創(chuàng)新的挖泥船

新的超大型自航絞吸挖泥船世界上最大的絞吸挖泥船 ―新一代挖泥船研究與開發(fā)的說明Frans.Lijmbach,RobbydeBacker,Caspar.Kramers,LaurensJ.deJonge摘要：絞吸挖泥船最適合處理硬質(zhì)土和粘性土。但是絞吸挖泥船也應(yīng)具有耙吸挖泥船的一些特有的優(yōu)點(diǎn)，如自航、自給和在海上作業(yè)。大約 15年前，曾建造過一些可自航的絞吸挖泥船，并在不同的工況下使用。直到目前，仍在使用中的最大的絞吸挖泥船是“LeonardodaVinci”（“達(dá)芬奇”）號(hào)，其總裝機(jī)功率約20,000kW。根據(jù)該挖泥船所積累的經(jīng)驗(yàn)，JandeNul集團(tuán)認(rèn)為研制新一代絞吸挖泥船的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，新一代挖泥船最顯著的特征就是規(guī)模擴(kuò)大，尤其是在疏浚功率和更完善的通用性和方便性方面。 這些觀念構(gòu)成了一艘新絞吸挖泥船的方案設(shè)計(jì)。 與JandeNul 及分承包商和供應(yīng)商合作共同研發(fā)并制造世界上最大的絞吸挖泥船，這又一次對(duì)IHC荷蘭公司提出了挑戰(zhàn)。該船的總裝機(jī)功率將達(dá) 27,500kW，船舶規(guī)模將增加37％。在研制過程中，我們將疏浚設(shè)備設(shè)計(jì)、制造和使用的經(jīng)驗(yàn)與在疏浚技術(shù)、造船學(xué)、輪機(jī)工程、材料技術(shù)、電氣工程、 ICT和控制技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展相結(jié)合。本文從歷史的角度和市場的眼光來分析這一新研制的挖泥船， 將它與早期耙吸挖泥船市場中出現(xiàn)的規(guī)模擴(kuò)大相比較，對(duì)其一些特有特征、功能要求、限制和條件加以分析。同時(shí)，還對(duì)一些次級(jí)系統(tǒng)的開發(fā)、以及選用的方法和遇到的問題加以分析。本文將討論土壤類型、船舶主尺寸、絞刀橋架（ 1550t）、絞車系統(tǒng)、定位樁（每根 230t）及其提升和臥到系統(tǒng)、泥泵系統(tǒng)（ 15800kW，在三臺(tái)泵之間分配）、各種電能系統(tǒng)、環(huán)境方面、振動(dòng)和噪聲問題的解決、流體動(dòng)力方面和船舶抗風(fēng)浪性能等。關(guān)鍵詞：絞吸挖泥船，自航，航海前言本文介紹了迄今為止建造的功率最大的自航絞吸挖泥船“”號(hào)。它的所有部件比原先建造的“馬可波羅”號(hào)和“達(dá)芬奇”號(hào)都要大，而且功率也更大。該船交付使用后，JANDENUL集團(tuán)將擁有三艘均由IHC建造的世界上最大和功率最強(qiáng)的自航絞吸挖泥船。啟動(dòng)投資如此巨大的一個(gè)項(xiàng)目蘊(yùn)含著諸多的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)楸仨氈匦驴紤]各種已知的限制因素，并且常常必須跨越這些限制因素。這些限制不僅存在于技術(shù)領(lǐng)域，也存在于財(cái)務(wù)和操作方面。本文僅對(duì)研制這艘絞吸挖泥船的技術(shù)方面加以討論。審視這一艘新船時(shí)，人們會(huì)提出兩個(gè)問題：是不是越大越好設(shè)計(jì)、建造這樣一艘船有什么要求是不是越大越好人們研制這種絞吸挖泥船是出自于要超越當(dāng)前這一代絞吸挖泥船在操作上存在某些限制的需要。因此，它必須在海況下具有更高的產(chǎn)量和更高的工作效率。為了正確看待啟動(dòng)這一項(xiàng)目的決策，本文將從歷史和市場的角度進(jìn)行分析，還將把“”號(hào)和其它大型絞吸挖泥船進(jìn)行比較。初看之下，該船很象是直接按照“達(dá)芬奇”號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造的一個(gè)較大的復(fù)制品。但實(shí)際情況并非如此。自從 1986年“達(dá)芬奇”號(hào)交付使用后的 17年里，發(fā)生了許多變化。新技術(shù)、新材料和新的自動(dòng)化設(shè)備被開發(fā)出來。但最重要的一點(diǎn)是在各種系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中功率和重量都增加了。對(duì)于 IHC來說，這意味著需要在設(shè)計(jì)、計(jì)算和實(shí)際建造中付出更多的努力和艱辛。對(duì)有些供應(yīng)商來說，所需要的某些系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了他們以往供應(yīng)的范圍。有時(shí)，在結(jié)構(gòu)上也會(huì)受到限制，因此必須尋找新的解決方案。圖1.“”號(hào)藝術(shù)印象圖出于以下幾方面的原因必須進(jìn)行創(chuàng)新：需要在性能方面超越現(xiàn)有的絞吸挖泥船，尤其是在海況條件下的作業(yè)能力；與環(huán)境和船員工作條件有關(guān)的法規(guī)；在經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)改進(jìn)的基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的改進(jìn)；適應(yīng)功率和重量的增加。因此，初看之下，該船及其各個(gè)系統(tǒng)似乎只是通常的做法。船上每樣?xùn)|西都是成比例的。這使得人們?nèi)菀淄浖词故鞘熘幕蚝唵蔚慕Y(jié)構(gòu)也需要多少創(chuàng)新，而這些創(chuàng)新被掩蓋在下面?！啊碧?hào)的設(shè)計(jì)和建造是JANDENUL集團(tuán)、IHC荷蘭公司和所有相關(guān)供應(yīng)商共同努力取得的巨大成就。這艘船是17年后建造的第一艘自航絞吸挖泥船，并且開始了新一代絞吸挖泥船的研制。所有的努力已變?yōu)榻?jīng)驗(yàn)并擴(kuò)展了許多有關(guān)人員的能力。歷史觀點(diǎn)本章從歷史的角度來分析“”號(hào)的研制。絞吸挖泥船絞吸挖泥船通常作為適用于各類土質(zhì)的一種非自航設(shè)備。而自航絞吸挖泥船則主要用于疏浚硬質(zhì)土和粘性土。安裝在絞刀橋架端部的絞刀用來破壞土壤的粘聚力、聚集泥土并產(chǎn)生泥漿。離心泵吸入泥漿并將其裝入泥駁或通過水上排泥管進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送。挖泥船通過插入海底的一根定位樁固定其位置。利用邊錨絞車和鋼纜進(jìn)行絞錨，使挖泥船繞著定位樁擺動(dòng)。一旦將土壤浚挖至規(guī)定的深度，整條船需要向前移動(dòng)一步。這可以利用一根輔助定位樁來實(shí)現(xiàn)，或利用定位樁臺(tái)車來實(shí)現(xiàn)，這樣可以減少定位樁的操作時(shí)間和提高產(chǎn)量。絞吸挖泥船設(shè)計(jì)和操作過程中的三個(gè)主要問題是：問題 所涉及的系統(tǒng)1. 產(chǎn)量 絞刀、泥泵、邊錨、定位樁系統(tǒng)、絞車2. 絞刀精確定位 絞刀架、邊錨、定位樁系統(tǒng)、絞車3. 切割力的傳遞 絞刀架、絞刀、邊錨、定位樁系統(tǒng)、絞車這三個(gè)問題相互作用，而各個(gè)系統(tǒng)集成多種功能。絞吸挖泥船起源最早的絞吸挖泥船 19世紀(jì)出現(xiàn)在美國。在美國它發(fā)展成為最主要的疏浚設(shè)備。歐洲和日本的挖泥船都采用了絞吸挖泥船的原理并不斷努力改進(jìn)設(shè)計(jì)提高性能。在歐洲，一直都是以荷蘭和比利時(shí)的疏浚公司和船廠為主在進(jìn)行創(chuàng)新。由于絞刀精確定位和切削力傳遞的原因，絞吸挖泥船最初僅用于沒有大浪的有掩護(hù)水域。它屬非自航挖泥船，被認(rèn)為不能在海況下施工。自航絞吸挖泥船然而，到了 70年代，在海況下疏浚硬土和巖石的需求顯著增長。荷蘭和比利時(shí)的疏浚承包商們意識(shí)到了這一潛在的國際市場并尋找解決方案。首批建造的是遠(yuǎn)洋、非自航重型絞吸挖泥船。隨后在1977年Zanen-Verstoep(現(xiàn)在的Boskalis)公司建造了“Aquarius”號(hào)，是由DeMerwede（1993年后并入IHC）船廠建造的。由此開創(chuàng)了一種新類型的絞吸挖泥船，也是第一艘大型自航絞吸挖泥船，其總裝機(jī)功率為12,750kW。盡管自航絞吸挖泥船的建造和使用成本都較高但人們依然選擇它的原因主要有兩個(gè)。第一，為了適應(yīng)在海況下工作，自航船舶裝備較好，能夠應(yīng)付大風(fēng)浪或無需幫助自行前往避風(fēng)場所。自航船舶能夠完全獨(dú)立地工作。第二，此類船舶的市場是國際化的，相對(duì)較小的工程分布在世界各地。自航挖泥船使調(diào)遣和調(diào)離的時(shí)間和費(fèi)用顯著降低。圖2.“Aquarius”號(hào)疏浚承包商間的競爭所有的疏浚承包商都彼此注視著對(duì)方。在設(shè)備方面有兩條適用法則。效仿法則是指一旦新一代的設(shè)備得到了驗(yàn)證，其余的所有人都會(huì)效仿。發(fā)展法則是指效仿者希望它變得更大、更重、功率更大。所有的自航絞吸挖泥船都是在隨后的數(shù)年內(nèi)建成的，例如“Oranje”號(hào)（Boskalis公司）和“馬可波羅”號(hào)（JandeNul公司）。1986年，隨著“BilbergI”號(hào)（現(xiàn)在稱為“Ursa”號(hào)）和“達(dá)芬奇”號(hào)的建成，自航絞吸挖泥船的開發(fā)停止了，而“達(dá)芬奇”號(hào)依然是在服役中的功率最大的自航絞吸挖泥船。80年代末，由于進(jìn)入經(jīng)濟(jì)不景氣時(shí)期各大疏浚承包商都遇到了問題。沒有新的投資，自航絞吸挖泥船的開發(fā)停止了。非自航絞吸挖泥船在70和80年代，在自航絞吸挖泥船發(fā)展的同時(shí)，非自航絞吸挖泥船也得到了改進(jìn)。由于來自中東的承包商和有關(guān)機(jī)構(gòu)不斷增長的需求，這些非自航絞吸挖泥船的開發(fā)并未停滯。從“Mashhour”號(hào)（蘇伊士運(yùn)河管理局，1996）和“AlSadr”號(hào)(阿聯(lián)酋國家疏浚公司NMDC，1999)可以看出規(guī)模在增大?！癕ashhour”號(hào)甚至比“達(dá)芬奇”號(hào)的裝機(jī)功率更大，但大部分功率都分配給了泵，分配給絞刀的功率比“達(dá)芬奇”號(hào)少得多。圖3.“AlSadr”號(hào)同類的自航耙吸挖泥船進(jìn)入90年代初期，隨著第一艘大型自航耙吸挖泥船“”號(hào)（現(xiàn)已出售并更名）的下水以及隨后為國際疏浚公司（DI，為DEME的成員）建造的第一艘超大型自航耙吸挖泥船“珠江”號(hào)，疏浚設(shè)備開始了新一輪的大發(fā)展。超大型自航耙吸挖泥船使大型土地吹填項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)上成為可行從而創(chuàng)造了自己的市場。整個(gè)自航耙吸挖泥船隊(duì)的現(xiàn)代化就此開始。設(shè)備的發(fā)展以及最重要的自動(dòng)化催生了超大型經(jīng)濟(jì)型船舶。正在此時(shí)，尺度的進(jìn)一步增大是否可行的疑問使這種發(fā)展趨勢停滯下來。“WDFairway”號(hào)（Boskalis公司）是其中最大的，艙容量擴(kuò)大到35,508m3，但有計(jì)劃要將“VascodaGama”號(hào)（JandeNul 公司）的艙容擴(kuò)大到 44,000m3，這證明了發(fā)展法則。隨著自航耙吸挖泥船長度的增加，使它有可能夠安裝更長的耙吸管，從而增加疏浚深度。IHC公司為JANDENUL公司“VascodaGama”號(hào)制造的160m深疏浚設(shè)備是迄今為止最長的。這些超大型自航耙吸挖泥船經(jīng)證明可與絞吸挖泥船相抗衡，它們能夠?qū)嵤┮郧爸荒苡山g吸挖泥船來實(shí)施的項(xiàng)目，并且更經(jīng)濟(jì)。由于安裝了艏吹裝置和改進(jìn)的抽艙系統(tǒng)，因此減少了對(duì)拋吹作業(yè)的需求，而這通常是由絞吸挖泥船來做的一項(xiàng)工作。圖圖4、“VascodaGama”號(hào)上的深水疏浚設(shè)備目前看來似乎超大型耙吸挖泥船的快速發(fā)展已經(jīng)結(jié)束，疏浚承包商們重新又把目光放在了自航絞吸挖泥船上。一個(gè)原因是大型自航絞吸挖泥船隊(duì)的平均船齡已達(dá)年。這意味著它們要么需要全面的升級(jí)，要么需要更新?lián)Q代。另一個(gè)原因是工程的類型不斷變化，必須尋找新的市場。與自航耙吸挖泥船的發(fā)展相對(duì)應(yīng)，這艘新的絞吸挖泥船可以稱作超大型絞吸挖泥船。如果上述兩個(gè)法則還適用的話，則這不可能是超大型自航絞吸挖泥船開發(fā)中的最后一艘。我們依然可以對(duì)波浪條件下作業(yè)的效率和適應(yīng)性加以改進(jìn)。市場觀點(diǎn)新建大型疏浚船舶需要大量的投資，這只能指望該船能夠承攬足夠的工程以償還該筆投資。還需明確的是建造和使用一艘自航絞吸挖泥船所增加的費(fèi)用會(huì)在施工和操作優(yōu)勢方面得到足夠的投資回報(bào)。為正確看待這筆投資，下面從市場角度加以分析。絞吸挖泥船的使用年限一艘自航絞吸挖泥船的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)使用年限很長。許多已經(jīng)建造的絞吸挖泥船，甚至已經(jīng)使用了20年，今天依然在服役。一個(gè)原因是其平均利用率較低，有足夠的維修時(shí)間。盡管在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)中已經(jīng)采用了現(xiàn)代化的設(shè)備、材料和自動(dòng)化系統(tǒng)，但疏浚設(shè)備的基本設(shè)計(jì)和方案依然非常堅(jiān)固，并且其價(jià)值已經(jīng)得到了證明。它們并沒有太大的改變，而且可以對(duì)現(xiàn)有的船舶在功率和自動(dòng)化方面進(jìn)行必要的升級(jí)。與耙吸挖泥船相比，絞吸挖泥船的靜荷載相當(dāng)?shù)汀Ｇ邢鲙r石、振動(dòng)和沖擊的動(dòng)荷載對(duì)直接接觸的構(gòu)件如絞刀齒和絞刀本身具有很大的影響。它們都能方便地加以更換。這些船舶的上部結(jié)構(gòu)如船體、絞刀橋架等被設(shè)計(jì)和建造得非常堅(jiān)固，能夠承受較大的恒載和振動(dòng)。它們不需要象耙吸挖泥船那樣進(jìn)行裝艙和卸載的循環(huán)作業(yè)。這類荷載對(duì)耙吸挖泥船船體的影響要比較大的恒載對(duì)絞吸挖泥船的影響大得多。絞吸挖泥船適用的工程適用于自航絞吸挖泥船這類船舶的土壤是硬質(zhì)土和粘性土， 包括堅(jiān)硬的或膠結(jié)砂、各種粘土、軟巖石或甚至堅(jiān)硬巖石。一艘超大型自航絞吸挖泥船適用的典型工程類型與耙吸挖泥船適用的類型不同。在大多數(shù)情況下，這類船舶用于遍布世界各地的相對(duì)較小的工程，諸如管線的近岸段、入海排污管、港口建設(shè)和海上工業(yè)的各種特殊工程。未來可以預(yù)見的一些長期工程有巴拿馬運(yùn)河或其它運(yùn)河的拓寬和長距離管路的敷設(shè)。自航絞吸挖泥船一艘自航絞吸挖泥船的選擇對(duì)該船的建造和使用都有重要的影響。缺點(diǎn)是由于海上航行船舶的一些特殊要求諸如船體、推進(jìn)系統(tǒng)和其它額外設(shè)備的安裝，會(huì)對(duì)平面布置和設(shè)計(jì)造成一些限制。操作方面需要配備合格的駕駛船員，成本較高。當(dāng)然對(duì)那些工期短的工程來說，一艘自航絞吸挖泥船的優(yōu)點(diǎn)十分明顯，它可以完全獨(dú)立地工作，可以到遙遠(yuǎn)的地方去。調(diào)遣和調(diào)離的時(shí)間和費(fèi)用都有限。用駁船運(yùn)輸非自航絞吸挖泥船的費(fèi)用非常昂貴，因?yàn)槭軙r(shí)間損失和保險(xiǎn)因素的影響。除此之外，僅僅是大型絞吸挖泥船的尺度就使它很難用半潛重件專用船或平底船運(yùn)輸。另外，拖帶中的風(fēng)險(xiǎn)也相當(dāng)大，并且不能隨意忽略這些風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)檫@些大型絞吸挖泥船的建造成本很高。這就意味著大型絞吸挖泥船能夠自航幾乎是必需的。有些承包商更喜歡非自航絞吸挖泥船，如阿聯(lián)酋國家疏浚公司（ NMDC）和蘇伊士運(yùn)河管理局。主要的原因是他們的區(qū)域市場不需要太多的運(yùn)輸。“Mashhour”號(hào)在蘇伊士運(yùn)河施工而“AlSadr”號(hào)在波斯灣作業(yè)。為了在世界各地的不同工程中使用這些船舶， 大多數(shù)自航絞吸挖泥船的平面布置都經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行多種配置，例如，可以在深度為 35m時(shí)挖掘粘土和裝駁而在深度為 10m時(shí)使用10km長的排泥管線挖掘巖石。 這要求絞吸挖泥船具有多用途、能夠快速改變以適應(yīng)新要求、能夠絞吸大量的粘性土和硬土。作為一臺(tái)獨(dú)立的設(shè)備，它們通常配備拋錨桿用于起錨和拋錨、裝駁設(shè)備、絞刀頭平臺(tái)、絞刀頭起吊設(shè)備、維修場地和工具、易于改變的泥泵配置、定位樁臺(tái)車和臥到裝置以及一臺(tái)大型移動(dòng)式甲板吊車。圖5.“馬可波羅”號(hào)正在裝駁輔助設(shè)備盡管大型絞吸挖泥船可以自航，但為了達(dá)到最佳施工效果還需要有一系列輔助設(shè)備。這需要一筆投資，這筆投資加上必需的備件和工具幾乎達(dá)到了和挖泥船本身費(fèi)用相同的數(shù)量級(jí)?！啊碧?hào)的全套輔助設(shè)備包括：- 絞刀頭 包括相關(guān)的絞刀齒和齒座。 在“”號(hào)交付時(shí)，會(huì)有12個(gè)新的絞刀頭。- 多用途工作船 這是一艘專用的自航工作船，用來起錨和鋪設(shè)浮管、為挖泥船運(yùn)輸備件、絞刀頭和其它必需品。該船長 28m，型寬，裝機(jī)功率為 1400kW。有一臺(tái)2600kNm的甲板吊，最大起重能力為 225t。帶有一個(gè)容量超過 400m3的艙室，也可以用作加油駁。- 浮管 直徑1000mm，帶球形接頭，工作壓力 38bar。- 重力錨 重170t。- 輔助浮箱 由浮箱和其它浮式設(shè)備所組成，用于錨定水上排泥管、鋪設(shè)水下排泥管、敷設(shè)錨纜等。- 陸上車間 裝備齊全的車間，裝備有起重機(jī)、絞刀操作器、焊接工具組和疏浚非常堅(jiān)硬土?xí)r維護(hù)和修理絞刀頭必需的所有其它設(shè)備。裝駁系統(tǒng)要求有護(hù)舷系統(tǒng)， 使大型駁船即使在惡劣的天氣條件下也能靠泊和駛離絞吸挖泥船。“”號(hào)的護(hù)舷系統(tǒng)重量超過 220t。絞吸挖泥船還需要配備大型駁船，用于運(yùn)輸和處置疏浚土。除了 JanDeNul公司船隊(duì)現(xiàn)有的船體對(duì)開泥駁，現(xiàn)已訂購了4艘新的3700m3駁船（型號(hào) SB313）以配合“”號(hào)施工。表1. 船體對(duì)開泥駁GeelvinckMagellanoNinaSB313艙容量（m3）1800200034003700船長（m）808092載重量（ton）2700360050006200船舶數(shù)量3324絞吸挖泥船的性能很難對(duì)絞吸挖泥船的性能加以預(yù)測和比較因?yàn)樯婕暗膮?shù)較多。 每一個(gè)工程都有其特殊的環(huán)境，存在特定的困難，若要真正進(jìn)行比較，就需要讓兩艘絞吸挖泥船并排工作。一種比較簡便的比較方法就是觀察功率和泥泵的特性。這些可以反映出船舶的性能，但不能反映出對(duì)環(huán)境因素諸如土壤、巖石和天氣條件的反作用。在實(shí)踐中，“達(dá)芬奇”號(hào)的一些極限性在其使用年限中已經(jīng)被擴(kuò)展。許多艱巨的工程已經(jīng)被完成，未來還會(huì)有更多。無論工程如何要求， “達(dá)芬奇”號(hào)總是不太適合這些工程。要在這些工程中施工需要有一艘性能超越“達(dá)芬奇”號(hào)的絞吸挖泥船。被突破的極限包括絞刀功率、邊錨絞車功率、絞刀橋架的重量和泥泵的功率。下面一章與其它大型絞吸挖泥船進(jìn)行比較。提高效率是超越“達(dá)芬奇”號(hào)的另一種方法。這通過加長定位樁臺(tái)車的行程和滑槽的重量來實(shí)現(xiàn)。完全依靠尺度和重量就能提高該船在涌浪和風(fēng)浪中的性能，因?yàn)橥ㄟ^它們就可以縮短由于波浪條件所造成的停工時(shí)間。競爭所有已經(jīng)擁有（自航）絞吸挖泥船的疏浚公司都會(huì)預(yù)測競爭的到來。這艘采用最先進(jìn)的技術(shù)、結(jié)合 20年使用經(jīng)驗(yàn)并運(yùn)用規(guī)模經(jīng)濟(jì)學(xué)加以設(shè)計(jì)的新建船舶，使得“”號(hào)具有優(yōu)勢。預(yù)計(jì)它會(huì)以其 35m的疏浚深度、海上的適航能力和絞刀的功率創(chuàng)造自己的市場份額。如果其它的主要承包商們接受這一挑戰(zhàn)，我們不會(huì)感到驚訝。因?yàn)楝F(xiàn)有的絞吸挖泥船都已經(jīng)相當(dāng)老了，船齡都在 20年左右，為保持競爭力和處于良好狀態(tài)，都已經(jīng)進(jìn)行了改造或需要進(jìn)行大的改造。圖6. “達(dá)芬奇”號(hào)“”號(hào)的特征對(duì)“”號(hào)加以說明的最佳方法就是把它的特征與它之前的產(chǎn)品和一些競爭對(duì)手進(jìn)行比較。設(shè)計(jì)原理“”號(hào)的設(shè)計(jì)是在“馬可波羅”號(hào)和“達(dá)芬奇”號(hào)的基礎(chǔ)上適應(yīng)新要求的進(jìn)一步發(fā)展。對(duì)那些運(yùn)轉(zhuǎn)良好的組成部分和系統(tǒng)已經(jīng)按照現(xiàn)代的標(biāo)準(zhǔn)加以設(shè)計(jì)。這些船舶在20多年的使用中所積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)在研制和確定該船技術(shù)規(guī)格的過程中起到了重要的作用?！榜R可波羅”號(hào)和“達(dá)芬奇”號(hào)是按照能夠獨(dú)立地在世界各地承接各種類型的工程進(jìn)行布置和設(shè)計(jì)的?！啊碧?hào)保留了這一理念，并增加了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：性能超越現(xiàn)有的任何絞吸挖泥船，并擴(kuò)展絞吸挖泥船的能力極限；提高在海洋條件下的作業(yè)效率和適應(yīng)性。為了滿足第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，增大了絞刀和泥泵的功率。通過提高船舶的尺度和重量來改善對(duì)波浪和涌浪的反作用， 例如絞刀橋架的重量增加到 1550t。其它措施包括在絞刀橋架的提升鋼纜和定位樁的提升鋼纜上采用波浪補(bǔ)償器。同時(shí)，還通過模擬和計(jì)算以改進(jìn)設(shè)計(jì)并確保建造質(zhì)量優(yōu)異，特別重視細(xì)部設(shè)計(jì)，從而提高了該船的性能。非自航絞吸挖泥船船體和各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相對(duì)比較容易， 不必都要滿足海上航行船舶的規(guī)范。而自航絞吸挖泥船必須是正式的海上航行船舶，必須符合相應(yīng)的規(guī)范和規(guī)定并能經(jīng)受住任何嚴(yán)峻的海況。其設(shè)計(jì)是最優(yōu)疏浚設(shè)施與造船要求折衷的產(chǎn)物。該船按照BureauVeritas 船級(jí)社下列船級(jí)標(biāo)準(zhǔn)建造：船體MACH挖泥船無限制航行AUT-UMS主要特征在表2中列出了幾艘自航絞吸挖泥船和兩艘非自航絞吸挖泥船的主要特征值。所有數(shù)值盡可能采用原始的竣工技術(shù)規(guī)格以反映功率的演變。最新的技術(shù)規(guī)格數(shù)據(jù)可能與此不同，因?yàn)檫@些挖泥船經(jīng)過長期使用后大多數(shù)都進(jìn)行了更新改造。從“Aquarius”號(hào)到“”號(hào)，功率的發(fā)展十分清晰。這些主要的特征值表明隨著“”號(hào)的誕生絞吸挖泥船開始進(jìn)入新一代。 6000kW的絞刀功率比以往增加了約30％。15800kW的泥泵功率比“Mashhour”號(hào)增加了 20％，最大的輸送壓力達(dá) 38巴。邊錨絞車的標(biāo)稱拉力為 1400kN，最大拉力為1850kN，提高了約20％。排泥管的直徑增大到 1000mm。為固定該船，采用了230t的定位樁和20t的邊錨。定位樁臺(tái)車的行程增加到 9m。表2船東 JANDENUL 集團(tuán) JANDENUL 集團(tuán) BOSKALIS JANDENUL集團(tuán)DI(從DCI租船)NMDC蘇伊士運(yùn)河管理局造船編號(hào)IHCCO1234IHCCO1175O&KNr.775IHCCO1127DeMerwedeIHC02329IHCCO1210建造年代2003198619861979197719991996類型自航自航自航自航自航非自航非自航總長m116107浮箱總長 m 110型寬m201919型深m6吃水m總裝機(jī)功率kW27190202301587114772125122020022669疏浚深度m6-302530252735吸泥管直徑mm10009009509008509001000排泥管直徑mm1000900900900850850900絞刀功率 kW 6000 4400 3960 2940 1990 2200 2400（最大3000）絞刀直徑（最大） mm 3600 3600 3640 2940 2780 34703640絞刀直徑（平均） mm 3000 2860 2620 2617 2502 28002900絞刀轉(zhuǎn)數(shù) rpm 31 31 38 31 40 30 24絞刀扭距kN15711132796725475700955絞刀橋架重量t15501035125580060011001150潛水泵功率 kW 3800 2735 2200 2280 1765 22002400船內(nèi)泵功率 kW 2 ×6000 2 ×4485 2 ×3700 2 ×3310 2 ×2800 2 ×4200 2 ×5400泥泵總功率 kW 15800 11705 9600 8900 7365 1060013200艏邊錨絞車功率 kW 575 485 490 295 295 400 350艏邊錨絞車速度m/min21-4020182523艏邊錨絞車?yán)N140012101350900900850800定位樁直徑m22定位樁重量t230130125928088160推進(jìn)力kW2×38002×273574002×22802×870非自航非自航航速kn－－艙室－60413045243073疏浚特征對(duì)各絞吸挖泥船的性能進(jìn)行比較是一個(gè)困難的問題，因?yàn)樯婕霸S多參數(shù)。在前面的章節(jié)中，對(duì)一些基本情況進(jìn)行了比較。本節(jié)根據(jù) MTI荷蘭的DAS集團(tuán)進(jìn)行的計(jì)算，依據(jù)可用的泥泵和絞刀的特征值進(jìn)行了簡單的比較。一艘絞吸挖泥船的產(chǎn)量受到可用泥泵功率和絞刀產(chǎn)量的限制。關(guān)于一艘絞吸挖泥船絞刀功率、泥泵功率和其它參數(shù)之間關(guān)系的分析，建議參閱“絞吸挖泥船的功能要求”一文（詳見《港口與疏?！返?147期）。在圖7中，對(duì)一些絞吸挖泥船的泥泵性能進(jìn)行了比較。 本圖是按中細(xì)沙計(jì)算的。圖中，虛線表示切削極限。計(jì)算依據(jù)原始設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)格書。考慮到功率的數(shù)值和絞刀的重量，預(yù)測“”號(hào)的絞刀產(chǎn)量極限值會(huì)較高。從這些數(shù)字可以預(yù)測絞吸挖泥船的性能和能力會(huì)創(chuàng)造新的極限值。 當(dāng)然這還有待于在實(shí)踐中加以證明。圖7、疏浚特征設(shè)計(jì)和制造中的創(chuàng)新前面一章中簡單明了的數(shù)據(jù)說明了功率和重量的增加。要做到這一點(diǎn)，并非現(xiàn)有各系統(tǒng)簡單外推的結(jié)果，而需要所有相關(guān)人員的努力和創(chuàng)造力。本章將對(duì)這些努力做一介紹。簡介“”號(hào)在下列這些方面與眾不同：各方面的功能都是最強(qiáng)大；效率最高；最重；自1986年以來是同類中的第一艘；創(chuàng)造了一種新級(jí)別的船舶。該項(xiàng)目采用的方法是綜合 IHC各種現(xiàn)有的知識(shí)并與 JandeNul 和各子系統(tǒng)供應(yīng)商密切合作。對(duì)以下各方面給予特別的重視：計(jì)算： 應(yīng)力、扭距和其它振動(dòng)、噪音、模擬、流體力學(xué)、有限元法（FEM）、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（ CFD）系統(tǒng)集成 自動(dòng)化、全部以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電、動(dòng)力管理環(huán)境 環(huán)境噪音、避免水污染船員 住艙、噪音、振動(dòng)、氣候控制實(shí)際建造 高標(biāo)準(zhǔn)、焊接、檢查圖8.“”號(hào)下水計(jì)算和模擬為了對(duì)安裝在船上的幾乎所有系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)并加以改進(jìn)，廣泛應(yīng)用了計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算和模擬。對(duì)所有重要的和重負(fù)荷區(qū)域都運(yùn)用有限元法（FEM）進(jìn)行了計(jì)算。對(duì)靜載和動(dòng)載都進(jìn)行了模擬。大型構(gòu)件如整個(gè)絞刀橋架和定位樁臺(tái)車。計(jì)算結(jié)果對(duì)這些大型構(gòu)件的細(xì)部結(jié)構(gòu)在應(yīng)力和疲勞方面的優(yōu)化提供了資料。其它詳細(xì)計(jì)算的例子有：絞刀橋架的耳軸、臥倒軸和鎖定銷、船體、雙層底、定位樁、應(yīng)急備用定位樁提升系統(tǒng)、船舶舷側(cè)尤其是駁船系泊時(shí)的撞擊作用，等等。進(jìn)行動(dòng)載計(jì)算是為了了解振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并限制疲勞的破壞作用?；谶@些計(jì)算結(jié)果已經(jīng)對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)詳圖進(jìn)行了改進(jìn)。對(duì)該船上的各個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置都進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)計(jì)算。不僅對(duì)各個(gè)通常的系統(tǒng)如推進(jìn)驅(qū)動(dòng)軸和絞刀驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行了計(jì)算，還檢驗(yàn)了振動(dòng)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響。其它計(jì)算還包括振動(dòng)計(jì)算，以降低對(duì)人和機(jī)器的振動(dòng)水平，對(duì)噪音也進(jìn)行了計(jì)算，以降低住艙內(nèi)的噪音水平和環(huán)境噪音水平。MTI 荷蘭公司專門為客戶進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬。例如動(dòng)態(tài)絞刀作業(yè)模擬。該模擬的結(jié)果被用作扭轉(zhuǎn)、疲勞和應(yīng)力計(jì)算的輸入數(shù)據(jù)。還對(duì)定位樁在受限制的自由下落狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了模擬。這是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，即定位樁懸掛在其提升鋼索上下落。通過該提升鋼索可以利用提升絞車上的制動(dòng)器控制自由下落。定位樁撞擊地面后會(huì)使鋼索形成一定的松弛量，這需要由波浪補(bǔ)償器的液壓缸收起。專門進(jìn)行的一項(xiàng)多參數(shù)模擬使人們可以深入了解定位樁的動(dòng)態(tài)過程。根據(jù)模擬結(jié)果改進(jìn)了控制系統(tǒng)。如前所述，船體的形狀是疏浚要求和造船學(xué)之間的折衷產(chǎn)物：為在狹窄的航道內(nèi)開挖邊坡要求船體較短，要具有流暢的線型以便將水流導(dǎo)向螺旋槳，同時(shí)還應(yīng)有足夠的浮力來補(bǔ)償絞刀橋架的重量。為了對(duì)該自航絞吸挖泥船的船體形狀和推進(jìn)器的布置進(jìn)行優(yōu)化，荷蘭造船研究所（ MARIN）進(jìn)行了廣泛的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）計(jì)算，隨后流體力學(xué)最終設(shè)計(jì)的有效性通過模型試驗(yàn)得到了證明。MARIN還進(jìn)行了流體力學(xué)模擬研究，以預(yù)測該挖泥船在海況下的性能，這對(duì)于獲得設(shè)計(jì)條件和了解船舶運(yùn)動(dòng)對(duì)疏浚作業(yè)連續(xù)性的影響尤其重要。各系統(tǒng)的集成兩大原則對(duì)該船的設(shè)計(jì)具有重要的影響。 它們是全部采用柴油發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的概念和自動(dòng)化系統(tǒng)的全集成。全部采用柴油發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的概念是這種類別的船舶的一大重要?jiǎng)?chuàng)新。 該船是第一艘運(yùn)用這一原則設(shè)計(jì)的自航絞吸挖泥船。三臺(tái)主柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)三臺(tái)發(fā)電機(jī)向所有的用電設(shè)備供電，包括絞刀電動(dòng)機(jī)、泥泵電動(dòng)機(jī)、絞車電動(dòng)機(jī)、液壓電源組及所有其它設(shè)備。這對(duì)船舶設(shè)計(jì)的影響是巨大的，一方面在平面布置上有更多的自由，另一方面設(shè)計(jì)必須考慮大量的高壓電纜、變壓器和變頻器。用于絞刀驅(qū)動(dòng)、推進(jìn)器和水下泥泵的電動(dòng)機(jī)是相同的。設(shè)計(jì)中做了必要的考慮以方便其更換，從而在發(fā)生事故時(shí)減少停工時(shí)間。自動(dòng)化的數(shù)量和類型在世界上領(lǐng)先， 可以與當(dāng)前超大型耙吸挖泥船所具有的高標(biāo)準(zhǔn)相媲美。所有的報(bào)警系統(tǒng)均集成到一個(gè)控制系統(tǒng)。通過遍布在整艘船上的幾個(gè)工作站可以監(jiān)視和控制所有的子系統(tǒng)。 電子海圖系統(tǒng)可以提供疏?，F(xiàn)場的資料。安裝了以前只有在耙吸挖泥船上使用的動(dòng)力管理系統(tǒng)來調(diào)整供給各個(gè)設(shè)備的動(dòng)力。環(huán)境關(guān)注環(huán)境非常重要，特別重視限制潤滑油和其它污染物質(zhì)的使用。定位樁臺(tái)車內(nèi)的復(fù)合軸承是免維護(hù)的，不需要潤滑。絞刀軸需潤滑的軸承安裝有專門的潤滑油回收系統(tǒng)，收集所有廢油。距離該船25m處發(fā)散的聲音不應(yīng)超過 75dB（A）。這已經(jīng)通過采取一系列措施得以實(shí)現(xiàn)，如通過主機(jī)和許多其它甲板設(shè)備的撓性安裝降低振動(dòng)、通過采用撓性連接降低齒輪箱和絞車的噪音、還有設(shè)備周圍大量使用隔音材料。通過設(shè)計(jì)，絞車在1m距離處發(fā)散的最大噪音為83dB(A)。船員在絞吸挖泥船上工作的經(jīng)歷是又嘈雜又振動(dòng)；而 JANDENUL公司的傳統(tǒng)是船員長期生活在船上。因此，已經(jīng)采取了許多措施降低噪音和振動(dòng)，使船上的生活更舒適。在船員住艙內(nèi)有健身房、酒吧、桑那和電視房。總體上，艙室是按非常高的標(biāo)準(zhǔn)建造的。該船是按照在世界各地施工進(jìn)行設(shè)計(jì)的，既包括北極地區(qū)也包括熱帶地區(qū)（-20°C到45°C之間）。布置了空調(diào)和暖通系統(tǒng)以保持艙室內(nèi)宜人的條件。艙室內(nèi)的噪音被限制在60dB(A)，工作區(qū)域內(nèi)在65dB(A)。降低各個(gè)系統(tǒng)噪音的措施在前一章中已經(jīng)討論過。專門為船員采取的措施包括將配有廚房、餐廳、娛樂室、桑那、健身房、酒吧和電視房的服務(wù)甲板布置在艙室和機(jī)艙之間，采用隔音的浮隔地板覆蓋層，將疏浚管路支架與住艙分開。為了進(jìn)行噪音設(shè)計(jì)并加以改進(jìn)，進(jìn)行了大量的噪音計(jì)算。通過整艘船的設(shè)計(jì)和施工，尤其是絞刀橋架、主發(fā)動(dòng)機(jī)的撓性安裝和各種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，把令人不適的振動(dòng)限制到最小。在設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用動(dòng)態(tài)有限元法（ FEM）計(jì)算對(duì)這些振動(dòng)加以量化并降低振動(dòng)。特別要求對(duì)主機(jī)（ 8400kW）進(jìn)行撓性安裝，功率如此之大的主機(jī)在疏浚業(yè)是不尋常的。同時(shí)所有的配電盤都采用了撓性安裝。建造實(shí)踐建造過程非常精心。在必要的地方，對(duì)焊接處采用X射線進(jìn)行檢驗(yàn)。船體、絞刀橋架和定位樁臺(tái)車的結(jié)構(gòu)經(jīng)過認(rèn)真設(shè)計(jì)，以限制振動(dòng)和應(yīng)力集中。為減少應(yīng)力集中和避免疲勞載荷產(chǎn)生的破壞， 尤其是在絞刀橋架和定位樁臺(tái)車的結(jié)構(gòu)中：對(duì)所有邊緣都進(jìn)行了磨光；所有的過渡段和結(jié)構(gòu)變化處都十分流暢；所有鋼板厚度發(fā)生變化處均作斜角處理；橫梁和艙壁上的開孔做得非常圓；始終安裝支撐托架；所有的焊接都是連續(xù)的、精心加工并磨光。子系統(tǒng)中的創(chuàng)新本章將討論一些特殊的子系統(tǒng)。絞刀設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)要求就是使用和“達(dá)芬奇”號(hào)相同的絞刀。這與螺紋和泥泵吸口都有關(guān)系。所采用的“千年螺紋”比普通螺紋能多承受50％的功率。隨著吸泥管直徑的增大和采用大型絞刀軸承，幾乎沒有空間安裝泥泵吸口。所采用的絞刀大約重35t。專門為這些絞刀設(shè)計(jì)了新的絞刀齒系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)該能夠承受該絞吸挖泥船按設(shè)計(jì)要承擔(dān)的重型工程。絞刀橋架絞刀橋架重1550t，為了能夠在至35m的水深下作業(yè)，安裝了高、低耳軸軸承座。耳軸銷的直徑為1300mm，并具有青銅軸承襯套。在軸承襯套內(nèi)覆有鉻鎳鐵合金層，以提供一個(gè)光滑而無腐蝕的工作表面。在其中部添加了一個(gè)平放點(diǎn)。“”號(hào)可以依靠自己在兩個(gè)支點(diǎn)之間轉(zhuǎn)換絞刀架。在設(shè)計(jì)和制造中采取了專門的措施防止振動(dòng)、應(yīng)力集中和疲勞破壞。銷和軸襯的尺寸在冷縮裝配要特別當(dāng)心。為了滿足非常小的對(duì)準(zhǔn)和尺寸的公差，要求在現(xiàn)場加工。圖9. 運(yùn)輸中的絞刀橋架，機(jī)艙內(nèi)裝有驅(qū)動(dòng)絞刀的兩臺(tái)電動(dòng)馬達(dá)和箱絞刀驅(qū)動(dòng)齒輪箱

220t

重的齒輪非同尋常的 6000kW絞刀功率將用安裝在絞刀橋架頂部機(jī)艙內(nèi)的兩臺(tái)電動(dòng)馬達(dá)傳遞。這一功率通過一個(gè)特殊的 220t重的Jahnel齒輪箱傳遞，該齒輪箱比 Jahnel所制造的任何其它齒輪箱要重 60t左右。這意味著在齒輪、軸承和軸的設(shè)計(jì)和制造過程中要特別的精心。采用了特殊的硬化材料用以承受齒輪內(nèi)的齒應(yīng)力。這些齒輪的制造達(dá)到了物理可能的極限。疏浚設(shè)備水下單殼泵和兩臺(tái)艙內(nèi)雙殼泵均為 IHC制造的。艙內(nèi)泵的設(shè)計(jì)傳輸壓力高達(dá) 38巴。船上的管子全是雙壁式的，在提供強(qiáng)度的外層低碳鋼管內(nèi)有一層非常堅(jiān)硬的鑄鋼耐磨內(nèi)襯。兩者之間的混凝土將兩者粘結(jié)在一起。為檢驗(yàn)有限元法（FEM）的計(jì)算結(jié)果，疏浚管路中所使用的某些閘閥的測試壓力超過50巴。為做到這一點(diǎn)，專門進(jìn)行了準(zhǔn)備工作。泵艙很寬敞，便于維護(hù)和更換。可以快速地從裝駁配置轉(zhuǎn)換成水上排泥管配置。圖10.1550t絞刀橋架的安裝裝駁系統(tǒng)裝駁系統(tǒng)按照可以在涌浪和波浪條件下作業(yè)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。在挖泥船舷側(cè)安裝的護(hù)舷系統(tǒng)對(duì)該船和駁船起到保