“昊海龍”超大型自航絞吸挖泥船開發

費 龍 張曉楓 單鐵兵

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

0 引 言

在各類挖泥船中，絞吸挖泥船幾乎可以挖掘海底各種土質，如：淤泥、砂、黏土甚至巖石，能夠直接將挖掘物通過排泥管線水力輸送到指定地點，具有很高的作業效率，并可通過鋼樁定位和橋架實現精準挖掘。因此，絞吸挖泥船憑借其對土質廣泛的適應能力、精確挖掘和高施工效率，一直是河道清淤、港口航道建設和吹填造地工程的主力[1]。

21世紀初，隨著疏浚領域的拓展，絞吸挖泥船已不僅需要面對諸如港口、航道建設和維護等傳統疏浚工程,還要面對大型填海造地、基槽開挖和海底巖土開挖等新興工程,這就對絞吸挖泥船的作業環境適應性、絞刀切削力、產量、挖深及排距等性能提出更高的要求[2]，促使絞吸挖泥船向大型化發展。大部分絞吸挖泥船只在本國區域內施工作業，一般采用非自航的形式。超大型絞吸挖泥船為提高使用率，需考慮適用于各種類型疏浚工程的要求，在使用年限內可能會在多個工程場所施工作業，調遣次數比較頻繁，若采用拖航或半潛船運輸，調遣費用極其昂貴，遠超增加一套推進設備所需的成本；另外，因受拖船和半潛船等輔助船舶的制約，工期也無法保障。自航絞吸挖泥船不受外界因素的限制，在自航功能上增加的費用也遠低于非自航船調遣的費用，并且提高了絞吸挖泥船的利用率，具有更好的經濟性[3]。

隨著疏浚市場對外開放和全球化趨勢的快速發展，在市場需求的驅動下，各大型疏浚公司紛紛啟動超大型自航絞吸挖泥船的建造。2003年，Jan de Nul 公司建造了自航絞吸挖泥船J.F.J.de Nul 號[4]，總裝機功率為27 240 kW，絞刀功率為 6 000 kW。2005年，DEME 公司建造了總裝機功率為28 200 kW 的自航絞吸挖泥船D’Artagnan 號，絞刀功率為6 000 kW[5]。2012年，Van Oord 公司建造了超大型自航絞吸挖泥船Artemis號[6],總裝機功率為 24 658 kW，絞刀功率為4 400 kW。2020年，Boskalis 公司建造了總裝機功率為23 886 kW 自航絞吸挖泥船Krios 號[7]，絞刀功率為4 200 kW。這些總裝機功率20 000 kW 以上的超大型自航絞吸挖泥船不僅具備海底巖土超強挖掘和長距離高效輸送的作業能力，還具有高海況適應和高度自治能力，已成為港口、人工島及吹填造陸等重大基礎設施建設的主力裝備，是大型疏浚公司發展的首選船型。

進入21世紀，中國絞吸挖泥船大型化發展經歷了3 個階段。2005年至2009年為開發應用階段，開發了一大批裝機功率10 000～13 000 kW 的非自航大型絞吸船，設置水下泵（電軸驅動）、絞刀采用液壓馬達驅動 （功率1 280 kW），代表船型有新海鱷和新海鯤。2010年至2014年為技術發展階段，開發了一批裝機功率13 000～19 000 kW 的大型絞吸船，絞刀和水下泵由變頻電力驅動，絞刀功率大于2 000 kW，代表船型有新海豚和云浚二號。期間，我國建造了由德國提供基本設計和疏浚裝備的自航絞吸挖泥船天鯨號，絞刀功率4 200 kW。2015年至今為技術創新階段，開發了一批全電驅的自航絞吸挖泥船，采用柔性鋼樁、大功率絞刀挖掘系統，具有巖石挖掘和長距離輸送能力，以及高度自治和高海況適應能力，代表船型有2018年交付、絞刀功率6 600 kW、總裝機功率 25 843 kW 的天鯤號，以及2021年交付、絞刀功率 7 800 kW、總裝機功率26 443 kW 的昊海龍號。

以上6 艘代表船型均由中國船舶及海洋工程設計研究院設計?？梢钥吹剑祧H號和昊海龍號這2 型超大型自航絞吸挖泥船的成功研制，是我國自主設計和建造絞吸挖泥船歷程中一個新的里程碑。

國內外具有代表意義的最新超大型自航絞吸挖泥船主要技術參數如下頁表1所示。從中可以看到，天鯤號和昊海龍號的總裝機功率、絞刀功率和泥泵總功率等均超過國外同類船，標志著我國超大型自航絞吸船研制能力已經進入國際先進行列。

表1 4型大型自航絞吸挖泥船主要技術參數

1 絞吸挖泥船設計原理

絞吸挖泥船屬水力式挖泥船，設置有絞刀、橋架、吸排管路、泥泵、定位和橫移裝置等疏浚專用設備。絞吸挖泥船采用定點、擺動和步進方式，通過絞刀挖掘海底土質，利用泥泵吸取挖掘物，并通過管線直接將泥水混合物輸送至指定地點。絞吸挖泥船通常用裝機功率、生產量或排泥管徑表征其施工能力，用挖深、挖寬、排距、單位產量和作業海況等作為其性能指標。

絞吸挖泥船作業系統有：

（1）挖掘系統，包括絞刀、絞刀軸、齒輪箱、電機或液壓馬達和橋架。

（2）吸排系統，包括吸口、吸管、水下泥泵、艙內泥泵或甲板泥泵、泵與泵之間的串聯管、排泥管、呼吸閥、轉動彎管。

（3）定位系統，包括主輔鋼樁系統或三纜定位系統、橫移絞車、橫移纜及錨、導向擺動滑輪。

（4）橋架起升系統，包括橋架起升絞車、起升鋼纜、起升滑輪組。

（5）拋錨桿系統，包括拋錨桿、起錨絞車、回收絞車、鋼纜等。

（6）裝駁系統，包括裝駁架、靠駁絞車等。

（7）疏浚監控系統，包括絞刀監控、泥泵監控、橫移絞車監控、橋架起升監控、主輔鋼樁及臺車位置或三纜定位系統監控、拋錨桿監控、疏浚剖面和軌跡顯示、挖深監控、流量濃度與產量監測、吃水和油水裝載監測。

絞吸挖泥船的設計主要考慮以下幾個方面：

（1）挖掘的土質。一方面，依據挖掘的土質計算分析絞刀所需的切削力；另一方面，挖掘時絞刀產生的切削力由橋架和橫移纜承受，并傳遞到船體、鋼樁、起橋絞車和橫移絞車，因此船體、鋼樁、橋架、橫移的設計也與挖掘土質相關。另外，輸送流速要求也與土質的粒徑相關，土質粒徑越大，要求的流速越高，會影響到泥泵參數的確定。

（2）疏浚產量。產量通常用流量與濃度乘積表示，取決于絞刀的挖掘能力及泥泵的吸入和輸送能力。絞刀的挖掘能力是指絞刀切削底質的產量，泥泵的吸入能力是指泥泵流量和其所能達到的吸入與輸送濃度。在較大挖深時，只配置艙內泥泵或甲板泥泵的絞吸挖泥船為了避免泥泵汽蝕而不得不降低挖泥濃度，為此，具有較大挖深的絞吸挖泥船通常配置水下泥泵，利用水下泥泵的正壓提高挖泥濃度。

（3）挖掘深度。鋼樁及橋架的強度和剛度、泥泵吸入性能需滿足設定挖深性能指標，水深越深，對鋼樁、橋架剛度和泥泵的吸入性能要求就越高。目前絞吸挖泥船的最大挖深達到45 m。

（4）挖掘物輸送距離（排距），挖掘物輸送動力就是船上設置的泥泵，泥泵的排出壓力決定了排距。為了增加輸送距離，大型絞吸挖泥船大都配置3臺泥泵，采用串聯方式滿足長排距的要求。

（5）作業環境條件。絞吸挖泥船是在漂浮狀態下采用鋼樁和橫移系統定位進行挖泥作業，根據作業海況條件來開展鋼樁和橫移外載荷計算分析，進行鋼樁強度校核和橫移系統能力分析，以及定位系統設計。超大型絞吸挖泥船通常采用柔性鋼樁來提高其高海況條件下的適應能力。

2 昊海龍號船型與總布置

2.1 船 型

昊海龍號為超大型自航絞吸挖泥船，采用艏鋼樁、艉橋架和全電力驅動的船型，配置雙槳、雙轉動導管，甲板室安裝氣動減振裝置，具有挖掘強風化巖以及抗壓強度50 MPa 以內中弱風化巖的能力，適用于國內外港口航道疏浚、島礁建設及大型吹填造地工程。

昊海龍號疏浚能力為7 000 m3/h，最大排距可達18 000 m，最大挖深38 m。外形見圖1。

圖1 昊海龍超大型自航絞吸挖泥船

2.2 功 能

昊海龍號設置4 臺主發電機組，形成全船電網，為絞刀、水下泵、艙內泵、絞車與推進等系統供電，對于不同的挖泥工況，可以采用2 臺、3 臺或4 臺主發電機組并車模式運行。船上設置1 臺單殼水下泵和2 臺雙殼艙內泵，通過水下泵與2 臺艙內泵串聯工作，可以實現水下泵單泵、水下泵與艙內泵雙泵或三泵串聯挖泥輸送作業。橋架前端絞刀由2 臺變頻電機通過長軸系驅動，可以根據不同的土質選擇單電機或雙電機工作模式。上甲板后部左右各設1 臺起橋絞車，通過鋼絲繩和滑輪組起降橋架；中部設置2 臺橫移絞車，通過鋼絲繩、橫移滑輪和橫移錨，使船體繞定位樁擺動挖泥作業。船舶中部左右舷各設有2 套裝駁裝置，可實現水下泵挖泥裝駁作業，船上每舷設置2 臺恒張力靠駁絞車，配合駁船停靠和移位。艉部每舷各設置1 套拋錨桿裝置，通過起錨絞車進行起/拋錨。

2.3 總布置

絞吸挖泥船為功能、布置型船，沿縱向可分為艉部絞刀橋架挖掘系統區域、舯部動力及輸送系統區域和艏部鋼樁臺車定位系統區域三大部分。昊海龍號艏部布置鋼樁臺車、排岸快速接頭、航行錨系統；舯部布置機艙、泥泵電機艙、泵艙和輔泵艙，甲板上設置生活樓；艉部布置絞刀橋架、起橋絞車、橫移絞車、拋錨桿和龍門架。具體布置見下頁圖2。

圖2 昊海龍號總布置圖

3 昊海龍號關鍵系統設計

3.1 挖掘系統

3.1.1 絞刀驅動系統

昊海龍號可挖掘淤泥、黏土、密實砂質土、礫石、強風化巖以及中弱風化巖等多種土質，具備廣泛的工程適用性。絞刀橋架端部設置重型絞刀，重型絞刀由2 臺4 250 kW 變頻電機經齒輪箱及長軸驅動；長軸由4 根中間軸、3 個中間軸承、1 根絞刀軸和1 個絞刀軸承等組成，軸承采用水潤滑以符合綠色環保要求，具體布置見圖3。雙電機驅動絞刀功率為7 800 kW，單電機驅動絞刀功率為4 250 kW。絞刀轉速為0～30 r/min 時，采用恒扭矩控制；30～40 r/min 時，為恒功率 控制。

圖3 絞刀驅動系統布置圖

3.1.2 橋架結構設計

重型絞刀挖巖時對橋架沖擊力極大，因此對橋架強度和剛度要求極高。昊海龍號橋架采用箱型結構，兩側設計雙殼以提高橋架強度和剛度。橋架設計需開展絞刀切削力和橋架受力計算分析，并對橋架整體結構和橋架耳軸等局部高應力區域進行有限元分析以及橋架結構優化設計（橋架結構設計流程見下頁圖4），確保橋架具備足夠強度和剛度。

圖4 橋架結構設計流程

昊海龍號橋架結構有限元模型見下頁圖5。整個橋架系統重達2 000 t，在確保橋架具備足夠的強度和剛度的同時，保證了足夠的對地壓力，從而杜絕因挖掘巖石時反作用力過大而出現“跳刀”的問題，滿足工程需要。

圖5 橋架結構有限元計算模型

根據工程需要，昊海龍號挖深范圍設定為 7～38 m。如此大的挖深范圍，采用單鉸點顯然難以實現設計目標。因此，該船采用高、低雙鉸點形式，橋架安裝于上鉸點可適用于淺水域施工，安裝于下鉸點可適用于深水域施工；通過上下鉸點切換，對橋架位置進行調整，實現不同挖深的要求。具體布置見后頁圖6。

圖6 絞刀橋架雙鉸點設計

3.2 泥砂輸送系統

昊海龍號配備了強大的泥泵輸送系統，采用4 250 kW 水下泥泵串聯2 臺6 000 kW 艙內泥泵的工作方式（系統圖見圖7），泥泵總功率高達 16 250 kW，可根據工程需求靈活選擇單臺水下泥泵裝駁作業或短距離輸送排岸、2 臺泥泵串聯中距離輸送排岸或3 臺泥泵串聯長距離輸送排岸。

圖7 泥砂輸送系統圖

該船3 臺泥泵均采用變頻電機驅動，通過對長距離管道輸送技術的研究，建立并優化了泥泵、管徑、土質、濃度和多泵泥砂輸送的水力模型，解決了不同土質和不同排遠多泵多組合泥砂高效、低耗能輸送的難題，實現了長排距、高效率和多工況的泥漿輸送，具有廣泛的工程適應性。該船泥砂輸送性能見圖8，最大排距達到了18 km 超長距離的要求。

圖8 昊海龍號泥砂輸送性能曲線

3.3 柔性鋼樁臺車定位系統

絞吸挖泥船作業時采用鋼樁定位，在惡劣海況下，船舶會發生嚴重的縱搖和縱蕩，使鋼樁發生偏轉彎曲，鋼樁的受力會急劇增大，造成鋼樁斷裂。為提高在惡劣海況下的作業性能，昊海龍號除了增加船體尺度、優化線型以及結構加強等常規手段外，還配置了1 套柔性鋼樁臺車定位系統，參見圖9。通過柔性緩沖的作用，可以補償船舶縱搖和縱蕩，從而大大抵消船舶運動帶來的載荷，解決了絞吸挖泥船在惡劣海況條件下，施工作業定位能力弱、可作業時間短以及安全性無法保障等難題，極大地提高了該船的適應性、可作業性和安全性。

圖9 昊海龍號柔性鋼樁臺車

其基本原理如下：當鋼樁所受力不超過正常工作值時，帶有鋼樁保護裝置的鋼樁臺車為剛性。當載荷超過預定極限時，鋼樁臺車可以沿與挖泥船縱搖相反的方向擺動，起到緩沖作用，以保護作業中的鋼樁。鋼樁保護通過2 個特殊設計的液壓緩沖油缸來實現。當鋼樁所受載荷低于預定極限值時，緩沖油缸活塞桿始終處于中間位置，此時的鋼樁為剛性。當鋼樁所受載荷超過預定極限值時，緩沖油缸活塞桿開始伸縮動作，避免鋼樁過載，此時的鋼樁為柔性。過載保護系統允許鋼樁臺車向船首和船尾傾斜2°，通過兩組緩沖油缸來控制臺車擺幅角度。緩沖油缸預定極限載荷值通過1 套氮氣蓄能器和1套測量系統自動調整，氮氣蓄能器與緩沖油缸連接，通過調節蓄能器內的壓力，來設定緩沖油缸極限載荷的閾值。2°的傾斜角度完全可以覆蓋船舶在惡劣海況下的縱搖幅度，達到柔性緩沖的目的，避免了惡劣海況下因鋼樁受力過載而發生斷樁的風險，確保了鋼樁定位的安全性。

3.4 全電力驅動系統

采用全電力驅動的絞吸挖泥船對施工條件的適用性強，可適用于淤泥、黏土、密實砂質土、礫石、強風化巖以及中弱風化巖等多種土質，并可根據工程需要靈活選擇單泵或多泵串聯進行泥漿輸送。而傳統的柴油機或柴油機/電動機混合驅動模式，因不同作業工況下作業設備負荷變動大，很難保證柴油機和主要設備始終在最佳運行范圍工作[8]。

昊海龍號采用全電力驅動技術，設置4 臺 5 760 kW 主發電機組及1 臺1 200 kW 輔發電機組，形成全船電網統一為絞刀、艙內泥泵、水下泥泵、推進系統、絞車和液壓系統等設備供電。絞刀、艙內泥泵、水下泥泵、推進系統和絞車等主要設備均采用變頻驅動，對不同土質、不同挖深、不同排距等各類作業工況均有非常好的適應性，并保證施工的高效率。根據不同工況下的功率負荷需求，通過功率管理系統靈活控制單臺或數臺發電機組并聯為全船設備提供電力，使柴油機在各種多變的工況下始終處于合理高效的負荷范圍，從而降低油耗，提高船舶營運的經濟性，也避免了負載突加對柴油機造成的沖擊和損傷[8]。昊海龍號全電力驅動系統配置見圖10。

圖10 昊海龍號全電力驅動系統配置

3.5 居住艙室減振降噪

絞吸挖泥船的作業特點決定了它別具一格的總體布置格局：船體一端設置絞刀橋架、龍門吊架及拋錨桿等系統，另一端設置定位系統，而居住艙室及駕駛室一般都置于主甲板以上的船中區域。絞吸挖泥船在施工作業時，動力系統和各種疏浚設備將長時間重載運行，這也使船上的人員長期受到各設備運行引起的振動噪聲的困擾。隨著裝機功率的加大，這個問題在超大型絞吸挖泥船上變得尤為突出。如何有效降低振動噪聲、改善船員的生活工作環境，已成為設計的重點和難點[8]。

昊海龍號在居住艙室設計中，針對超大型絞吸挖泥船挖掘巖石時產生強勁低頻振動的問題，通過分析研究激勵源、船體固有頻率及減振系統之間的匹配關系，特別采用了氣動彈性隔振技術（見圖11），將船員臥室等對振動噪聲要求較高的處所集中置于上甲板中部，并用氣動彈性減振器架起，有效阻隔挖掘巖石時產生的低頻振動向生活區傳遞，改善了船員的工作和生活環境[8]。

圖11 氣動減振裝置

4 結 語

本文分析了國際上超大型自航絞吸挖泥船發展態勢，回顧了我國大型絞吸挖泥船的發展歷程，扼要介紹了絞吸挖泥船工作原理和系統組成，總結了絞吸挖泥船設計應重點考慮的因素；并從船型與總布置、絞刀驅動、橋架結構設計、泥砂輸送、柔性鋼樁、全電力驅動、居住艙室減振等關鍵技術，全面介紹昊海龍號的設計方案。其采用的絞刀雙電機長軸驅動、雙殼箱型橋架結構、泥泵三泵組合、柔性鋼樁和全電力驅動等技術，對超大型絞吸挖泥船非常適宜，可為超大型自航絞吸挖泥船開發提供參考。

天鯤號和昊海龍號等超大型自航絞吸挖泥船的研制成功，是我國自主設計和建造絞吸挖泥船歷程中一個新的里程碑。這些超大型自航絞吸挖泥船不僅具有超強巖土挖掘和長距離高效輸送的作業能力，還具有對不同工況和惡劣高海況的強適應能力，其總裝機功率、絞刀功率和泥泵總功率等主要技術參數均超過國外最新同類船，標志著我國超大型自航絞吸船研制能力已經進入國際先進行列。