绞吸式挖泥船现状和进展(薛辉组)

第一篇：绞吸式挖泥船现状和进展(薛辉组)

绞吸式挖泥船现状和进展

薛辉 石然 赵凯 张坤 汪天

〔文摘〕从绞吸式挖泥船的优点和它在全世界挖泥船中占的比例、大型绞吸式挖泥船的发展、挖泥机具的不断改进、自动化程度的不断提高及新型和小型挖泥船的不断涌现这几个方面论述了世界绞吸式挖泥船的现状和发展。关键词：绞吸式挖泥船 大型化 高度智能机 新型化 发展趋势 0 引言

绞吸式挖泥船被广泛应用于港口、航道疏浚及吹填工程。绞吸式挖泥船从挖 泥到排泥场的距离一般小于耙吸式挖泥船。使用绞吸式挖泥船的最大优势是能获 得准确的挖掘轮廓。

绞吸式挖泥船基本适合挖掘各种类型的土壤，当然这也决定于切削功率的配 置。绞吸式挖泥船类型和尺寸范围很广，绞刀头功率最小可为20KW，最大可达 约4000KW。但挖泥深度一般较有限，最大挖深为 25～30 m，最小挖泥深度通 常取决于船体（平底船）的吃水深度。

绞吸式挖泥船属静态挖泥船。至少有两套对挖掘过程非常重要的锚缆系统。但锚缆却为其它船舶航行带来障碍。某些大型绞吸式挖泥船为减少被“绊住”的危 险而安装了推进器系统；推进器系统可用于帮助绞吸式挖泥船离开挖掘区域，当 然也可帮助绞吸式挖泥船从一工作点移动到另一工作点。

小中型绞吸式挖泥船可制造为可拆卸式的。这种方式较适合由公路到内陆区 域而无水路时的运输，如，为公路铺沙层、为建筑工程公司挖掘沙子和砾石等。安装了波浪补偿器的绞吸式挖泥船可在有波浪的开放水域施工，较之耙吸式挖泥 船其局限性是显而易见的。图4.1 船体可升降式绞吸挖泥船

绞吸式挖泥船的特性是：它属于静态挖泥船，安装绞刀头/绞刀作为挖掘工 具，使泥土在切削后被吸入。在吸泥过程中，绞吸式挖泥船是以定位桩为中心通 过固定在侧边绞盘上的锚缆按圆弧形旋转，如图 4.4 所示。绞吸式挖泥船非常易于与吸扬式挖泥船区分，因后者是没有定位桩系统的（但某些绞吸式挖泥船工作时是由缆绳定位的，而不是定位桩定位）。

绞刀支臂悬挂在支臂支架上，绞刀头、驱动器和吸泥管都置于其上。对于中小型绞吸式挖泥船，一般采用A 型支架，而对于大型绞吸式挖泥船，一般支架较重。因部分切削力需由平底船及定位桩平衡，所以绞吸式挖泥船的平底比其它 静止型挖泥船较重。挖掘的泥水混合物由水力式吸泥管输送到排泥场。但也有某 些绞吸式挖泥船配套有驳船卸泥系统。绞吸式挖泥船安装一个或多个泥泵，其中 一个放置在绞刀支臂上。自航绞吸式挖泥船的推进器装置既可置于挖泥船前部靠近绞刀头处，也可置于其后部靠近定位桩处。

1．绞吸式挖泥船的特征和工作原理 1.1 特征

1.2 工作方式

在绞吸式挖泥船绞刀支臂放入水中后，泥泵开始工作，绞刀头开始旋转。然 后支臂向下转动直到绞刀头接触河床，或直到其达到最大挖深处。挖泥船绕定位 桩的初始运动是通过放松右舷锚缆、拉紧左舷锚缆完成的。这些锚缆由靠近绞刀 头的滑轮与甲板上的绞盘(靠近挖泥一侧的绞盘)连接。放松绞盘保证两边缆绳的 准确张力，这在挖掘坚硬岩石时尤为重要。

1.绞刀头的旋转方向相对于其横移运动的方向有时相同，有时相反。在第一 种情况下，绞刀头作用在土壤上的反作用力带动船体运动，因此其横移作 用力要小于第二种情况。当绞刀头运动方向与挖泥船横移方向一致时，保 证锚缆的预紧力是非常重要的。如果绞刀头作用力推进挖泥船移动快于绞 盘拉拽速度时，拉拽绞盘的缆绳将被绞刀头卷起并剪断，这是非常危险的；

2.锚的位置对挖泥船所需横移力影响大。绞刀头到边缆的距离越近，所需的 横移力越小；

3.横移力也受外界自然条件的影响，如风、水流及波浪等。当然，绞刀支臂沿弧形摆动一次绞刀支臂，挖泥厚度由绞刀头直径及土壤 类型决定。当一次摆动后没有达到所需的挖泥深度，绞刀支臂将被放下更深，且 绞刀支臂将向相反的方向摆动。

如前所述，绞吸式挖泥船是以定位桩 / 工作桩为固定支点做圆弧形摆动。大多数绞吸式挖泥船的定位桩放置在可移动钢桩台车上。另一只桩为辅助桩，置 于中心线外，一般置于船尾右舷一侧。

钢桩台车利用液压缸可移动 4-6m 的距离。因为钢桩立于河床上，通过向船 艉方向推动钢桩台车即可推动绞吸式挖泥船向前移动。绞刀头的尺寸和土壤硬度 决定了钢桩台车移动的步长。钢桩台车每移动一步，在每次沿弧形摆动末端放低 绞刀支臂，绞刀可切削一层或多层土壤。支臂每向前一步，绞刀头以定位桩为中 心绘出一个同心圆弧，其半径随步长的增加而增加，如图4.4 所示。

如果钢桩台车液压缸已移到尽头，则必须要移动钢桩了。在步进前，绞刀头 移到切削中心线上，放下辅助桩，抬起工作桩，向前移动钢桩台车。然后再次放 下工作桩，抬起辅助桩。挖泥船就又可以开始工作了。步进后的第一次切削不是 一个同心圆弧。

图4.3 步长和切层

图4.4 绞吸式挖泥船工作方式 图4-5 绞吸挖泥船简图

绞吸式挖泥船主要特点如下：

(1)能自挖、自吹，可以持续吸排作业。

(2)效率高、成本低。对于排距在允许范周内的吹填工程．绞吸式挖泥船较其 他挖泥船效率高，成本较低。

(3)绞吸式挖泥船比其他挖泥船更能够广泛有效地挖掘各类沙、粘土和淤泥。(4)挖硬质土时，效率较低。若加大泥泵功率，选用合适的绞刀，也能挖松散 碎石和硬质土，但效率低，还应注意较大块石对绞刀头的损坏。

(5)水面浮管(排泥管)碍航程度大。

(6)受自然条件影响较大，多用在港池、内河航道等较隐蔽水域(风浪较小)的 疏浚工程。

2.绞吸式挖泥船现状和进展

在全世界范围内，挖泥船应用最广泛的就是绞吸式挖泥船，且是目前各疏浚公司主要开发的疏浚设备。绞吸式挖泥船已有一百多年的工程应用历史。绞吸式挖泥船在河道疏通中得到了非常广泛的应用。绞吸式挖泥船能够被广泛使用主要是因为这种形式的挖泥船产量大，泵距远，大型的绞吸式挖泥船每小时产量可达几千立方米，且操作简单，易于控制，工作效率高。

绞吸式挖泥船在国内大量使用，起于五、六十年代。七十年代初，在周恩来总理的号召下，国内有关部门从国外进口了技术先进、配置完备的绞吸式挖泥船，这在很大程度上加快了绞吸式挖泥船在中国的普及，达到了国家在三年内改变了港口面貌的要求。这之后，有很多船厂，如镇江船厂、益阳船厂等，投入到绞吸式挖泥船的研究和制造中，从而加快了绞吸式挖泥船的发展。近些年，随着世界油运业务的繁荣、集装箱运输的发展，应用到运输中的船舶也正在向大容量、巨型化的方向发展，同时现代技术的进步为疏浚技术的发展提供了条件，这让绞吸式挖泥船获得了更广泛的应用前景。

近几年，世界经济不断发展，科学技术不断提高，这些都为挖泥船创造了有利的发展，主要体现在以下几个方面：

2.1大型化：在目前的应用中，绞吸式挖泥船的吨位趋向于巨型化。

从七十年末期开始, 国内外深水港的建设需要开挖大量坚硬的士质和岩石, 且疏浚区域大都在无掩护的海区, 常规的小型绞吸船不能开挖这些土质, 也不适应开敞海区的作业, 需要建造生产能力高、绞刀功率大、结构强度高的大型自航绞吸式挖泥船来满足这些要求。大型自航绞吸式挖泥船不仅生产效率高、单方费用低, 而且能依靠自身的动力自航, 机动性好, 能在工作区城出现危险风浪的情况下迅速撤离施工现场。这个时期，建造的大型自航式绞吸式挖泥船很多。

例如09年我国自行建造的自航绞吸式挖泥船“天鲸号”，由中交天航局投资建造的亚洲第一、世界第三自航绞吸式挖泥船“天鲸号”在深圳市南山区前海孖州岛基地下水。该船长127.5 米，宽23 米，吃水5.8 米，最大挖深30 米，排距6000米，总装机功率达20020 千瓦，生产率4500 立方米/小时，可开挖强度为40 兆帕的岩石，具有无限航区的航行能力和装驳功能，适用于各种海况的大型疏浚工程。该船配备了目前国际最先进的绞吸挖泥船自动控制系统，可实现无人操控。

2.2高度智能化：这是指挖泥船在作业时使仪表信息化、挖掘高度自动化。

绞吸式挖泥船自动化控制系统首先于1980年安装在水电十三工程局进口的“ 海狸4600” 型挖泥船上, 而后于1983年又在“Noordzee”号和“ Hearlem ” 两艘挖泥船安装新式的自动化控制系统。“ 津航浚215” 号咬吸式挖泥船也配备了自动化控制系统。目前大中型绞吸式挖泥船普遍装有电子计算机控制的自动控制系统。据国外资料介绍, 挖泥船实现自动化后, 对绞吸式挖泥船生产率可提高5-15%。

狡吸式挖泥船自动挖泥控制系统参见文献5, 一般包括自动挖泥操作系统及挖泥监视系统两个部分。自动挖泥操作系统是利用计算机操纵横移绞车、桥架绞车及钢桩台车来控制绞刀头的位置, 使挖泥船按照预先设定的挖泥图形进行挖泥。同时控制横移绞车速度和绞刀下放深度, 使挖泥船能达到在该施工条件下排泥管内不产生沉淀、不出现汽蚀的最大吸入真空, 横移绞车、绞刀和泥泵在不超负荷条件下可能达到的最高挖泥浓度。挖泥监视系统利用CRT显示屏及键盘判断自动挖泥系统是否正常地进行。各个CRT显示屏可显示绞刀在预先设定的断面上的位置及绞刀负荷、泥浆浓度、横移负荷、绞刀转速等工况数据, 显示屏上不仅可显示瞬时值, 而且能显示过程值, 这样设定值/过程值/控制值可以图表形式显示在同一屏幕上如果过程值超过设定值或出现故障,则系统显示报警信号并显示出故障地点及时间。系统还可打录、打印各种参数和图形以及工作日报, 以帮助操作者准备必需的生产记录文件。

世界上最人的狡吸式挖泥船“Leorna-rdo Da Vinci” 号, 除上述系统外还装有泥泵自动控制装置, 可以控制仓内泥泵和桥架泥泵、真空释放阀和旁通阀, 与其绞刀自动控制系统协同运行, 使泥泵始终能以最小的能量消耗和最小的可能磨损及最大产量相对应, 使生产达到最经济、最具有竞争性。

2.3 自航绞吸式挖泥船成为主流

采用钢桩的绞吸式挖泥船(Cutter SuctionDredger, 简称“CSD”), 依赖于波长、波向和挖泥船的尺度、形状与质量分布以及挖掘的土质。一般能在波高小于0.5m～1.0m 时连续作业采用三缆定位的绞吸式挖泥船, 虽因采用钢丝绳定位而能在较大的波高条件下作业, 但工作时具体能适应的波高范围, 最终是由 作业实践确定, 因而无法根据理论计算得到。

在恶劣的天气即将到来时, 绞吸式挖泥船需要移动到港口或其他安全地点。在得到警告时, 首先需要停止挖泥作业, 以保证有充足的时间准备和进行拖航。实际上, 通常由于需要准备拖航和为了减小风险而过早停止挖泥,而增加了停工时间。有时也会因恶劣天气没有预报或预报太迟, 而导致无法把挖泥船拖航至安全区域, 造成灾难性的后果。

显而易见, 绞吸式挖泥船只有在挖泥作业时才能发挥其能力和产生经济效益。上述的问题随着挖泥作业区域逐渐向海洋中扩展, 遇到恶劣天气的可能性也大大增加, 而导致严重影响挖泥作业的经济性, 特别是近年来建造了大量的大型非自航绞吸式挖泥船, 其作业能力得到很大的提高, 停工对任务的完成和船舶经济性的影响也比以往大得多。减少停工时间的一个有效途径是把绞吸式挖泥船设计成有合适干舷、船首高度和稳性完全适于航海的自航绞吸式挖泥船(Self-propelled Cutter Suction Dredger, 简称“SCSD”),此类挖泥船可挖泥作业直到其设计的极限环境条件,可就地安全地抵抗风暴或及时离开作业地点, 在环境条件改善后即可恢复生产, 从而大大减少了停工时间,提高了挖泥船的利用率和经济性。

自航绞吸式挖泥船是完全能适于航海的船舶, 它需要设置推进用螺旋桨和采用具有水动力性能的船舶线型, 还需要满足船级社要求的航海和安全设备, 至于推进则可利用挖泥船上用来驱动泥泵、绞刀或发电机组的原动力。

自航绞吸式挖泥船优缺点

自航绞吸式挖泥船具有以下优点: 1)能在可作业的极限环境条件下连续作业;2)在环境条件改善后, 可以尽快恢复作业;3)停工时间可以减少, 具体减少的总时间依赖于工作地点和停工的频率;4)可自己完成调遣;5)可降低调遣费用, 节省的调遣费用取决于调遣的距离和次数;6)在调遣途中, 船员可进行维修和保养工作, 因此在船舶到达工作地点后即可开始作业;7)适航性的要求需要船舶有更大的尺度和重量,可提高对环境条件的适应性。

另一方面, 自航绞吸式挖泥船也具有以下缺点: 1)较高的初始投资;2)驾驶船员需要具有主管机关要求的相应证书;3)需要大的舱容和装载量 4)在挖泥作业时, 螺旋桨和舵对作业不利;5)船上安装了更多的设备, 增加了维修工作。

自航绞吸式挖泥船初始投资高, 一艘适航的自航绞吸式挖泥船将比同样作业能力的非自航绞吸式挖泥船增加约10%～15%, 但提高了使用性能和效率, 因此综合考虑初始投资、自然环境条件、后勤保障和船舶预定的作业任务等因素, 其全寿命期的总费用得以减小。

2.4 新型、小型绞式挖泥船不断涌现：

随着疏浚领域扩大、工程要求的提高,新型、小型绞吸式挖泥船有了很大发展。特别是在目前世界疏浚市场需求逐步增长, 步移式自升平台型、半潜式绞吸式挖泥船的出现, 使挖泥船的作业区域由内河、沿海港湾向外海发展提供了可能, 小型、组合型绞吸式挖泥船发挥了它调遣灵活、费用低等优点,满足了狭窄运河、沟渠、池塘、湖泊等疏浚需要。

2.5 环保化：发展高效、节能型挖泥船，降低能耗与节省资源在我国一直以高能 耗、高消耗的代价发展，因此发展高效、节能型挖泥船也应是我国疏浚业今后发展的方向，并应作为重要的战略举措来对待。

2009 年，由我国自主设计、中交天津航道局有限公司投资建造的亚洲最大非自航绞吸挖泥船——“天麒号”，为保护海洋环境，该船采用海水替代牛油润滑绞刀轴，避免了船舶在施工中对海洋造成的污染。疏浚市场的发展趋势及对绞吸式挖泥船的要求

疏浚行业是经常变化的, 在上一个世纪已经发生了非常显著的变化。虽然诸如建设和维护港口、清淤和清理河道、维护水库深度和清理航道的沉积物等传统 的疏浚仍然将占相当比例, 然而, 造地、海洋油气基础设施作业、环境清理以及贵重矿产和聚合物开采等新兴作业将超越传统的疏浚作业。

所有这些新兴疏浚作业需要特殊设备, 并改变作业环境条件和限制, 设计和使用也应随之发生巨大的改变。不仅设备和工具的尺度变大, 而且将在更困难的环境条件下作业, 需要更多的可选择性与更高的效率、创新的设计和构造方式。

市场需求影响着疏浚设备的开发, 创新的设备与技术又反过来拓展了疏行业, 换一种说法就是市场拉动和技术推动互动发展, 市场和技术两者均是重要 的原动力。向海岸区域迁移和人口增长导致了对新陆地的需求, 造地是疏浚行业 关注的主要领域之一。另外一个重要的趋势是全球经济一体化, 持续的经济增长产生了货物海上运输的空前需要, 因此需要新的港口和码头设备及航道。预期气候的变化将需要更多的沿河流和航道岸边的保护和设施。经济的增长也导致了对娱乐需求的增长, 迪拜港的开发就是一个典型的例子。能源的消耗需要更多的、水深逐渐增加的勘探和开采活动,矿产和聚合物等工业日用品的需求也同样是连续增长。另一个趋势是必需对环境影响小, 与经济增长一起, 要求疏浚技术可持续发展, 典型的例子是越来越多的国家将不允许采用爆破手段来疏浚, 这对挖泥船的挖掘能力提出了高的要求。

上世纪的另一个趋势是减少疏浚成本, 这并不意味降低挖泥船的初始投成本, 相反, 现代化的挖泥船的初始投资比以往任何时候都有更大的规模, 而着眼降低整个挖泥船使用寿命期内的单方成本, 这是通过减少其它费用和提高工作效率来实现的。

集成项目有增长的趋势, 把多个工程项目归并为一个疏浚项目也能减少总成本, 如把河口的维护与疏浚泥土用来造地复合为一个疏浚项目, 对挖泥设备尤其是对挖泥船配备的泥浆输送能力提出更多的要求。

大型和小型挖泥船的技术开发趋势不一样, 对小型挖泥船, 着眼于降低初始投资和缩短投资回收期;对大型挖泥船, 着眼于使用性能和效率, 也就是减小全寿命期的总费用, 这也将是设计和建造大型自航绞吸式挖泥船的发展方向。

参考文献

1、吴 腾，吴玲莉 《航道疏浚工程》 河海大学港航学院

2、何炎平, 谭家华 大型自航绞吸式挖泥船的发展和有关问题的思考 上海交通大学

3、徐德阳 世界绞吸式挖泥船现状及发展 水电十三工程局科支处

4、李志强 绞吸式挖泥船的疏浚优化 江苏科技大学

5、徐德阳 疏浚设价自功化技术的现状和发展 水利电力施一机械 1988（4）