“通程”号超大型耙吸挖泥船开发设计

仲伟东，费 龙

（708研究所，上海 200011）

0 引 言

多年来，随着国家对沿河、沿海大型港口、临港工业区的深水航道，大型深水港口建设以及围海造田、跨海大桥等工程基础建设的投资，国内在自行设计和建造大型耙吸挖泥船方面积累了很多的经验。708研究所在国内大型耙吸挖泥船的设计方面一直处于领先地位，先后为国内各大航道局设计了多艘8000m3以上的大型耙吸挖泥船。在此背景下，天津航道局根据需要提出了开发设计和建造一型国内舱容量最大、技术水平更先进、功能更符合中国疏浚市场特点的超大型耙吸挖泥船。该船已于2009年6月开工建造，2010年6月试航，2010年7月交船。

1 船舶概况

“通程”号是我国自行设计和建造的舱容量最大、挖掘水深最深、技术水平先进，功能齐全的超大型耙吸挖泥船。该船泥舱舱容为18374m3，为一艘双桨、双机复合驱动、双耙带水下泵、单甲板、艉楼、钢质焊接、流线型、带球鼻艏的自航耙吸挖泥船，主要用于沿海港口的航道疏浚和吹填作业，并兼作海岸维护工程，可于无限航区进行调遣。

图1 试航中的“通程”号

1.1 基本设置及功能

该船的基本设置和功能如下：

1)可使用左右2台舱内泵或左舷舱内泵和右舷水下泵进行双耙挖泥作业，单独使用水下泵或右舷水下泵和右舷舱内泵串联进行单耙挖泥作业；将耙吸的泥浆装舱及低浓度自动排放，并通过船底两列箱形泥门抛泥；设有抽舱系统、吹泥浮管、艏吹接头或艏部喷嘴，通过左右2台舱内泵单独抽舱或双泵串联抽舱后，进行艏吹排岸或艏喷作业；采用配有高压冲水、可卸式耙齿的主动耙头来疏松密实土；通过2台高压冲水泵进行冲舱，稀释和松散泥舱内的泥沙，有助于抛泥和抽舱作业。

2)在驾驶室遥控操作2只液压溢流筒，可调节舱容从10000～18374m3；2台泥泵均由变频电机通过齿轮箱驱动。

3)机舱内设置2台主柴油机，每台主柴油机的飞轮端通过减速齿轮箱驱动一只导管可调螺距螺旋桨，自由端驱动一台交流轴带发电机；设置3台主发电机（两用一备），向除疏浚之外的全船设备供电。

4)在驾驶室可遥控操纵一台电动艏侧推装置；可单人遥控推进控制系统；单人遥控耙管/泥泵疏浚控制系统；艏部还配有一套通过泥泵喷水的侧推装置。

5)设置艉楼甲板室，定员40人，设有中央空调；在艉部靠近居住舱室处还配备一艘尾抛艇。

6)主甲板上设一台跨距26m、吊重30t的行走式液压甲板吊车，用于设备维修和起吊重物。

7)重油舱、船用柴油舱位于泥舱两侧的浮力舱内，燃油舱采用双壳保护；淡水舱位于机舱后部；艏尖舱作为纵倾调节舱，能够迅速地压排水，以减少船舶在空船或轻载时的纵倾。该舱由一台高压冲水泵压排水，也可由舱底排水管重力排水。

图2 总布置图

1.2 主要参数

总 长 162.30m

垂线间长 149.80m

型 宽 28.50m

型 深 15.00m

设计吃水 9.50m

挖泥吃水 11.00m

载泥量 28388t

泥舱舱容 18374m3

吸泥管内径 1200mm

挖深-耙管与船基线为45°夹角 35m

挖深-耙管接长并与船基线为45°夹角 45m

挖深-采用水下泵、耙管接长与船基线为49°夹角 85m

推进柴油机2台 2×8700kW

轴带发电机2台 2×7500kW

发电机组3台 3×750kW

应急发电机组1台 210kW

电动艏侧推1台 700kW

舱内泥泵2台 挖泥2355kW排岸4380kW

水下泵1台 3200kW

试航航速(在吃水11m，100%MCR时)15.04kn

总装机功率 19650kW

功率因数 1.069

航行比功率 0.0394

2 关键技术及系统配置

2.1 最大舱容和主尺度

泥舱的设置与全船的尺度、主要设备的配置紧密相关。该船在设计伊始，已先行确定了主机设备，为 2台600r/min×8700kW的主柴油机。约定航速为14.5kn，然后对尺度、型线、功率分配等主要参数进行分析和优化，最后确定本船最大的泥舱容积为18000m3，见表1。分析国内外同类型船舶的主尺度，决定该船的长宽比略大于 5。以适当的长宽比达到优化线型，提高航速。经过实船试航航速达到了15.04kn。航行比功率最终锁定在0.0394，远低于国内以往的大型耙吸挖泥船，表明该船的节能环保技术达到了国际先进水平。

对方形系数的选择则结合了线型优化的手段。通常理论认为，较大的方形系数对应较慢的航速，而目前大型耙吸挖泥船的方形系数普遍都达到了0.85以上，该船采用的挖泥干舷吃水下的方形系数更是达到了 0.879，为国内目前设计和建造同类船型中的最大。这样若要满足航速的要求，则必须在线型上采取严格措施，通过水池试验和线型优化软件进行深入分析，优化全船各主要部位的线型。艉部在导管螺旋桨附近采用独特的附体形式，针对艉部流场情况进行多次调整，经试验取得较满意的结果。

2.2 全通甲板

目前，大型耙吸挖泥船设计上多采用1/3干舷或1/2干舷（折减干舷）的方法，主甲板之上再通过设置较高的泥舱围板（一般高达3～5m），以能在近海（作业环境条件一般较好）疏浚作业过程中提高装载量。但这种做法，往往对应较好的作业海况；一旦条件稍差，船舶摇摆加大，泥浆很容易溢、溅出，造成主甲板上泥浆四溢，不利于船舶的清洁保养同时也存在一定的安全隐患。而且大量地折减干舷还易引起甲板上浪、冬季结冰等恶劣情况。

近几年，随着大型耙吸挖泥船在深海作业工程量的逐步增加，为适应更严格的海况要求，又不减少装载量，国际上已有大型耙吸挖泥船采用了全通甲板的形式，即加大船舶型深，以全通的泥舱甲板取代原来的主甲板。作为新的主甲板，相应地增加了部分结构重量，但这可以通过适度增加吃水来弥补，即使这样，干舷的增加量仍可以大于吃水的增加量，干舷值不必折减到1/3（甚至到1/2），就可达到既增加载重量又增加干舷的目的。有关资料表明[1]，采用全通甲板的船舶比甲板带舱口围板的船舶重量增加约2%，但最大的载重量却可以高出20%。显然，如果吃水没有受到特殊限制，全通甲板船舶的经济性就不言而喻。采用全通甲板设计形式也大大地提高了船舶的安全性能，扩大了船舶营运范围，这样的船型非常适用于深远海作业。

表1 国外已建造全通甲板型大型耙吸挖泥船舱容系数比较

2.3 全电力驱动疏浚设备

耙吸挖泥船通过不同的驱动方式为其“心脏”——泥泵提供动力。在如今的大型或超大型耙吸挖泥船上都为一机多带式（一台主机同时驱动多种设备）。为了更好地利用主机所产生的功率，经常在主机飞轮端通过齿轮箱驱动可调螺距螺旋桨和轴带发电机，自由端通过减速齿轮箱来驱动泥泵，或主机只驱动可调螺距螺旋桨和轴带发电机，类型有很多种，但基本为这2种。在目前国内的大型耙吸挖泥船上，前一种动力配置方案（也称“一拖三”方案）已在多艘船舶上实践成功，有较成熟的经验；而后一种，由主机驱动轴带发电机，利用轴带发电机供电给泥泵变频电机来驱动泥泵（以下简称电力驱动方案）的方式则首次在国内的大型耙吸挖泥船上运用。

2.4 水下泵

由于泥泵可以设置到泥舱的前部，耙吸管系的设置也更加自由了，耙吸管系一般从泥泵的吸口端开始，最长可以到达船的艉部。泥泵舱远离了船的艉部，则耙吸管系更长，根据该船的有效设置耙管区域和选用的水下泵配置，确定最大挖深为85m。水下泵的功率为 3200kW，同样通过功率管理系统的协调，可采用单个右舷舱内泵和水下泵串联或单个水下泵——右舷单耙作业进行最大挖深 85m的疏浚作业。这是目前国内耙吸挖泥船中所能达到的最大挖深。

2.5 箱形泥门

耙吸挖泥船的卸泥作业多采用泥门抛泥的方案。泥门的形式也是圆锥形和箱形2种并存，这2种泥门形式各有优缺点。但在国内的大型耙吸挖泥船上，无一例外地选用了圆锥形泥门，主要是设备的成熟度高，相对安全可靠。而箱形泥门在抛泥方面具有不可替代的优势，它对所抛卸泥浆的适用范围更广，死角更少，能有效、快速地抛卸更多的黏性土质，减少高压冲水的辅助使用。通过对受力情况分析，对泥门的局部结构和密封结构进行精心设计，改善了箱形泥门大型化以后可能出现的密封不严，受力变形的情况。对泥门的高压冲水喷嘴进行专门针对性的设计，以提高高压冲水的辅助效力。大型箱形泥门在超大型耙吸挖泥船的首次应用，必将给日后的泥门设计带来更多的选择。

2.6 稳性和破舱

国内大型耙吸挖泥船在完整稳性方面已经完全按照中国船级社的规范要求进行衡准，但SOLAS在2009年1月1日强制执行了新的公约要求。该公约在破舱稳性方面提出了更加严格和细化的要求，耙吸挖泥船划归为货船类，需满足最新的SOLAS 2009对货船破舱稳性的要求，即采用“三吃水”进行衡准。尽管耙吸挖泥船在稳性方面往往裕度很大，但新的规范在衡准要求上有明显的提高，且已经对有些类型的货船设计产生了影响。该船在破舱稳性校核方面进行了大量的分析工作，在设计上采用全通甲板方案，对满足SOLAS公约中破舱稳性的要求非常有利。

2.7 艉楼甲板室

由于采用电力驱动方案，选用艉楼甲板室有比较显著的优点。艉楼甲板室对于观察耙吸挖泥作业工况更加方便，更便于船员对耙头、吊架等甲板疏浚设备的检查，易于到达机舱集控室，甲板行走吊车可以吊至艏吹装置等设备。

艉楼甲板室形式类似于常规货船，因为驾驶区和挖泥控制区均需面向船艏工作，与常规货船作业习惯相同，船航行方向和人员观察方向相一致。这样驾控台和挖泥控制台就同时需要面向船艏的视线要求和驾驶室前端位置。通过采用驾驶室前端区域上下错层的方法解决了这一困难。即驾控台位置靠后，设在高处，挖泥控制台位置靠前，设在低处。通过视线范围分析，在舵手和操耙手的正面、前左、前右三个方向设置上下两层的大型落地窗，保证了两个控制台都有较好的视野。另外由于驾驶室更加靠近艉部耙头位置，在两舷相应位置也设置了落地窗，极大地改善了对耙头附近设备观察的视野。

2.8 电梯等设施

在人性化设计方面有了显著提高，该船配置了一部从驾驶室经过生活区到机舱区域的电梯。全船定员40人，其中独立套间3间，其余为1人室或2人室，其中 2人室的居住面积达到 13m2。还为船员配备了大型活动场所、健身处所等生活娱乐设施。提高了噪音和振动的控制标准，为船员提供更舒适的生活和工作环境。

3 结 语

“通程”号超大型耙吸挖泥船除在功能上完全满足任务要求之外，在设计过程中，对船东提出的诸多关于提高使用便利性和功能全面性的建议，均通过优化调整得以实现。如艉部回转吊机扩大吊货范围；机舱备件备品空间的调整和增加两舷空舱的维修空间；艏部艏吹装置的位置调整和结构加强等等。总的说来，这一型船吸收了以往大型耙吸挖泥船设计上的经验，同时应用了一些先进设备，扩展了应用功能，使其具有鲜明的疏浚作业特色。相信随着该船的投入运营，必将成为我国疏浚行业中的一艘主力挖泥船。

[1] Andre Kik.Design Optimization of Trailing Suction Hopper Dredgers-How to achieve the maximum result with your investment[C].Proceedings of the First Chinese International Dredging Congress, pp429-442.Shanghai, 2003.