长江口 12 000m3大型专用耙吸挖泥船的技术特点

朱荣，李伟强

（中交上海航道局有限公司， 上海 200002）

长江口 12 000m3大型专用耙吸挖泥船的技术特点

朱荣，李伟强

（中交上海航道局有限公司， 上海 200002）

“长江口 01”、“长江口 02”轮系根据长江口-12.5m 深水航道现场水文、通航密度、施工土质等作业条件定制的 2 艘 12 000m3大型专用耙吸挖泥船，与一般通用大型耙吸挖泥船相比，具有浅吃水、小挖深、高效率、低能耗等特点。文章通过该型船性能参数和技术特点的介绍，展示了耙吸挖泥船设计技术的最新成就。

12 000m3；专用耙吸挖泥船；技术特点

1 船型及功能

长江口航道管理局建造的 2 艘 12 000m3耙吸挖泥船“长江口 01/02”轮，主要针对长江口水域开阔、施工现场风大、流急、雾多，交通繁忙，疏浚土质为颗粒细、流动性强、不易沉淀的松散细砂和软弱淤泥等特点，定制的大型专用耙吸挖泥船[1]。船型为双推进主机、双可调桨、双 鱼尾舵和双艏侧向推进器，单甲板艏楼结构，采用超大球鼻艏、双艉鳍船体线型。挖泥系统主要安装有双耙管、双装舱消能箱、单溢流筒和艏吹装置，船右舷安装了装驳装置用于驳船艕靠作业，具有挖、运、抛、吹、装驳功能。

“长江口 01/02”轮 2 艘挖泥船于 2008 年 7 月签订建造合同，由荷兰 IHC 公司负责设计建造，首制船“长江口 01”轮在荷兰建造，于 2012 年 5月交船，第二艘“长江口 02”轮在中国建造，于2013 年 3 月交船，2 艘船的总投资超过 18 亿元人民币。

2 性能参数

2.1 主要设备和性能

“长江口 01/02”轮总吨 12 319，泥舱容积12 000 m3， 满 载 自 由 航 速 15.2 kn， 配 置 2 台MAN7L48/60CR 主柴油机，单机功率 7 560 kW；2台轴带发电机，单机功率 2 050 kW；1 台 CAT/ 3512B 辅助发电机，功率 960 kW；1 台 CAT/C18应急发电机，功率 380 kW；2 台变频电机驱动的艏侧推装置，单机功率 500 kW；2 台 IHC 制造的HRMD202-43-100 单壳泥泵。在平均 90%最大持续功率工况下，本船可连续疏浚作业 20 d，续航力约为 8 000 nmail。

2.2 浮态及稳性

“长江口 01/02”轮在设计吃水和挖泥吃水时，完整稳性和破舱稳性满足CCS规范要求。船舶在空船或轻载时，艏尖舱作为纵倾调节舱，能够迅速压排水，用于调节船舶的纵倾。当船舶装载50%油水，泥舱抽空时平均吃水小于 3.2m，挖泥时满载吃水 8.37m。

2.3 疏浚性能

“长江口 01/02”两艘船的疏浚系统设计，充分考虑了长江口深水航道的水域条件与疏浚泥质情况，对曾参于长江口航道疏浚施工船舶的历史数据进行了系统分析后，最终确定该船舱容为12 000m3，泥舱密度设定为 1.35 t/m3，最大挖深-25m，装舱时间约 52min，使用双耙挖泥时对水航速约为 6.5 kn，即船舶对地航速约为 2.5 kn，逆流流速约为 4 kn。

3 技术特点

荷兰 IHC 公司在设计长江口 12 000m3专用耙吸挖泥船时应用了多项减阻技术，从船舶主尺度选择、线型设计、船体结构优化、材料使用等方面全盘考虑，努力降低船舶自重，减少航行阻力，提高营运效益。在主机、泥泵、耙头等关键设备选型、参数确定方面结合长江口实际工况，打破常规，具有独特的技术特点。

3.1 合理的主尺度和船型参数

主尺度是体现船舶先进性和经济性的关键，耙吸式挖泥船的主尺度主要取决于泥舱的装载量。“长江口 01/02”轮船舶主尺度的设计原则：

1）结合泥舱、机泵舱、其它舱室和甲板机械的布置；

2） 兼顾船舶航行性能、船体总纵强度与稳性、续航力等因素；

3） 重点考虑长江口航道水深、槽宽、流速、通航密度，以及泥舱容量和装舱密度等施工条件。

通过前期调研、技术论证、方案比较、船型优化等工作，最终确定该船较合理的主尺度和船型参数。总长 132.0m，垂线间长 122.2m，型宽27.3 m，型深 10.0m，疏浚时平均吃 水 8.37 m，排水体积 24 643 m3，水线面系数 CWP=0.923，方形系数 CB=0.884。

与同期国内设计建造的同样规格的挖泥船相比，该船主尺度、空船重量、空载吃水、满载吃水具有明显的优势。

3.2 船舶减阻附体技术的应用

耙吸挖泥船船体线型是设计的难点与关键点，良好的线型能够大幅减小航行阻力，为航速、载重量、船舶稳性等带来性能提升。“长江口 01/ 02”轮在船体线型设计中重点研究了耙吸挖泥船阻力特性和推进性能。

针对长江口航道浅水疏浚作业的特殊要求，依据大型耙吸挖泥船的发展趋势，创新应用了船舶减阻附体——超长肥大型球鼻艏（见图 1）技术。

图1 超长肥大型球鼻艏Fig.1 Super-long large-scalebulbousbow

在船体设计时将艏柱前移，设超长肥大型球鼻艏[2]，以改善肩部压力梯度，球鼻艏和船体形成的波峰和波谷得以相互抵消，波形平滑（图 2），显著降低了船体兴波阻力。这种设计对有一定航速要求的浅吃水肥大型耙吸挖泥船降阻效果明显。

图2 船体兴波示意Fig.2 Sketch of ship wave-making

为了提高推进效率，达到节能的目的，“长江口 01/02”轮还采用了“Gondola”型双导流尾鳍技术（见图 3），增加船艉流场的伴流系数，大大改善螺旋桨的进流。

“长江口 01/02”轮装配了舵效好、可靠性高、适合长江口航道工况的改进型鱼尾舵，舵效得到明显提升。此外在船艉双尾鳍结构中间还设置了箱形呆木（见图 4），在增大艉部结构强度和刚性的同时避免了船体振动，保障了船舶航向稳定性。

图3 "Gondola"型导流尾鳍Fig.3 Gondola type of fair water tail fin

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

3.3 “零舵位偏角”技术的应用

根据“Gondola”双尾鳍布置的需要，舵杆中心位置较尾轴中心线有 300mm 的偏移。根据流体力学的计算结果，艉舵零位时最佳角度偏转设置为 3°。在此情况下，流场状态良好（图 5），与不采用偏角相比，能够减少水流阻力约1%。

图5 艉舵流场示意图Fig.5 Sketch of flow field of stern rudder

3.4 优化结构设计降低船舶自重，提高装舱效率

“长江口 01/02”轮的泥舱设有双列方形泥门，泥门数量共计 10个。船体泥舱段采用纵骨架式结构，而船体艏、艉段则采用横骨架式结构，这种纵横混合骨架船体结构很好地解决了结构重量和船体总强度之间的矛盾，更加经济。

在泥舱设计中，根据淤泥质细粉砂土质，通过模型试验决定采用半深装舱管，并经流体力学分析计算，合理地确定了装舱管的开口位置与开口大小的非匀称布置形式，如图6所示。有效的提高了装舱效率，降低了疏浚物对泥舱舱壁结构的冲击磨损。

图6 装舱管布置示意图Fig.6 Sketch of thearrangementof loading pipe

该船船体属肥大型，长宽比较小，船体设计时对横向结构强度给予了特别的关注，在泥舱内设置了沿船舯方向的纵向三角舱和4组横向三角舱（见图 7）。横向三角舱、舷侧隔离空舱横舱壁和泥舱开口强横梁共同组成了船体舯部泥舱分段的横向强框架结构。同时对船体泥门开口的四角隅进行了专门的有限元分析与计算，根据计算结果对相关结构件进行局部加强，部分泥舱结构件使用高强度钢替代普通船用板、型材，降低船舶自重。

图7 泥舱布置Fig.7 Layou t of the hopper

3.5 选用轻量化设备，采用复合驱动技术

“长江口 01/02”轮主机选用 2 台电控共轨MAN7L48/60CR-7560KW 中速柴油机主机和 1 台CAT/3512B 高速辅发电柴油机。电控共轨机与传统柴油机相比，取消了燃油凸轮等部件，中速机和高速机相对于低速机重量较轻，对船舶的轻量化有较大的意义。

该船还运用了“一拖三”驱动方式[3]，即主机通过输出端的双输出齿轮箱分带推进器和轴带发电机，自由端带舱内泥泵。 借助“复合驱动技术”，减少全船柴油机装船数量，降低了船舶自重。

3.6 选用低流量泥泵

长江口深水航道长达 92.2 km，不同区域土质分布存在着差异，但主要以粒径细小的淤质细粉砂为主，D50≈0.075mm，天然容重 1.65~1.75 t/m3。

通过对以往参与长江口一、二、三期工程疏浚的施工数据统计发现，通用型耙吸挖泥船普遍存在泥泵流量偏大、挖掘浓度不理想、泥土沉淀效果欠佳现象。为此该专用船在方案设计时，对长江口的土样在实验室进行了装舱试验，并到长江口施工实船测量，在泥舱不同位置检测泥桨垂直方向的浓度、运动速度，并进行重点分析计算，决定选用总流量为 3.7m3/s，即单泵为 1.85m3/s 低流量泥泵，大幅度降低长江口 12 000m3专用耙吸船的装舱流量，以降低泥桨在泥舱内的扰动能量，提高其沉淀效果。并据此参数和吸排管阻力计算出泥泵所需扬程，最终确定了泥泵的型号和转速、功率等性能参数。

“长江口 01/02”轮实船施工数据表明，单泵装舱泥桨流量约 7 000m3/h，扬程 17m，平均吸入浓度 1.45 t/m3，泥泵轴功率约为 600~700 kW，达到了专用耙吸挖泥船的高生产效率、低能耗的目标。

3.7 装备专用高效“威龙”耙头

“长江口 01/02”轮根据土质特性、实验室试验数据，并结合耙头拖曳阻力和主机推进功率，专门设计了 2 只宽 4.0m，重量 17 t的“威龙”（Wild Dragon）耙头（见图 8）。

该耙头带有双排耙齿，五排高压冲水，耙头高压冲水水箱采用独立式高强度结构，耙头底板、高压冲水喷嘴板采用了耐磨材料与普通钢板浇铸连接的复合材料，提高了耐磨性。耙头两侧安装有易拆装的防磨材料挡板，提高了耙头真空度，达到破土效果最大化，再通过泥泵的抽吸和航速的控制，将松散土体尽量全部吸收，以提高耙头挖掘浓度。通过模型试验，这种新型耙头比普通耙头在挖掘浓度上提高了 10%以上[4]。

当耙齿切土深度为 0.24m，挖泥航速 2.5 kn时，耙头的切土产量可达 1.2m3/s，泥泵流量为1.85m3/s 时，挖掘的泥桨浓度达到1.378 t/m3。

耙头装有2个液压油缸用于调整耙头耙舌角度以改变破土深度，可以实现 0.36m 的最大破土要求。

通过实船挖泥试验，该耙头挖掘细粉砂时平均浓度大于 1.40 t/m3，挖 掘含泥砂土时浓度超过1.50 t/m3，挖掘能力优良。通过现场实船试验，证明了室内实验成果的可靠性，并为此种新型高压冲水耙头的深化研究提供了依据。

图8 “威龙”型耙头Fig.8 Weilong-type drag head

4 结语

“长江口 01”、“长江口 02”轮系长江口航道管理局根据长江口工况特点定制的两艘大型专用耙吸挖泥船。投产1 a多来，该船平均装舱浓度可达 1.45 t/m3以上，装舱时间约 50min，船舶满载 （约 7 200 m3原状土）抛泥时间 3~5 min，在3 000m 排距工况下吹岸时间约 70min，实现了高效施工的既定目标。

[1]彭振武.长江口航道管理局建造专用耙吸式挖泥船的必要性[J].水运工程，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]刘厚恕.国内外大型耙吸挖泥船发展综述[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]于再红.大型耙吸挖泥船“新海虎”号的轮机设计[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]江帅，树伟.一种新型高压冲水耙头的探索研究[C]//中国疏浚协会.第十九届世界疏浚大会论文集.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

朱荣 （1962 — ），男，江苏泰州市人，高级工程师，主要从事设备管理、船舶修造与节能减排等工作。E-mail：hjzhurong@sina.com