“吸盤3”挖泥船裝駁裝置改造及施工工藝

李日新，周振宇

(1.武漢理工大學 a.交通與物流工程學院；b.船海與能源動力工程學院，武漢 430063；2.長江航道工程局，武漢 430014)

太平口水道地處荊江大橋區域，以北汊為主通航水道，是長江航道歷年重點保障水道，主要由長江武漢航道工程局承擔疏浚施工任務，年疏浚量約400萬m3，施工時間一般為8月至次年5月。受荊江大橋區水域和航道條件限制，要求疏浚時對航道的通航影響較小，施工時間短，航道底部需規則平整等，因而主要采用吸盤式挖泥船進行疏浚施工，即采用高壓水流通過吸盤處的噴嘴高速射流切割需疏浚的泥土，形成高濃度的泥漿，再經泥泵真空吸入，通過艙內排泥管、邊拋管輸送排出至挖泥船外，或通過尾排管泵送至遠距離指定區域[1-2]。

目前，針對絞吸式、耙吸式挖泥船的裝駁新工藝在國內外已有部分應用[3-4]，但吸盤式挖泥船大多仍采用邊拋施工，而裝駁新工藝的實施鮮有報道。因此，考慮針對“吸盤3”輪傳統邊拋施工方式存在的問題，同時也為了適應相關環保法規的要求，對“吸盤3”輪進行裝駁裝置的改造及裝駁施工工藝探索，以期實現疏浚泥砂的裝駁外運作業及再利用，為“吸盤3”輪新增一種舷外裝駁施工方案，也可滿足沿江地區對砂石材料的迫切需求。

1 “吸盤3”簡介

“吸盤3”輪是全電推自航吸盤式挖泥船，自2015年出廠以來，一直在長江中下游航道疏浚工程中發揮著重要的作用，其主要參數如下。

總長：88.6 m；型寬：15 m；型深4.8 m；空載吃水：2.4 m；滿載吃水：2.6 m；最大挖深：16 m；最小挖深：2.6 m；邊噴排距：60 m；艉排排距2 000 m；主發電機組原動機：CAT3516B；轉速：1 500 r/min；功率:1 717 kW；泥泵：MHD30×33-72;軸功率:1 546.6 kW；轉速：274 r/min；流量：13 200 m3/h；揚程：37 m (邊噴工況)。

其主要施工作業形式是通過2臺Z型舵槳裝置做頂推疏浚作業和依靠定位錨做直線絞進疏浚作業兩種方式，泥漿外排有邊拋和艉排兩種方式。艉排方式受航道、水深、流速、通航等因素影響不便于使用，因此一直采用邊拋施工工藝進行疏浚作業，常用的邊拋施工工藝：船舶航行至施工區域，下放吸盤架至特定的深度，開啟高壓沖水泵和泥泵，將吸上泥漿，經過船上特設邊拋管噴射到船外。通過調節舵漿的轉速，使船舶移動，達到挖泥的目的。船舶所設邊拋管伸出舷外長度為0～20 m，可以按照需要將管口轉動到任何一舷側與船的縱向中心線成0°～90°交角位置[5]。

2 裝駁裝置改造

2.1 邊噴管改造

吸盤式挖泥船邊拋施工采用的主要裝置為安裝于邊拋架出口，呈45°角向上的噴管噴頭，噴頭可將疏浚后的泥沙呈拋物線噴出至指定地點，進行遠距離揚棄，施工作業效果見圖1。

如果改為舷外裝駁施工后，需要將原噴頭噴出方向調整為垂直向下，使噴出的泥沙集中裝載到挖泥船旁配套的泥駁中，便于疏浚泥沙的收集和再利用，減少回淤。

考慮挖泥船的施工工藝、船舶操作、疏浚設備、電氣設備等的相關技術要求，根據泥泵流量、流速、轉速、功率、揚程、最低吸入轉速、其他設備負載等要求，并參考相關文獻資料，經過計算和初步設計，確定將邊拋架邊噴管噴頭改造成裝駁裝置，并設置一定消能措施。裝駁噴嘴設計為一個大彎曲半徑的90°彎管加一個異徑管，可起到改變水流方向及噴出壓力的作用，兩者的材質相同。彎管下部與異徑管相連接處預設坡口，經電弧焊牢固相連成整體，保證焊透，另一端焊接有帶螺栓孔的法蘭，其法蘭及螺栓孔大小、分布與左端相連的邊拋管法蘭一致，兩者通過螺栓及螺母連接，彎管法蘭端面設有密封槽，采用O型橡膠圈對連接處進行密封，法蘭背面加裝有三角形筋板，起到加強作用，異徑管出口處可設置若干條格柵。邊噴管噴頭裝駁裝置示意圖見圖2，其主要結構及尺寸見圖3。

圖2 “吸盤3”輪邊噴管噴頭裝駁裝置示意

圖3 “吸盤3”輪邊噴管噴頭裝駁裝置結構

這種方式改造的裝駁裝置，涉及改造的設備、管系最少，改造周期短、費用低，挖泥船作業靈活性高，定位精度和可靠性高，挖泥船施工作業的操作基本沒有改變。

施工作業時隨著邊拋架向舷外旋轉出一定角度，邊噴管噴頭裝駁裝置對準裝載泥駁泥艙，即可進行泥沙裝駁。根據配套泥駁的裝載時間、運距、卸載作業時間等可配套多條泥駁進行裝載作業，吸盤式挖泥船可不間斷進行施工作業，如工況改變需進行邊拋作業，則將邊噴管噴頭裝駁裝置更換為噴頭即可。改造前后的裝駁裝置見圖4。

圖4 “吸盤3”輪邊噴管噴頭改造前后裝駁裝置

2.2 泥泵出口收縮管改造

由于邊噴管噴頭裝駁裝置為擴張管型，在短排距時排泥管中的沿程阻力降低，根據離心式泥泵特性曲線的關系，可導致泥泵的排量增大，所需功率相應增大，為避免相關設備超載和泥泵因流量過大，產生氣蝕現象(“吸盤3”輪泥泵驅動裝置為變頻電動機，泥泵轉速可在一定范圍進行調節，根據計算，泥泵流量不能低于8 000 m3/h)，因此需在泥泵出口管路至邊拋管之間(考慮拆裝方便，設在二層甲板處)增加一節收縮管，可對泥泵流量進行調節，防止設備超負荷和產生氣蝕。該收縮管包含異徑管、法蘭及外接活動排泥管，法蘭焊接在異徑管大口徑一端外側，法蘭上鉆攻有螺栓孔，與外接活動排泥管安裝時，通過螺栓連接固定。

3 裝駁試驗及施工工藝

3.1 裝駁試驗條件

裝駁裝置改造完成后，在荊州大橋下游南汊口區域進行裝駁試驗，試驗區域相關參數：試驗水深：8.5 ～9.2 m；試驗區域風力：微風；試驗區域流速：<2.5 m/s。

考慮“吸盤3”輪的自身尺寸及排水量，并參考長江中下游航道的適航船型，試驗配備的泥駁為“江華999”號，具體參數如下。

自卸砂船總長：96 m；最大船寬：16 m；型深：4.98 m；最大船高：20 m。空載吃水：1.036 m；滿載吃水：4.2 m；滿載排水量：5 339.3 t；空載排水量：1 179.85 t。

航區為A級。

該船泥艙由4個683 m3分隔小艙組成，每個小艙呈倒椎體形式布置，可以有效減少自由液面對船舶裝載產生的橫搖影響，泥艙倒椎體形式布置也可增加船舶裝載后的穩定性，船艏處設卸砂裝置。

3.2 回轉試驗

“吸盤3”輪邊噴管由原來的噴嘴改為現在的裝駁裝置，重量增加約為1.2 t，考慮到邊拋回轉機構的強度情況，需對其進行回轉試驗。轉動邊拋回轉機構至左(或右)舷90°動作各2次，轉動邊拋回轉機構使其停止在中位。整個轉動過程應轉動平穩，無抖動、無異響；記錄回轉機構的工作時間、工作速度，以及液壓泵站相關泵組的運行參數并與改造前進行對比；檢驗邊拋架及邊拋回轉機構的結構強度，觀察結構有無變形、異響，焊縫有無裂紋等；轉動邊拋回轉機構至左(或右)舷90°時，觀察船舶傾斜情況，并做好相關記錄。

轉動邊拋回轉機構至左(或右)舷90°轉動2次，整個過程轉動平穩，無抖動、無異響、結構無變形，回轉機構的工作時間、工作速度正常，液壓泵站及馬達運轉正常，無異常震動、噪聲，各參數與改造前對比無明顯異常變化；船舶傾斜為1.5°，均在正常范圍。

3.3 無泥駁清水、挖泥裝載實驗

轉動邊拋回轉機構至左(或右)舷90°時，裝駁裝置進行無泥駁清水、挖泥裝載實驗，見圖5。調速至邊噴管出水，逐步加速記錄泥泵轉速、流量、流速等數據，機艙記錄各設備數據；挖泥質量分數為0%逐漸增加至50%裝載實驗，記錄泥泵轉速、流量、流速、產量、質量分數等數據，機艙記錄各設備數據，以便確定裝駁時泥泵最佳轉速及流量。

圖5 “吸盤3”輪裝駁裝置進行無泥駁清水、挖泥實驗現場

挖泥實驗質量分數由吸盤頭升高或降低來進行調節，調節范圍保持在0～50%之間；泥泵變頻電機最低轉速：800 r/min，泥泵轉速：160 r/min，泥泵流量：12 200 m3/h，泥泵變頻電機轉速：1 035 r/min，泥泵轉速：207 r/min，泥泵流量：1 334 1 m3/h，流速：6.5 m/s，密度：1.3 t/m3,兩臺發電機組并車總功率：3 000 kW，輸出功率：2 239 kW，剩余功率：961 kW，主發電機組、液壓系統、疏浚設備、電氣設備、齒輪箱等相關設備運轉正常，各指標達到試驗大綱要求。

3.4 裝駁試驗及施工工藝確定

“吸盤3”輪裝駁試驗前向荊州海事處、荊州航道處報備；兩舷邊增加直徑1.5 m的輪胎靠把，防止與“江華999”泥駁相撞；利用主推進裝置頂流挖泥施工，航速保持0.2～0.3 kn；“江華999”泥駁靠泊在“吸盤3”輪左舷(泥駁主副機處備用狀態，隨時按照“吸盤3”指揮進行操作)，轉動邊拋回轉機構至左舷約 30°處，駕駛臺控制泥泵轉速、流量漸進增加，隨時觀察兩船舶靠泊、裝載情況；“吸盤3”與“江華999”泥駁靠泊邊艏部、舯部、艉部設專人值守，觀察纜繩張弛情況，隨時向“吸盤3”駕駛臺匯報；“江華999”泥駁主甲板處設專人值守，觀察泥艙裝載情況隨時向“吸盤3”駕駛臺匯報；記錄泥泵轉速、流量、流速、濃度等相關數據，機艙記錄各設備數據，試驗效果見圖6。

圖6 “吸盤3”輪裝駁裝置裝駁施工效果

裝載試驗從13∶10開始14∶50結束，歷時1.4 h，移船時間：0.30 h，裝載時間：1.10 h，泥駁裝載量約：2 700 m3。挖泥質量分數：50%，航速0.2～0.3 kn。相關施工工藝參數：泥泵變頻電機轉速：1 035 r/min；泥泵轉速：207 r/min；泥泵流量：13 341 m3/h；流速：6.5 m/s；密度：1.3 t/m3；2臺發電機組并車總功率：3 000 kW；輸出功率：2 239 kW；占總功率70%；剩余功率：961 kW；占總功率30%。主發電機組、液壓系統、疏浚設備、電氣設備、齒輪箱等相關設備運轉正常，裝駁時兩船通訊暢通，兩船靠泊、移船安全可靠，裝駁試驗按要求順利完成，達到裝駁裝置改造的設計要求。

4 結論

1)將原設計的邊拋作業改為直接裝駁施工作業，可以實現疏浚泥砂的裝駁外運或上岸處理，能夠有效避免原有邊拋施工帶來的內落回淤導致航道反復疏浚的問題，也可對外運的疏浚泥沙進行后續處理，可滿足沿江地區開發建設的用砂需求。

2)經過實際施工證明，此次邊拋管噴口裝駁裝置的改造效果較好，具有結構簡單、使用方便可靠、改造費用低等顯著優點，并拓寬了“吸盤3”輪的施工范圍，提高了船舶的經濟效益。

3)此次改造為同類船舶裝駁裝置結構的改造工藝提供了參考方案，具有較強的工程指導意義，為長江航道的維護及疏浚棄砂再利用起到了積極的促進作用。