絞吸式挖泥船現(xiàn)狀和進(jìn)展(薛輝組)

1、絞吸式挖泥船現(xiàn)狀和進(jìn)展薛輝 石然 趙凱 張坤 汪天文摘從絞吸式挖泥船的優(yōu)點(diǎn)和它在全世界挖泥船中占的比例、大型絞吸式挖泥船的發(fā)展、挖泥機(jī)具的不斷改進(jìn)、自動(dòng)化程度的不斷提高及新型和小型挖泥船的不斷涌現(xiàn)這幾個(gè)方面論述了世界絞吸式挖泥船的現(xiàn)狀和發(fā)展。關(guān)鍵詞：絞吸式挖泥船 大型化 高度智能機(jī) 新型化 發(fā)展趨勢 0 引言絞吸式挖泥船被廣泛應(yīng)用于港口、航道疏浚及吹填工程。絞吸式挖泥船從挖泥到排泥場的距離一般小于耙吸式挖泥船。使用絞吸式挖泥船的最大優(yōu)勢是能獲得準(zhǔn)確的挖掘輪廓。絞吸式挖泥船基本適合挖掘各種類型的土壤，當(dāng)然這也決定于切削功率的配置。絞吸式挖泥船類型和尺寸范圍很廣，絞刀頭功率最小可為20KW，最大可

2、達(dá)約4000KW。 但挖泥深度一般較有限，最大挖深為 2530 m，最小挖泥深度通常取決于船體（平底船）的吃水深度。絞吸式挖泥船屬靜態(tài)挖泥船。至少有兩套對(duì)挖掘過程非常重要的錨纜系統(tǒng)。但錨纜卻為其它船舶航行帶來障礙。某些大型絞吸式挖泥船為減少被“絆住”的危險(xiǎn)而安裝了推進(jìn)器系統(tǒng)；推進(jìn)器系統(tǒng)可用于幫助絞吸式挖泥船離開挖掘區(qū)域，當(dāng)然也可幫助絞吸式挖泥船從一工作點(diǎn)移動(dòng)到另一工作點(diǎn)。小中型絞吸式挖泥船可制造為可拆卸式的。這種方式較適合由公路到內(nèi)陸區(qū)域而無水路時(shí)的運(yùn)輸，如，為公路鋪沙層、為建筑工程公司挖掘沙子和礫石等。安裝了波浪補(bǔ)償器的絞吸式挖泥船可在有波浪的開放水域施工，較之耙吸式挖泥船其局限性是顯而易見

3、的。圖4.1 船體可升降式絞吸挖泥船1絞吸式挖泥船的特征和工作原理1.1 特征絞吸式挖泥船的特性是：它屬于靜態(tài)挖泥船，安裝絞刀頭/絞刀作為挖掘工具，使泥土在切削后被吸入。在吸泥過程中，絞吸式挖泥船是以定位樁為中心通過固定在側(cè)邊絞盤上的錨纜按圓弧形旋轉(zhuǎn)，如圖 4.4 所示。絞吸式挖泥船非常易于與吸揚(yáng)式挖泥船區(qū)分，因后者是沒有定位樁系統(tǒng)的（但某些絞吸式挖泥船工作時(shí)是由纜繩定位的，而不是定位樁定位）。絞刀支臂懸掛在支臂支架上，絞刀頭、驅(qū)動(dòng)器和吸泥管都置于其上。對(duì)于中小型絞吸式挖泥船，一般采用A 型支架，而對(duì)于大型絞吸式挖泥船，一般支架較重。因部分切削力需由平底船及定位樁平衡，所以絞吸式挖泥船的平底比

4、其它靜止型挖泥船較重。挖掘的泥水混合物由水力式吸泥管輸送到排泥場。但也有某些絞吸式挖泥船配套有駁船卸泥系統(tǒng)。絞吸式挖泥船安裝一個(gè)或多個(gè)泥泵，其中一個(gè)放置在絞刀支臂上。自航絞吸式挖泥船的推進(jìn)器裝置既可置于挖泥船前部靠近絞刀頭處，也可置于其后部靠近定位樁處。1.2 工作方式在絞吸式挖泥船絞刀支臂放入水中后，泥泵開始工作，絞刀頭開始旋轉(zhuǎn)。然后支臂向下轉(zhuǎn)動(dòng)直到絞刀頭接觸河床，或直到其達(dá)到最大挖深處。挖泥船繞定位樁的初始運(yùn)動(dòng)是通過放松右舷錨纜、拉緊左舷錨纜完成的。這些錨纜由靠近絞刀頭的滑輪與甲板上的絞盤(靠近挖泥一側(cè)的絞盤)連接。放松絞盤保證兩邊纜繩的準(zhǔn)確張力，這在挖掘堅(jiān)硬巖石時(shí)尤為重要。1. 絞刀頭的

5、旋轉(zhuǎn)方向相對(duì)于其橫移運(yùn)動(dòng)的方向有時(shí)相同，有時(shí)相反。在第一種情況下，絞刀頭作用在土壤上的反作用力帶動(dòng)船體運(yùn)動(dòng)，因此其橫移作用力要小于第二種情況。當(dāng)絞刀頭運(yùn)動(dòng)方向與挖泥船橫移方向一致時(shí)，保證錨纜的預(yù)緊力是非常重要的。如果絞刀頭作用力推進(jìn)挖泥船移動(dòng)快于絞盤拉拽速度時(shí)，拉拽絞盤的纜繩將被絞刀頭卷起并剪斷，這是非常危險(xiǎn)的；2. 錨的位置對(duì)挖泥船所需橫移力影響大。絞刀頭到邊纜的距離越近，所需的橫移力越??；3. 橫移力也受外界自然條件的影響，如風(fēng)、水流及波浪等。當(dāng)然，絞刀支臂沿弧形擺動(dòng)一次絞刀支臂，挖泥厚度由絞刀頭直徑及土壤類型決定。當(dāng)一次擺動(dòng)后沒有達(dá)到所需的挖泥深度，絞刀支臂將被放下更深，且絞刀支臂將向相

6、反的方向擺動(dòng)。如前所述，絞吸式挖泥船是以定位樁 / 工作樁為固定支點(diǎn)做圓弧形擺動(dòng)。大多數(shù)絞吸式挖泥船的定位樁放置在可移動(dòng)鋼樁臺(tái)車上。另一只樁為輔助樁，置于中心線外，一般置于船尾右舷一側(cè)。鋼樁臺(tái)車?yán)靡簤焊卓梢苿?dòng) 4-6m 的距離。因?yàn)殇摌读⒂诤哟采希ㄟ^向船艉方向推動(dòng)鋼樁臺(tái)車即可推動(dòng)絞吸式挖泥船向前移動(dòng)。絞刀頭的尺寸和土壤硬度決定了鋼樁臺(tái)車移動(dòng)的步長。鋼樁臺(tái)車每移動(dòng)一步，在每次沿弧形擺動(dòng)末端放低絞刀支臂，絞刀可切削一層或多層土壤。支臂每向前一步，絞刀頭以定位樁為中心繪出一個(gè)同心圓弧，其半徑隨步長的增加而增加，如圖4.4 所示。如果鋼樁臺(tái)車液壓缸已移到盡頭，則必須要移動(dòng)鋼樁了。在步進(jìn)前，絞刀頭移

7、到切削中心線上，放下輔助樁，抬起工作樁，向前移動(dòng)鋼樁臺(tái)車。然后再次放下工作樁，抬起輔助樁。挖泥船就又可以開始工作了。步進(jìn)后的第一次切削不是一個(gè)同心圓弧。圖4.3 步長和切層圖4.4 絞吸式挖泥船工作方式圖4-5 絞吸挖泥船簡圖絞吸式挖泥船主要特點(diǎn)如下：(1)能自挖、自吹，可以持續(xù)吸排作業(yè)。(2)效率高、成本低。對(duì)于排距在允許范周內(nèi)的吹填工程絞吸式挖泥船較其他挖泥船效率高，成本較低。(3)絞吸式挖泥船比其他挖泥船更能夠廣泛有效地挖掘各類沙、粘土和淤泥。(4)挖硬質(zhì)土?xí)r，效率較低。若加大泥泵功率，選用合適的絞刀，也能挖松散碎石和硬質(zhì)土，但效率低，還應(yīng)注意較大塊石對(duì)絞刀頭的損壞。(5)水面浮管(排泥

8、管)礙航程度大。(6)受自然條件影響較大，多用在港池、內(nèi)河航道等較隱蔽水域(風(fēng)浪較小)的疏浚工程。2. 絞吸式挖泥船現(xiàn)狀和進(jìn)展在全世界范圍內(nèi)，挖泥船應(yīng)用最廣泛的就是絞吸式挖泥船，且是目前各疏浚公司主要開發(fā)的疏浚設(shè)備。絞吸式挖泥船已有一百多年的工程應(yīng)用歷史。絞吸式挖泥船在河道疏通中得到了非常廣泛的應(yīng)用。絞吸式挖泥船能夠被廣泛使用主要是因?yàn)檫@種形式的挖泥船產(chǎn)量大，泵距遠(yuǎn)，大型的絞吸式挖泥船每小時(shí)產(chǎn)量可達(dá)幾千立方米，且操作簡單，易于控制，工作效率高。 絞吸式挖泥船在國內(nèi)大量使用，起于五、六十年代。七十年代初，在周恩來總理的號(hào)召下，國內(nèi)有關(guān)部門從國外進(jìn)口了技術(shù)先進(jìn)、配置完備的絞吸式挖泥船，這在很大程度

9、上加快了絞吸式挖泥船在中國的普及，達(dá)到了國家在三年內(nèi)改變了港口面貌的要求。這之后，有很多船廠，如鎮(zhèn)江船廠、益陽船廠等，投入到絞吸式挖泥船的研究和制造中，從而加快了絞吸式挖泥船的發(fā)展。近些年，隨著世界油運(yùn)業(yè)務(wù)的繁榮、集裝箱運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，應(yīng)用到運(yùn)輸中的船舶也正在向大容量、巨型化的方向發(fā)展，同時(shí)現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步為疏浚技術(shù)的發(fā)展提供了條件，這讓絞吸式挖泥船獲得了更廣泛的應(yīng)用前景。近幾年，世界經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷提高，這些都為挖泥船創(chuàng)造了有利的發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 2.1大型化：在目前的應(yīng)用中，絞吸式挖泥船的噸位趨向于巨型化。從七十年末期開始, 國內(nèi)外深水港的建設(shè)需要開挖大量堅(jiān)硬的士質(zhì)和巖石

10、, 且疏浚區(qū)域大都在無掩護(hù)的海區(qū), 常規(guī)的小型絞吸船不能開挖這些土質(zhì), 也不適應(yīng)開敞海區(qū)的作業(yè), 需要建造生產(chǎn)能力高、絞刀功率大、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的大型自航絞吸式挖泥船來滿足這些要求。大型自航絞吸式挖泥船不僅生產(chǎn)效率高、單方費(fèi)用低, 而且能依靠自身的動(dòng)力自航, 機(jī)動(dòng)性好, 能在工作區(qū)城出現(xiàn)危險(xiǎn)風(fēng)浪的情況下迅速撤離施工現(xiàn)場。這個(gè)時(shí)期，建造的大型自航式絞吸式挖泥船很多。例如09年我國自行建造的自航絞吸式挖泥船“天鯨號(hào)” ，由中交天航局投資建造的亞洲第一、世界第三自航絞吸式挖泥船“天鯨號(hào)”在深圳市南山區(qū)前海孖州島基地下水。該船長127.5 米，寬23 米，吃水5.8 米，最大挖深30 米，排距6000米，

11、總裝機(jī)功率達(dá)20020 千瓦，生產(chǎn)率4500 立方米/小時(shí)，可開挖強(qiáng)度為40 兆帕的巖石，具有無限航區(qū)的航行能力和裝駁功能，適用于各種海況的大型疏浚工程。該船配備了目前國際最先進(jìn)的絞吸挖泥船自動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)無人操控。2.2高度智能化：這是指挖泥船在作業(yè)時(shí)使儀表信息化、挖掘高度自動(dòng)化。 絞吸式挖泥船自動(dòng)化控制系統(tǒng)首先于1980年安裝在水電十三工程局進(jìn)口的“ 海貍4600” 型挖泥船上, 而后于1983年又在“Noordzee”號(hào)和“ Hearlem ” 兩艘挖泥船安裝新式的自動(dòng)化控制系統(tǒng)?！?津航浚215” 號(hào)咬吸式挖泥船也配備了自動(dòng)化控制系統(tǒng)。目前大中型絞吸式挖泥船普遍裝有電子計(jì)算機(jī)控制的

12、自動(dòng)控制系統(tǒng)。據(jù)國外資料介紹, 挖泥船實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化后, 對(duì)絞吸式挖泥船生產(chǎn)率可提高5-15%。 狡吸式挖泥船自動(dòng)挖泥控制系統(tǒng)參見文獻(xiàn)5, 一般包括自動(dòng)挖泥操作系統(tǒng)及挖泥監(jiān)視系統(tǒng)兩個(gè)部分。自動(dòng)挖泥操作系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)操縱橫移絞車、橋架絞車及鋼樁臺(tái)車來控制絞刀頭的位置, 使挖泥船按照預(yù)先設(shè)定的挖泥圖形進(jìn)行挖泥。同時(shí)控制橫移絞車速度和絞刀下放深度, 使挖泥船能達(dá)到在該施工條件下排泥管內(nèi)不產(chǎn)生沉淀、不出現(xiàn)汽蝕的最大吸入真空, 橫移絞車、絞刀和泥泵在不超負(fù)荷條件下可能達(dá)到的最高挖泥濃度。挖泥監(jiān)視系統(tǒng)利用CRT顯示屏及鍵盤判斷自動(dòng)挖泥系統(tǒng)是否正常地進(jìn)行。各個(gè)CRT顯示屏可顯示絞刀在預(yù)先設(shè)定的斷面上的位置及絞

13、刀負(fù)荷、泥漿濃度、橫移負(fù)荷、絞刀轉(zhuǎn)速等工況數(shù)據(jù), 顯示屏上不僅可顯示瞬時(shí)值, 而且能顯示過程值, 這樣設(shè)定值/過程值/控制值可以圖表形式顯示在同一屏幕上如果過程值超過設(shè)定值或出現(xiàn)故障,則系統(tǒng)顯示報(bào)警信號(hào)并顯示出故障地點(diǎn)及時(shí)間。系統(tǒng)還可打錄、打印各種參數(shù)和圖形以及工作日?qǐng)?bào), 以幫助操作者準(zhǔn)備必需的生產(chǎn)記錄文件。 世界上最人的狡吸式挖泥船“Leorna-rdo Da Vinci” 號(hào), 除上述系統(tǒng)外還裝有泥泵自動(dòng)控制裝置, 可以控制倉內(nèi)泥泵和橋架泥泵、真空釋放閥和旁通閥, 與其絞刀自動(dòng)控制系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行, 使泥泵始終能以最小的能量消耗和最小的可能磨損及最大產(chǎn)量相對(duì)應(yīng), 使生產(chǎn)達(dá)到最經(jīng)濟(jì)、最具有競爭性

14、。2.3 自航絞吸式挖泥船成為主流采用鋼樁的絞吸式挖泥船( Cutter SuctionDredger, 簡稱“CSD”) , 依賴于波長、波向和挖泥船的尺度、形狀與質(zhì)量分布以及挖掘的土質(zhì)。一般能在波高小于0.5m1.0m 時(shí)連續(xù)作業(yè)采用三纜定位的絞吸式挖泥船, 雖因采用鋼絲繩定位而能在較大的波高條件下作業(yè), 但工作時(shí)具體能適應(yīng)的波高范圍, 最終是由作業(yè)實(shí)踐確定, 因而無法根據(jù)理論計(jì)算得到。在惡劣的天氣即將到來時(shí), 絞吸式挖泥船需要移動(dòng)到港口或其他安全地點(diǎn)。在得到警告時(shí), 首先需要停止挖泥作業(yè), 以保證有充足的時(shí)間準(zhǔn)備和進(jìn)行拖航。實(shí)際上, 通常由于需要準(zhǔn)備拖航和為了減小風(fēng)險(xiǎn)而過早停止挖泥,而增

15、加了停工時(shí)間。有時(shí)也會(huì)因惡劣天氣沒有預(yù)報(bào)或預(yù)報(bào)太遲, 而導(dǎo)致無法把挖泥船拖航至安全區(qū)域, 造成災(zāi)難性的后果。顯而易見, 絞吸式挖泥船只有在挖泥作業(yè)時(shí)才能發(fā)揮其能力和產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。上述的問題隨著挖泥作業(yè)區(qū)域逐漸向海洋中擴(kuò)展, 遇到惡劣天氣的可能性也大大增加, 而導(dǎo)致嚴(yán)重影響挖泥作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性, 特別是近年來建造了大量的大型非自航絞吸式挖泥船, 其作業(yè)能力得到很大的提高, 停工對(duì)任務(wù)的完成和船舶經(jīng)濟(jì)性的影響也比以往大得多。減少停工時(shí)間的一個(gè)有效途徑是把絞吸式挖泥船設(shè)計(jì)成有合適干舷、船首高度和穩(wěn)性完全適于航海的自航絞吸式挖泥船( Self- propelled Cutter Suction Dredg

16、er, 簡稱“SCSD”) ,此類挖泥船可挖泥作業(yè)直到其設(shè)計(jì)的極限環(huán)境條件,可就地安全地抵抗風(fēng)暴或及時(shí)離開作業(yè)地點(diǎn), 在環(huán)境條件改善后即可恢復(fù)生產(chǎn), 從而大大減少了停工時(shí)間,提高了挖泥船的利用率和經(jīng)濟(jì)性。自航絞吸式挖泥船是完全能適于航海的船舶, 它需要設(shè)置推進(jìn)用螺旋槳和采用具有水動(dòng)力性能的船舶線型, 還需要滿足船級(jí)社要求的航海和安全設(shè)備, 至于推進(jìn)則可利用挖泥船上用來驅(qū)動(dòng)泥泵、絞刀或發(fā)電機(jī)組的原動(dòng)力。 自航絞吸式挖泥船優(yōu)缺點(diǎn)自航絞吸式挖泥船具有以下優(yōu)點(diǎn):1) 能在可作業(yè)的極限環(huán)境條件下連續(xù)作業(yè);2) 在環(huán)境條件改善后, 可以盡快恢復(fù)作業(yè);3) 停工時(shí)間可以減少, 具體減少的總時(shí)間依賴于工作地點(diǎn)

17、和停工的頻率;4) 可自己完成調(diào)遣;5) 可降低調(diào)遣費(fèi)用, 節(jié)省的調(diào)遣費(fèi)用取決于調(diào)遣的距離和次數(shù);6) 在調(diào)遣途中, 船員可進(jìn)行維修和保養(yǎng)工作, 因此在船舶到達(dá)工作地點(diǎn)后即可開始作業(yè);7) 適航性的要求需要船舶有更大的尺度和重量,可提高對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)性。另一方面, 自航絞吸式挖泥船也具有以下缺點(diǎn):1) 較高的初始投資;2) 駕駛船員需要具有主管機(jī)關(guān)要求的相應(yīng)證書;3) 需要大的艙容和裝載量4) 在挖泥作業(yè)時(shí), 螺旋槳和舵對(duì)作業(yè)不利;5) 船上安裝了更多的設(shè)備, 增加了維修工作。自航絞吸式挖泥船初始投資高, 一艘適航的自航絞吸式挖泥船將比同樣作業(yè)能力的非自航絞吸式挖泥船增加約10%15%, 但

18、提高了使用性能和效率, 因此綜合考慮初始投資、自然環(huán)境條件、后勤保障和船舶預(yù)定的作業(yè)任務(wù)等因素, 其全壽命期的總費(fèi)用得以減小。2.4 新型、小型絞式挖泥船不斷涌現(xiàn)：隨著疏浚領(lǐng)域擴(kuò)大、工程要求的提高,新型、小型絞吸式挖泥船有了很大發(fā)展。特別是在目前世界疏浚市場需求逐步增長, 步移式自升平臺(tái)型、半潛式絞吸式挖泥船的出現(xiàn), 使挖泥船的作業(yè)區(qū)域由內(nèi)河、沿海港灣向外海發(fā)展提供了可能, 小型、組合型絞吸式挖泥船發(fā)揮了它調(diào)遣靈活、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),滿足了狹窄運(yùn)河、溝渠、池塘、湖泊等疏浚需要。2.5 環(huán)保化：發(fā)展高效、節(jié)能型挖泥船，降低能耗與節(jié)省資源在我國一直以高能 耗、高消耗的代價(jià)發(fā)展，因此發(fā)展高效、節(jié)能型挖泥

19、船也應(yīng)是我國疏浚業(yè)今后發(fā)展的方向，并應(yīng)作為重要的戰(zhàn)略舉措來對(duì)待。2009 年，由我國自主設(shè)計(jì)、中交天津航道局有限公司投資建造的亞洲最大非自航絞吸挖泥船“天麒號(hào)”，為保護(hù)海洋環(huán)境，該船采用海水替代牛油潤滑絞刀軸，避免了船舶在施工中對(duì)海洋造成的污染。3 疏浚市場的發(fā)展趨勢及對(duì)絞吸式挖泥船的要求疏浚行業(yè)是經(jīng)常變化的, 在上一個(gè)世紀(jì)已經(jīng)發(fā)生了非常顯著的變化。雖然諸如建設(shè)和維護(hù)港口、清淤和清理河道、維護(hù)水庫深度和清理航道的沉積物等傳統(tǒng)的疏浚仍然將占相當(dāng)比例, 然而, 造地、海洋油氣基礎(chǔ)設(shè)施作業(yè)、環(huán)境清理以及貴重礦產(chǎn)和聚合物開采等新興作業(yè)將超越傳統(tǒng)的疏浚作業(yè)。所有這些新興疏浚作業(yè)需要特殊設(shè)備, 并改變作業(yè)環(huán)境條件和限制, 設(shè)計(jì)和使用也應(yīng)隨之發(fā)生巨大的改變。不僅設(shè)備和工具的尺度變大, 而且將在更困難的環(huán)境條件下作業(yè), 需要更多的可選擇性與更高的效率、創(chuàng)新的設(shè)計(jì)和構(gòu)造方式。市場需求影響著疏浚設(shè)備的開發(fā), 創(chuàng)新的設(shè)備與技術(shù)又反過來拓展了疏行業(yè), 換一種說法就是市場拉動(dòng)和技術(shù)推動(dòng)互動(dòng)發(fā)展, 市場和技術(shù)兩者均是重要的原動(dòng)力。向海岸區(qū)域遷移和人口增長導(dǎo)致了對(duì)新陸地的需求, 造地是疏浚行業(yè)關(guān)注的主要領(lǐng)域之一。另外一個(gè)重要的趨勢是全球經(jīng)濟(jì)一體化, 持續(xù)的經(jīng)濟(jì)增長產(chǎn)生了貨物海上運(yùn)輸?shù)目涨靶枰? 因此需要新的港口和碼頭設(shè)備及航道。預(yù)期氣候的變化將需