      由于時(shí)間和資源的限制,該設(shè)計(jì)方案尚未在實(shí)際項(xiàng)目得到驗(yàn)證。考慮到此領(lǐng)域的復(fù)雜性,所提出的方案還需要進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化。

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