大型絞吸挖泥船開發設計

張曉楓 丁 勇 王 倩 周 健

（中國船舶工業集團公司第七○八研究所 上海200011）

0 引 言

最早的絞吸挖泥船始于19世紀的美國，憑借其對土質廣泛的適應性和高效率，100年來得到了迅猛的發展，現已成為疏浚隊伍的中堅力量。目前世界四大疏浚公司共擁有絞吸船近100艘，承接了世界各地大量的疏浚工程任務。

在我國，絞吸挖泥船也是疏浚隊伍中非常重要的成員，在國內挖泥船總數中占到50%以上，但均以中小型為主，裝機功率一般不超過4 000 kW，技術含量和國外相比也有很大的差距。隨著國民經濟的快速發展與沿海城市建設的加速，我國港口維護、航道疏理、吹填等需求正在不斷增加。在這種條件下，絞吸挖泥船的作業范圍也在不斷擴大，正在向更深、更遠的水域發展。這對于國內絞吸挖泥船的作業環境適應性、絞刀切削力、產量、挖深及排距等性能均提出了更高的要求。與國外發展趨勢類似，國內絞吸挖泥船也正在向尺度大型化、裝機功率大型化及操作自動化的趨勢發展。

在這種背景下，我們對大型絞吸挖泥船的特點進行了系統的研究分析，同時吸取了國外同類型船先進的設計理念，自主研發設計了數艘裝機功率超過10 000 kW的大型絞吸挖泥船（見圖1）。本文分別從船型及布置特點、動力驅動形式、疏浚系統配置以及定位形式共四個部分進行詳細論述。

1 船型及布置特點

1.1 船型

圖1 七○八研究所自行開發的“新海鱷”號14 000 kW絞吸挖泥船

絞吸挖泥船的工作原理是將位于船舶橋架前端的絞刀頭放到水底，由船舶自身繞尾端某一點旋轉而使絞刀頭呈扇形軌跡運動；在運動過程中利用絞刀的切削力挖松水底的泥沙，并利用泥泵的真空吸力將泥沙運送到其他處所。根據上述工作原理，絞吸船首部必然設置絞刀架及操縱絞刀架升降等運動的絞車滑輪等系統，而船體首部需要開槽，以容納絞刀架等設備的布置。開槽尺度由絞刀架的大小決定，即與挖深、切削功率等因素有關。而在船舶尾端將設置定位系統，使得船舶在作業中可以定點旋轉。泥泵及動力系統則設置于船中部。對于非自航的絞吸船，考慮到其在施工水域間頻繁調遣的機會不多，對航速的要求較低，故設計中一般不考慮其線型，往往做成簡單的箱形船；而對于可自航的絞吸船，設計難度更大，需要根據12 kn左右的航速設計船體線型。

1.2 主要尺度

主尺度是決定船舶技術和經濟性能極為關鍵的要素。絞吸挖泥船的主尺度受其技術性能、建筑布置、結構形式、設備配置以及施工水域環境條件等諸多因素的影響。作為大型絞吸挖泥船，需設置大量的重型作業機械設備如：吸排疏浚設備、移船設備、定位設備等，占據船上大部分空間位置。作為工程作業船，施工作業人員數量較多，居住艙室也是設計中必須統籌考慮的問題，因此應是布置型的船舶。同時絞吸挖泥船獨特的技術形態決定了其獨具一格的船型，即船體沿中心線首部大開槽以容納絞刀橋架。對于大型絞吸船，為了追求更大的挖深和切削力，橋架往往設計得極為龐大，開槽也相應放大，開槽后水線面面積損失近15%。因而主尺度又很大程度上取決于排水量的要求，它又具有排水量型船的特點。

隨著現代疏浚業的開拓和發展，絞吸船尤其是大型絞吸船施工的水域越來越廣泛，需要考慮在相對惡劣的海況下施工的能力，這也對船舶的耐波性提出了更高要求。因此，在確定該類型船的主尺度時一定要綜合考慮。

船長主要從布置考慮。挖深決定了絞刀架的長度，因而船首開槽的長度也基本可以確定；尾部長度需滿足定位設備的布置；船體中間部分需要滿足機艙和居住艙室的布置要求，并考慮滿載油水時排水量的需要。三者相加即可得出船長。

船寬的確定主要滿足布置和穩性的要求，并與船長配合以適應排水量的需要。考慮到船舶作業時將受到多種可變載荷的影響，對穩性和抗搖性的要求較高，故該類型船的船寬取值往往偏大，長寬比明顯偏小。八所設計的幾型船長寬比均在4.2～4.8之間。

吃水的確定主要取決于排水量和施工水域的限制。作為經常在港口、航道等淺水區域施工的工程船舶，吃水越淺，則其對水域的適應性越強。故在設計中往往追求盡量小的吃水值。八所設計的幾型船，寬度吃水比由最初的4.7上升到5.4，并有繼續增大的趨勢，這也是符合國際上絞吸船的發展趨勢的。

型深的選定以機艙高度空間的需要和最小干舷的要求為主，型深對空船重心高度的影響較大，需慎重考慮。

作為大型工程船舶，主尺度的確定除了需滿足布置及排水量的要求外，還需注意各種施工水域的限制，經過大量的比較分析以確定主尺度的最佳組合。八所開發設計的幾型絞吸船主尺度見表1：

1.3 總體布置

絞吸挖泥船的總體布置與疏浚作業的流程密切相關，縱觀國內外大型絞吸挖泥船，其主要布置特點不外乎兩種形式：即甲板泥泵和艙內泥泵。

1.3.1 甲板泥泵布置形式

顧名思義即泥泵設于主甲板之上，相應的泵機艙及附屬設施均設于主甲板上。這種布置的主要優點是泥泵設于甲板室前、室外安裝，便于泥泵的保養和易損易磨件的更換；泵機艙設于主甲板以上，布置空間寬敞，對于機艙的通風、采光等都較有利。此布置形式的缺點是甲板承受載荷強，結構設計難度大，處理不當極易產生振動問題。

1.3.2 艙內泥泵布置形式

泥泵和柴油機等均設于艙內，符合大多數船舶的布置習慣；且泥泵安裝位置低，吸入效率較高；甲板面積較為寬敞，居住區域的設置更為寬敞舒適。其缺點是柴油機、泥泵等都設于艙內，船體尺度大于前者；機艙區甲板面需要大開口，對總縱強度不利；維修保養空間狹窄等等。

表1 七○八研究所開發設計的大型絞吸挖泥船船型比較表（截止2010年）

上述兩種布置形式各有利弊，在設計過程中需根據船舶的作業特點以及船東的需求做出選擇。

對于大型絞吸船，首部的絞刀架系統往往設計得極為龐大，尾部的移船定位設備也非常復雜，形成兩頭重，中間輕的格局。如何合理的分艙及分配全船重量，以控制浮態和中拱彎矩，是設計的難點。

2 動力驅動型式

絞吸挖泥船由于設備繁多，故驅動形式也是千變萬化。但從本質上無非可分為兩大類：一類是柴油機與設備間一對一驅動的獨立驅動模式；另一類是柴油機發電形成全船電網統一為各設備提供動力的電動模式。

從目前來看，獨立驅動模式仍然是國內絞吸挖泥船的主流。其優點是系統簡單，便于維護保養；單一設備損壞還可繼續施工，停工期短；初投資較低等等。缺點是總裝機功率大，功率利用率低。

而電動模式是近年來發展起來的新技術，國外很多最先進的絞吸船均采用此種動力驅動方式。其優點是功率利用率高，從長期經營來看經濟效益更好；操作也更加靈活方便；缺點是系統復雜，維修保養比較困難；且初投資也比上者高。

對于小型絞吸挖泥船，本身裝機功率不大，采用何種驅動方式對經濟性的影響不大。不過，綜合維修、成本等角度考慮，船東往往偏重于傳統的獨立驅動模式。而隨著絞吸船的大型化，總裝機功率也越來越大。在這種情況下，兩種驅動方式的經濟效益就出現了明顯的區別。顯然，選用電動模式將更加合理。目前，自航式絞吸挖泥船等技術含量更高的挖泥船大都采用電力驅動形式，大型非自航絞吸船也必將適應時代的發展潮流，向更加節能、經濟的電動模式發展。

八所開發設計的數艘大型絞吸船大都以獨立驅動模式為主，而“新海豚”號則是由獨立驅動向全電動過渡的產物（見圖2）。其絞刀頭、水下泵及液壓系統均由疏浚電網供電。雖然初投資比同級別獨立驅動模式的絞吸船高出約10%，但全船功率卻可以更合理的分配，絞刀功率明顯增加，優勢顯而易見。

3 疏浚系統配置

絞吸挖泥船歸根結底是疏浚設備的水上載體，整船設計的成功與否，與其核心疏浚設備的配置密不可分。絞吸船的疏浚設備主要包括絞刀、泥泵、起升及橫移絞車、液壓系統及定位系統等。這里著重討論一下絞刀和泥泵。

絞刀是絞吸船的切削工具，其驅動方式分液壓及電力驅動兩種。通過絞刀頭的旋轉產生切削力以挖松水底的泥沙，并利用泥泵的真空吸力將泥沙排放到其他處所。對于大型絞吸挖泥船來說，往往配備大功率的絞刀系統，以追求更大的切削力，適應各種土質要求。同時，大的切削力也可以增加泥漿的吸入濃度，提高挖泥效率。

圖2 “新海豚”號動力系統原理圖

隨著絞吸船的作業水域不斷擴大，施工要求也越來越高，絞吸船將面臨淤泥、粘土、細粉砂、碎石甚至風化巖等多種不同特性的土質。無疑提高絞刀功率，增加切削力是增強絞吸挖泥船適應性、經濟性與競爭力的有效方法。因此，目前國內外大型絞吸挖泥船的絞刀功率正有不斷增大的趨勢。當前國際上絞刀功率最大的絞吸船是“D’ARTAGNAN”號，其絞刀功率達到驚人的6 000 kW。八所設計的幾型絞吸挖泥船的絞刀功率也由最初的1 280 kW提高到2 200 kW。

泥泵是絞吸船的心臟，為將水底的泥漿吸上來并排到其他場所提供真空吸力。泥泵的主要特性有兩個：流量和揚程。簡單來說，流量決定了挖泥作業的生產率；而揚程決定了泥漿的排距。

對于大型絞吸挖泥船，為了追求更高的生產率和經濟效益，往往選用較大的流量。而揚程的選擇與施工要求有關，大型絞吸挖泥船往往要求有很長的排距，可達數公里之遠。這就需要配備兩個甚至三個流量相近的泥泵相串聯，利用接力的方式提高排距。八所近期開發設計的幾型船均采用三泵串聯的形式，最大排距可達6 km。

另外，從泥泵的安裝位置來說，還可分為甲板泵、艙內泵和水下泵。甲板泵與艙內泵上文已經做過比較，這里不再重復。而水下泵是緊靠絞刀頭安裝在絞刀架中，在作業過程中隨絞刀架一并放入水中。由于水下泵與吸入端的距離更小、真空壓差更大，故能提高吸入濃度，對于增大挖深和提高作業效率有利。當今大型絞吸挖泥船一般都會配備水下泵，形成甲板泵與水下泵，或者艙內泵和水下泵的組合。八所設計的幾型船主要疏浚設備見表2。

4 定位形式

絞吸挖泥船的定位形式有很多，目前應用較廣的有兩種：鋼樁定位和“圣誕樹”定位。

4.1 鋼樁定位

早期中小型絞吸船的鋼樁定位系統又被稱為鉛筆樁。采用一只液壓缸頂升，自由落體插樁的淺水作業，定位移位小型化，人力操作，依靠人力倒豎樁。而隨著絞吸挖泥船的尺度與重量不斷增加，定位系統也更加復雜龐大，單靠人力已經無法操作，需要借助機械傳動裝置才能實現移船定位操作。

我國國內原有的鋼樁定位裝置的尺度普遍偏小，且技術比較落后，無法滿足大型絞吸船的要求。我所通過對國外先進技術的充分消化吸收，攻克了“大直徑定位柱結構優化”、“淺水倒豎樁設計”等一系列難關，最終自主研發出新型的鋼樁定位系統，并成功應用于數艘大型絞吸船上，填補了國內該項技術的空白。新型的鋼樁定位系統主要由主樁臺車裝置和副樁裝置兩部分組成。主樁臺車裝置設于船舶艉部的中間開槽內，為移動體。副樁裝置設置在船舶艉部的一舷，為固定體。通過油缸作用，可實現定位樁的起升、下降、夾緊和倒豎樁［1］。

表2 七○八所開發設計的大型絞吸挖泥船主要疏浚設備比較表（截止2010年）

目前廣泛應用于大型絞吸挖泥船上的鋼樁定位系統，具備了定位、移船、液壓傳動起樁、淺水倒樁等一系列功能。其優點是定位效果好，施工精度高。缺點是機構復雜，整體重量重；行程短，需要頻繁起樁、移樁，影響作業效率；受尺度和重量等限制，無法在較深水域或風浪較大的水域工作。

4.2 “圣誕樹”定位

“圣誕樹”定位系統主要由三臺定位絞車、定位樹系統及定位錨等設備組成。其工作原理是由三臺定位絞車引出鋼絲繩，經由定位樹及導向滑輪和定位錨連接。在需要定位時，將兩只定位錨分別向船首左右舷各45°左右拋錨定位，另一只錨向船尾方向拋出，定位絞車拉緊，根據簡單的力學原理，三個錨的拉力將相交于定位樹的中心，形成單點定位。船舶將可以圍繞定位樹的軸線旋轉，即可達到定位效果（見圖 3）。

如需向前移船，只需收緊與船首方向定位錨相連的兩臺絞車，而另一臺絞車自由放松，在絞車拉力的作用下，船舶將向前移動。當到達理想位置時，三臺絞車同時收緊，重新形成單點定位。

“圣誕樹”定位方式的優點是對環境適應性強，可在廣闊的水域海況下工作；且一次定位后可長距離作業，效率較高。缺點是需要拋錨艇等輔助設備協助施工；且由于錨泊柔性定位的原理，定位效果一般，船體容易偏移，影響施工精度。

圖3 “圣誕樹”定位系統示意圖

鋼樁定位系統與“圣誕樹”定位系統各自的特點非常鮮明，在設計中如何選擇，還需要根據船舶以后的施工水域、施工要求等因素確定。我所設計的“新海鱷”、“新海鯤”號等船型，由于主要用于內河、航道及沿海等海況較好的施工區域，且船東對施工精度的要求較高，故選用了鋼樁定位系統；而“新海鮫”則將兩套定位系統全部配備，兼顧了兩者的優點，使船舶的適應能力更強。

5 結 語

隨著科學技術的不斷革新及各種疏浚需求的推動，越來越多的新技術正不斷應用于絞吸船。絞吸挖泥船正克服發展的瓶頸，逐漸向尺度大型化、裝機功率大型化的趨勢發展，甚至連技術含量更高、自給力更強的自航式絞吸挖泥也越來越多地進入到我們的視野中。作為國內專業的疏浚船舶設計研發機構，我們務必要緊跟時代發展潮流，積極引進國外先進技術，潛心消化研究，為國內絞吸挖泥船的創新和發展做出更大貢獻。

［1］丁勇，王振瑯.淺述大型絞吸船定位移船倒樁裝置設計［J］.船舶，2009，20（6）:50-54.