水下泥泵在耙吸式挖泥船上的应用

曾庆松 王 炜 郑 琴 刘树祥 李向荣

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；2.长江航道局 武汉430010）

船舶舾装/疏浚/特机

水下泥泵在耙吸式挖泥船上的应用

曾庆松1王 炜2郑 琴2刘树祥1李向荣2

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；2.长江航道局 武汉430010）

耙吸式挖泥船安装水下泵通常是为满足深水取砂疏浚的需要。近年来，随着水下泥泵装置技术的成熟，水下泥泵装置越来越多地应用于航道疏浚作业。相比于舱内泵，安装水下泥泵可有效提升泥泵吸入浓度、提高装舱效率，并可改善泥泵的气蚀性能、减少振动。文章从离心式泥泵的特性出发，阐释应用水下泵可提高疏浚浓度的理论基础，简要介绍了水下泥泵装置的组成特点以及在应用中可能存在的问题；最后介绍耙吸式挖泥船应用水下泥泵的实船案例，为耙吸式挖泥船疏浚系统设计提供参考。

水下泥泵；耙吸式挖泥船；疏浚浓度；疏浚效率

引 言

随着疏浚技术的发展，耙吸式挖泥船的疏浚深度不断加大，早已超过100m，如“Cristobal Colón”号46000m3超巨型耙吸式挖泥船的最大挖深已达155m， “Queen of the Netherlands”号可选挖深甚至达到160m。

在耙吸式挖泥船上配置水下泥泵通常是用于深水取砂造岛或作为建筑材料。不过，由于采用水下泵可有效提高疏浚浓度和效率，而且随着相并技术日趋成熟，水下泵装置在耙吸式挖泥船上正越来越多被应用。

本文将总结分析水下泵在耙吸船上的作用和可能存在的问题，以及水下泥泵装置的组成特点，为水下泵在耙吸船应用设计提供参考。

1 水下泥泵的发展

随着疏浚深度加大，泥泵真空度增高，而舱内泵能提供的真空度非常有限，疏浚浓度减小，导致疏浚效率下降。同时泥泵还可能产生气蚀。水下泥泵的出现则可妥善解决这个问题。

水下泥泵早期应用于绞吸式挖泥船［1］。这主要是由于整套水下泵装置可以安装在桥架上，而桥架可为水下泥泵装置提供足够的稳定空间和刚度。这一方面可以提高疏浚浓度和效率，另外一方面水下泵与舱内泵或甲板泵串联可获得更大排距，从而节省舱室布置空间。

如表1和表2为长江航道局现有绞吸船水下泵装置应用情况。当挖深大于20m时均配置了水下泥泵，且均采用电机经减速器驱动泥泵的形式。

然而耙吸挖泥船的水下泵装置安装在耙吸管上，所有组成设备都在水面以下。且安装水下泵装置的耙吸管与船体为柔性连接，相比于绞吸挖泥船，耙吸挖泥船应用水下泵的技术难度更大。

但随着大型耙吸挖泥船的挖深在不断加大，80年代挖深已达到32～35m，这已接近只依靠舱内泥泵挖泥装舱，而不安装水下泥泵的极限挖深。此后，由于耙吸船的功能不单是疏浚航道而扩展到挖掘水下建筑砂料，对挖深要求越来越高。这也促进了水下泵在耙吸船应用的技术突破。

表1 长航局现有部分绞吸挖泥船水下泵装置

表2 长江航道局绞吸挖泥船水下泵装置主要参数

由下页表3可以看出，大型、巨型和超巨型耙吸挖泥船通常都兼顾深海取砂作业，所要求的挖深较大，最大已达155m（甚至160m），因此基本都配有水下泥泵装置。

中小型耙吸挖泥船一般用于航道疏浚，挖深一般在30m以内，因此很少配置水下泵装置。近年来，随着水下泵装置的成熟，为获得更高的疏浚浓度，中小型耙吸挖泥船也越来越多采用水下泵装置。如海新7000m3和长江航道局6000m3耙吸挖泥船均配置有水下泵装置。长江航道局6000m3耙吸船所针对的是长江口较难疏浚的板结密实细沙，通常很难获得较高的疏浚浓度（泥浆密度在1.1 t/m3左右［2］），且该土质粒径较小，很难沉淀。应用了水下泵便可获得更高的疏浚浓度，从而提高装舱效率。

表3 国内外大型耙吸式挖泥船的泥泵配置

表4 国内外中小型耙吸式挖泥船的泥泵配置

近年来，“浚海12”号、“浚海56”号、“通恒”号、“通旭”号等大型耙吸船，为适应新的疏浚需要，加大挖深，均已提出增加水下泵改造需求，目前已完成方案论证设计。

2 耙吸挖泥船应用水下泥泵的作用

2.1 有效提高泥泵吸入浓度

应用于疏浚的泥泵一般为离心泵，该类泵的作用机理为通过原动机驱动离心叶轮高速旋转，在泵叶轮中心部位产生真空，在大气压力的作用下，不断向泵进口补充流体，而流体经过叶轮获得能量，通过泵壳排出，从而实现疏浚物的输送。

采用离心泵的优点是可连续输送流体、运动部件少、有大的球形通道、体积小质量轻、经济性好，并且可以用耐磨材料制造，也可制造成双壳泵。其缺点是没有自吸能力，对气体敏感，容易发生气蚀。

假设泥泵入口在水面处，理想情况下，在大气压力作用下可获得10m水柱的真空度，但由于离心泵本身有泵必需气蚀余量（NPSHr），以及吸入管系阻力损失，可用真空度通常只有5～8m。

如图2为泥泵工作基本原理。由于泥浆密度要大于水的密度，因此泥泵必须提供一定的真空度才能达到平衡，才能实现泥浆的输送。ΔH为泥泵需提供的最小真空度。

耙吸式挖泥船采用舱内泵挖泥时（如图3所示），舱内泵一般位于水面以下，耙头外部水压为：

式中：H为挖深，m；P0为大气压力，Pa；ρw为海水密度， kg/m3；g为重力加速度，m/s2。

耙头内部泥浆压力为：

式中：Hp为耙头吸口至泥泵中心线高度 ，m；PNPSHr为泥泵必需气蚀余量 ，Pa；ρm1为泥浆密度 ，kg/m3；v为泥泵进口处平均流速 ，m/s；D为吸管直径，m；L1为吸管长度 ，m；ξ为局部损失系数；λ为沿程损失系数。

联合以上式（1）和式（2），可求得ρm1：

耙吸式挖泥船采用水下泵挖泥时，耙头外部水压为：

耙头内部泥浆压力为：

式中：Hs为耙头吸口至水下泥泵吸口高度 ，m；L2为吸管长度，m。

联合式（4）和式（5）中，可求得ρm2：

在挖深相同情况下，Hs＜Hp，L2＜L1，故ρm1＜ρm2。因此，采用水下泥泵，可以大大提高泥浆密度，减少装舱时间，提高疏浚效率。

2.2 改善泥泵气蚀性能

随着泥泵安装深度的增加，增大了所需真空和最小允许真空的范围，因此减小了气蚀和在挖泥过程不稳定导致泥泵的堵塞的风险，这对提高泥泵寿命是非常有利的。

2.3 疏浚粗砂、卵石等土质更有优势

对于泥浆的输送速度，过快将导致阻力损失过大，流速过小则容易沉降，堵塞管道。根据施工经验，泥浆临界流速可按表5确定［4］。

以700mm管径为例，粗砂和沙砾临界流速达5m/s以上。假设舱内泵在水线以下2m，在30m挖深下，可吸入最大浓度在1.1 t/m3左右。这主要是因为管内流速增加以后，吸入管系损失迅速增加，泥泵可用真空度减小。采用水下泥泵后，可用真空度增大，允许较大的流速，因此可在疏浚粗砂、卵石等大粒径土质时获得更高的疏浚浓度。

表5 临界流速参考值

2.4 优化全船布置

对于大挖深超大型耙吸挖泥船，采用水下泵不仅可为船体线型的设计提供很大的自由度，因为船体设计不会受到耙臂特定配置的影响。耙臂的弯管滑块就可以尽量靠近船首布置。这种布置方式可以使耙臂挖深达到155m（甚至更深），且可依然放置于甲板。

此外，由于使用水下泵，就可能对机舱采取不同的布置。泥舱被置于主机舱与泵舱之间，这样不仅可增大泥舱的长度，而且可避免质量集中产生的荷载和在结构中产生不可接受的高应力。质量分布尽可能均匀，便可适当降低船体结构的质量，从而也有利于增加载重量。

2.5 减小耙吸管尺寸

采用水下泵，可以提高疏浚浓度和泥泵入口的真空度，因此可以选择更小的吸管直径，以减轻质量和节约成本。

3 耙吸挖泥船水下泥泵装置组成

水下泵装置主要由水下泥泵，驱动系统和控制系统组成，整套水下泵传动装置安装在耙吸管上。

水下泥泵主要有由高速电机经齿轮箱驱动和由低速电机直接驱动两种形式。两种形式各有优缺点。

目前应用较多的水下泥泵装置是泥泵和专用的水下电动机（油密）设计成一个整体，并使泥泵和电动机处于同一转速。这种机-泵一体化的设计具有良好的比强度，使整体质量明显减轻，同时也有利于耙吸管的布置。另外，由于水下泵直接由电机驱动，少了中间环节，提高了系统的可靠性。但由于采用低速电机，电机尺寸相对较大。

水下泵装置可安装一个压力补偿装置（BPC），使电机内的油压始终能够高于电机外的水压，而与挖泥船的挖深无并。

水下电机可在驾驶室内的疏浚控制台上遥控。水下泵一般采用单壳离心泵。目前水下泵装置最大作业水深为30m左右。

4 水下泵装置应用存在的问题

4.1 设备成本高

水下泵和电机都在水下面作业，因此对于水下电机和水下电缆的密性要求极高，检修维护的技术含量越大，成本也越高。

在泥泵转速不变的情况下，浅挖深时流量过大，损失增大（转速按最大挖深确定）。因此，水下电机一般采用变频电机，可以调节泥泵转速，以满足不同的作业工况。变频电机初期成本也较高。

4.2 水下泵吊放装置加大

耙吸管安装水下泵装置后，耙管总体质量增大，耙中吊架即水下泵吊架额定载荷也随着变大，如新海狮水泵吊架额定载荷为100 t，跨距8.7m［4］，而相似耙吸船耙中吊架额定载荷约为52 t，跨距5.4m。这将导致吊放装置尺寸、绞车拉力以及液压泵站等均将变大。

因此，有些耙吸船采取水下泵与舱内泵串联，水下泵扬程可以降低；相同流量下，可选择较小功率水下泵。这样可以适当降低水下泵装置质量，相应辅助系统也可减少。如“通程”号耙吸船通过功率管理系统的协调，可采用单个舱内泵和水下泵串联进行最大挖深85m的疏浚作业［5］。

4.3 浅挖深可能存在的问题

在浅挖深情况下，由于水下泵装置整体尺寸比较大，因此很容易使装置触泥或与船体舷侧发生干涉，从而损坏装置或破坏船体。另外，在超浅挖深情况下，耙吸管无法完全充满水，故不能形成真空，导致无法吸泥。

5 水下泥泵应用实例

某耙吸挖泥船主要用于我国长江口、珠江口等沿海港口、航道的疏浚、吹填工程。该船挖泥吃水6.8m，吸泥管直径900mm，挖深在耙管与船基线不同夹角下可达到30～34m。

该船采用单耙疏浚作业，在耙管上安装有IHC水下泥泵系统，可通过水下泵或舱内泵（旁通水下泵后）进行挖泥装舱作业。该水下泵由水下变频电机驱动。

疏浚土质可为淤泥、中细沙、粗砂、粘土和卵石等，其中，中细砂特性如下：

d10%= 0.31mm，d50%= 0.23mm，d90%= 0.16mm，不含淤泥。

密度（容重）= 1.95 t/m3（砂细孔中充水）。

该挖泥船在30m挖深、疏浚中细砂时，水下泵与舱内泵进行挖泥装舱的性能对比如表6所示。

由表6可见，耙吸船安装水下泵将使疏浚性能得到显著改善。

6 结 论

本文分析了水下泵装置在耙吸式挖泥船上的组成特点、应用特点以及存在的问题。随着技术的成熟，中小型耙吸船在航道疏浚中也将越来越多采用水下泵。这一新的设计理念，可供后续耙吸船疏浚系统的设计提供参考。

表6 水下泵与舱内泵疏浚性能对比

［1］ 徐德阳.水下泥泵在绞吸式挖泥船上的应用［J］.水利电力施工机械，1988（2）：7-10.

［2］ 洪国军，林风，王建.新型高效耙头的研制与应用［C］//中国交通建设股份有限公司2008现场技术交流会论文集，2008：411-416.

［3］ 熊庭，杨文，邓勇，等.绞吸挖泥船泥浆管道输送模型构建［J］.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2015（2）：254-263.

［4］ 赵建亭.深水疏浚工程船水下泵吊放装置开发设计［J］.船舶，2005（4）：46-49.

［5］ 仲伟东，费龙.“通程号”超大型耙吸挖泥船开发设计［J］.上海造船，2011（2）：29-32.

信息动态

MARIC设计的载人潜水器支持母船开建

9月16日上午，中国船舶及海洋工程设计研究院（MARIC）为中国大洋协会设计的“深海一号”载人潜水器支持母船在武船重工开工建造。“ 深海一号”是目前世界新型、先进的载人潜水支持母船，该船将为“蛟龙”号载人潜水器深潜作业提供水下、水面支持及维护保养，以充分发挥其在深海科学考察、海底资源勘查、深海生物基因研究领域技术优势。

该船总长90.2m；型宽16.8m，设计吃水5.5m，型深8.3m，设计航速16 kn以上，续航能力超过12000 nmile。该船为单体、双桨、长首楼船型，具备B3级冰区加强，满足直升机悬停要求，部分上层建筑为铝合金材质，带DP-1级动力定位系统，特别在声寂性、重量控制、材料与工艺以及内装、照明等方面按照国际先进理念和跨学科技术合作进行设计和建造。

该船不仅是一艘设计理念、技术水平和科学调查能力达到国际先进水平的“蛟龙”号载人潜水器专用支持母船，也将是助推中国深海事业发展的重要一步！

Application of submerged dredge pump on trailing suction hopper dredger

ZENG Qing-song1WANG Wei2ZHENG Qin2LIU shu-xiang1LI Xiang- rong2
(1.marine Design & Research Institute of China,shanghai 200011, China; 2. Changjiang Wuhan Waterway Engineering Bureau, Wuhan 430010, China)

submerged dredge pumps are usually installed on the trailing suction hopper dredger (TSHD) for the deep water dredging. As the technology of the submerged dredge pump develops, the sub merged dredge pump unit was increasingly applied in channel dredging in the recent years. By comparison with the inboard dredge pump, the submerged dredge pump can enhance the suction concentration and the loading efficiency, and improve the cavitation performance of the dredge pump with less vibration. On the basis of the characteristics of centrifugal dredge pumps, this paper explains the theory of applying the submerged dredge pump to improve the dredging concentration. It also briefly introduces the composition features of the submerged dredge pump unit, and discusses the possible application problems. Finally, the case study of TSHD using the submerged dredge pump is presented. It can provide reference for the design of the dredging system for the TSHD.

submerged dredge pump; trailing suction hopper dredger(TSHD); dredging concentration; dredging efficiency

U674.31

A

1001-9855（2017）05-0080-07

2017-03-01；

2017-04-27

曾庆松（1988-），男，工程师。研究方向：船舶特种机械的设计研究。王 炜（1977-），男，高级工程师。研究方向：船舶工程。郑 琴（1980-），女，工程师。研究方向：船舶工程。刘树祥（1983-），男，工程师。研究方向：船舶特种机械的设计研究。李向荣（1978-），男，高级工程师。研究方向：船舶工程。

10.19423 /j.cnki.31-1561 / u.2017.05.080