冯沛洪，胡京招*，李忠，班育博

（1．中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 201208；2．中港疏浚有限公司，上海 200129）

0 引言

耙吸挖泥船作为疏浚行业主力船舶，在各类航道疏浚、港口建设、吹填造地工程项目中发挥着重要作用。长江黄金水道深水航道整治维护、洋山深水港建设和航道疏浚、港珠澳大桥岛隧工程等国家重点工程建设过程中耙吸挖泥船都发挥了重要作用。时至21世纪，随着世界各国对节能减排和环境保护的要求日渐提升，业主对疏浚工程的施工要求也随之提高，要求施工船舶在确保施工质量、进度和安全的同时，对水文环境不能造成新的污染[1]。因此，各施工企业和设计单位在研发设计施工船舶过程中，把节能和环保的性能作为关键指标纳入设计理念中。

中交上海航道局有限公司无论在总舱容量还是在船舶技术性能方面，均处于国内外领先水平[2]。早在2002年，中交上航局便引进了荷兰IHC设计建造的万方耙吸挖泥船“新海龙”轮，在国内尚属首例。该轮先进的设计理念、优化的整船疏浚性能和强大的施工能力带动了国内整个疏浚装备行业的发展[3]。近期6 500 m3耙吸挖泥船的研发设计和建造，是继“新海龙”轮之后，中交上航局再一次和荷兰IHC公司开展整船研发设计的合作项目（见图1）。设计理念中融合了高效节能的经济性指标和低排放低污染的环保性指标。在其疏浚系统设计中，提出了装舱效率高、卸泥速度快、溢流损失低和溢流扩散污染小的要求[4]。

图1 6 500 m3耙吸挖泥船侧视图Fig.1 Side view of 6 500 m3TSHD

本文针对6 500 m3耙吸挖泥船疏浚系统研发设计中采用的先进理念和新型疏浚装备技术进行总结和分析，将全船疏浚系统分为挖掘子系统、装舱溢流子系统、抽舱卸泥子系统、疏浚控制子系统共4个子系统进行分别研究，对比分析其各个子系统的特点和性能，总结新建6 500 m3耙吸挖泥船整船疏浚系统的优势，为后续国内耙吸挖泥船疏浚系统和疏浚装备的研究设计提供参考。

1 新型挖掘系统研究

耙头是耙吸挖泥船的关键装备，其挖掘性能直接影响船舶的施工产量。近几年，国内对疏浚耙头的性能研究不断深入，从耙头高压冲水喷射角度、喷嘴直径、喷嘴布置的系列研究到耙头引水天窗的尺寸设置和开闭控制研究，都取得了一定的成果，并且转化为多个成功应用的实例。在对耙头耙齿切削性能的研究方面，中交疏浚技术装备国家工程研究中心通过物理模型挖掘试验和计算机数值模拟土体切削分析，研究结果发现，耙齿对地的切削角度对耙头的挖掘效率和挖掘阻力有较大的影响，并且对于不同土质，耙齿对地的最佳切削角范围是不同的。目前，在耙头设计过程中，由于耙头与土体切削作用产生的挖掘作用力较大，为确保耙齿及齿座在施工中不被拉断，耙头结构设计中耙齿及齿座均为固定焊接式。

新建6 500 m3耙吸挖泥船配备了最新研发的针对挖掘板结砂土质的“IHC威龙”型耙头和针对挖掘黏土土质的“IHC黏土”型专用耙头。其中，“IHC黏土”型专用耙头除了配置高压冲水和引水窗外，研发设计了可调角度型耙齿，如图2所示，在不同施工深度和疏浚土质工况下，通过调节耙齿对地角度来获得最佳的耙齿切削角，有效提高疏浚浓度，极大地增强了耙头的工况适应能力。

图2 可调角度型耙齿的黏土专用耙头Fig.2 Clay draghead with adjustable angle teeth

2 装舱溢流系统研究

2.1 环保溢流阀的应用

耙吸挖泥船在装舱过程中，通过溢流来达到最大的装舱量，是施工过程一个重要的环节。但是，在溢流过程中，通过溢流筒溢流出的低浓度混合物因为含有少部分泥沙而在进入水体后在水体表面形成悬浮物颗粒，造成水体的悬浮颗粒污染[5]。经过研究发现，泥沙密度大于水密度，能够在水体表面长时间悬浮的一个直接原因是泥沙混合物在进入水体时携带了大量的空气，促使混合物进入水体后，泥沙颗粒不能够及时沉降而处于悬浮状态，进而引起水体表面的悬浮扩散污染。

环保型溢流阀的设计理念即来源于此，通过在溢流筒底部设置一个可开闭的环保阀，如图3所示，在溢流过程中通过持续调整阀体开合角度，在溢流筒内储蓄一定高度的水体，直接降低了溢流混合物进入溢流筒后的垂直降落高度，即极大减小了溢流混合物与空气接触的时间和速度，进而减少溢流混合物内的空气含量。通过环保阀的开口区域，溢流混合物进入水体后能够迅速沉淀，有效降低了溢流混合物中泥沙在水体中的悬浮时间，达到降低悬浮扩散污染的目的，提高了整船施工的环保性能。

图3 增设环保阀的溢流筒Fig.3 Overflow duct with hydraulically operated valve

对于某些禁止溢流的区域，通过保持溢流阀关闭，可以使耙吸挖泥船泥舱与外部水域的完全隔离，从而实现船舶挖泥施工过程的零溢流、无污染。

2.2 节能型单耙臂施工理念

近年来，随着世界各国对工程施工节能减排要求的提高，施工企业对船舶施工精细化管理要求也越来越高。因此，在耙吸挖泥船的设计建造中，单耙臂系统的应用也逐渐盛行。

6 500 m3耙吸挖泥船的设计选择配置了单耙臂系统，即在船体右舷侧设置单耙臂系统。与此对应，机舱内2台主机分别采用右舷侧主机一拖二配置（主机同时驱动推进器和泥泵），左舷侧主机一拖三配置（主机同时驱动推进器、主发电机和高压冲水泵）。单耙臂系统设计的优势在于，同样推进功率下，有更大的推力分配，使单耙头得到更大的挖掘力，破土能力更强。因此，在某种意义上，同一挖掘能力下，装机功率减少，从而达到节能目的。

同时，单耙臂系统施工过程中可以选择泥泵的大流量高效工况点装舱，加大耙头切入土体深度，使耙头和泥泵的配合达到最佳施工效率点。因此，同样舱容下，单耙臂系统的装舱时间与双耙臂系统的装舱时间并非为两倍的关系，双耙臂系统装舱时间40 min，单耙臂系统装舱时间只需约1 h。

此外，适当延长装舱时间有利于泥浆在泥舱内的充分沉淀，最大程度减少溢流损失，达到环保节能的效果[6]。

在国外，单耙设计已被欧洲疏浚公司广泛采用，尤其是在挖掘中细砂的情况下，浓度可以提高40%以上，这种设计基本可以满足装舱时间的要求，而且单耙臂设计还具有维护保养简单，节省50%的耙管成本费用等优势。

3 抽舱卸泥系统的优化研究

3.1 抽舱系统的优化

抽舱排岸是耙吸挖泥船常规施工中的一种重要工况，整个抽舱系统的流畅作业对施工效率有直接的影响。目前的耙吸挖泥船，抽舱管系的类别主要有设置于三角舱内的抽舱管和设置于泥舱内的抽舱通道，与之相应匹配的抽舱门设备分别是置于泥舱内的提拉式抽舱小泥门和置于泥舱内的翻板式抽舱门。两种设备均是采用将液压油缸置于泥舱甲板，连杆通过泥舱连接小泥门的形式，此种形式下的优点是液压油缸处于泥舱外，不受装舱影响且便于维护。缺点则是经常出现拉杆被泥浆压弯，抽舱小泥门打开困难。或者是长时间之后，拉杆链条被拉伸，小泥门关不严密。

本船则采用抽舱管系配备抽舱闸阀的形式，将闸阀与抽舱管系统一布置于纵向三角舱内，直接避免了抽舱门拉杆在泥舱内容易被泥浆沉淀压弯变形的问题。此种设计理念将抽舱设备与泥浆彻底隔离放置于船体内，对于设备的保护和后期的检查维护具有很大的优势，尤其是对于纵向三角舱空间体积较大的船型，其优势和便利性更为明显。

3.2 方形泥门的优化

目前耙吸挖泥船的泥门类型中，以锥形泥门和对开式方形泥门为主。锥形泥门结构简单，如图4所示，整体呈圆锥形，与船体底部圆形开孔的泥门框相对应。锥形泥门通过拉杆与位于泥舱甲板的液压油缸相连。在液压油缸作用下，锥形泥门下放与船体泥门框脱开即为打开状态，上升与泥门框对应贴合即为关闭状态。整个运转过程可靠性较高，不易变形，缺点是由于打开面积较小，抛泥效率较低。对开式方形泥门由两扇方形泥门组成，如图5所示，泥门通过铰链安装在船体底部开口区域，并通过连杆与泥舱甲板上的液压油缸连接。在液压油缸的作用下，对开泥门向下打开即为抛泥状态，向上合拢与船底齐平即为关闭状态。整个过程泥门打开面积大，泥舱内疏浚物顺泥门表面下滑进入海底，抛泥效率高。但由于方形泥门的开闭都要绕铰链转动，铰链与船体之间的间隙容易卡入异物、堆积泥沙，进而造成泥门关不严密，长时间的强行关闭还会造成方形泥门和铰链的变形，最终导致泥门渗漏。基于此，尽管方形对开式泥门的抛泥效率高，许多耙吸挖泥船设计者也不敢轻易采用，宁愿选择可靠性高的锥形泥门。

图4 锥形泥门结构Fig.4 Conical bottom door

图5 方形泥门Fig.5 Square shape bottom door

本船设计采用了抛泥效率高的方形对开式泥门，保证了整艘船疏浚系统的施工效率。同时，针对方形泥门开口大、铰链区域泥沙堆积引起铰链和泥门变形的问题，进行了一系列的优化改进。首先在设计上进行了加强，保证了其受力后的刚性。其次，方形泥门在铰链位置设计了转圆结构，与泥门框相对应，保证泥门在开闭过程中，铰链区域的间隙一直被转圆结构填充，阻止了异物和泥沙的进入和沉积，解决了泥门及铰链结构因卡入异物和泥沙堆积而导致变形的问题。

同时，在方形泥门四周区域，配置了一组角度有序的旋流型高压冲水喷嘴，卸泥时高压水流在泥门区域高速冲刷，带动泥浆形成旋流流态，减少泥浆在泥门区域的附着，加速卸泥过程，提高效率。

4 疏浚控制系统的设计应用

疏浚控制系统采用了IHC最新研发成果“一人疏浚控制（One person dredging control）”系统。船舶在航行控制台和疏浚控制台均设置了“一键疏浚”按钮。施工参数设定后按下“一键疏浚”按钮，APSS（耙臂系统自动顺序）系统首先启动，耙臂系统被提升并推出舷外，下放至舷侧吸口位置。此时，所有启动泥泵和高压冲水泵所需的辅助设备都被激活，包括封水系统、润滑系统及疏浚阀组预置。在耙头入水及达到预设深度中，泥泵和高压冲水泵自动合排，所有相关的自动疏浚控制子系统AWC（Automatic Winch Control System）、ADC（Automatic Draught Control System）、AVC（Automatic Visor Control System）、EPC （Eco pump controller）、ALMO（Automatic Light Mixture Overboard System）启动运行，耙头继续下放到达预设挖深位置，开始疏浚过程。在耙头挖掘过程中，自动控制系统会根据浓度变化对耙头姿态进行微调，确保正常高效施工，避免浓度过大或过小。完成挖泥过程后，自动起耙并将耙臂系统归位。这一自动化疏浚控制系统将最优化的施工方法与操耙工艺相结合并形成规则化和程序化，可保持稳定的产量[7]。据疏浚测试数据显示，在整合并启动激活TSC（Trail Speed controller）、AVC（Automatic Visor Control System）、AWC（Automatic Winch Control System）和EPC（Eco pump controller）功能时，使用自动化系统的施工产量预期比人工操作平均提高约15%。

5 结语

全船疏浚系统是一个整体，各疏浚设备相互之间匹配才能够发挥出最佳的施工效率，仅仅单个疏浚设备性能的提升是不够的，甚至会造成系统内部的不匹配，发生“小马拉大车”或“大马拉小车”等现象，造成能源的浪费。因此，在对耙吸挖泥船各个疏浚设备研究和设计过程中，必须以系统的理念从提升整船疏浚系统性能的角度来改进和优化疏浚设备。

本船正处于建造过程中，后续将针对系统内重点疏浚装备的安装和调试进行专项应用研究，验证其理论设计与实船应用的相符性。