创新的挖泥船

新的超大型自航绞吸挖泥船世界上最大的绞吸挖泥船―新一代挖泥船研究与开发的说明FransA.M.Lijmbach,RobbydeBacker,CasparH.M.Kramers,LaurensJ.deJonge摘要：绞吸挖泥船最适合处理硬质土和粘性土。但是绞吸挖泥船也应具有耙吸挖泥船的一些特有的优点，如自航、自给和在海上作业。大约15年前，曾建造过一些可自航的绞吸挖泥船，并在不同的工况下使用。直到目前，仍在使用中的最大的绞吸挖泥船是“LeonardodaVinci”（“达?芬奇”）号，其总装机功率约20,000kW。根据该挖泥船所积累的经验，JandeNul集团认为研制新一代绞吸挖泥船的时机已经成熟，新一代挖泥船最显著的特征就是规模扩大，尤其是在疏浚功率和更完善的通用性和方便性方面。这些观念构成了一艘新绞吸挖泥船的方案设计。与JandeNul及分承包商和供应商合作共同研发并制造世界上最大的绞吸挖泥船，这又一次对IHC荷兰公司提出了挑战。该船的总装机功率将达27,500kW，船舶规模将增加37％。在研制过程中，我们将疏浚设备设计、制造和使用的经验与在疏浚技术、造船学、轮机工程、材料技术、电气工程、ICT和控制技术领域的最新进展相结合。本文从历史的角度和市场的眼光来分析这一新研制的挖泥船，将它与早期耙吸挖泥船市场中出现的规模扩大相比较，对其一些特有特征、功能要求、限制和条件加以分析。同时，还对一些次级系统的开发、以及选用的方法和遇到的问题加以分析。本文将讨论土壤类型、船舶主尺寸、绞刀桥架（1550t）、绞车系统、定位桩（每根230t）及其提升和卧到系统、泥泵系统（15800kW，在三台泵之间分配）、各种电能系统、环境方面、振动和噪声问题的解决、流体动力方面和船舶抗风浪性能等。关键词：绞吸挖泥船，自航，航海1.前言本文介绍了迄今为止建造的功率最大的自航绞吸挖泥船“J.F.J.DENUL”号。它的所有部件比原先建造的“马可波罗”号和“达?芬奇”号都要大，而且功率也更大。该船交付使用后，JANDENUL集团将拥有三艘均由IHC建造的世界上最大和功率最强的自航绞吸挖泥船。启动投资如此巨大的一个项目蕴含着诸多的风险，因为必须重新考虑各种已知的限制因素，并且常常必须跨越这些限制因素。这些限制不仅存在于技术领域，也存在于财务和操作方面。本文仅对研制这艘绞吸挖泥船的技术方面加以讨论。审视这一艘新船时，人们会提出两个问题：?是不是越大越好？?设计、建造这样一艘船有什么要求？是不是越大越好？人们研制这种绞吸挖泥船是出自于要超越当前这一代绞吸挖泥船在操作上存在某些限制的需要。因此，它必须在海况下具有更高的产量和更高的工作效率。为了正确看待启动这一项目的决策，本文将从历史和市场的角度进行分析，还将把“J.F.J.DENUL”号和其它大型绞吸挖泥船进行比较。初看之下，该船很象是直接按照“达?芬奇”号进行设计和建造的一个较大的复制品。但实际情况并非如此。自从1986年“达?芬奇”号交付使用后的17年里，发生了许多变化。新技术、新材料和新的自动化设备被开发出来。但最重要的一点是在各种系统和结构的设计中功率和重量都增加了。对于IHC来说，这意味着需要在设计、计算和实际建造中付出更多的努力和艰辛。对有些供应商来说，所需要的某些系统的技术规格远远超出了他们以往供应的范围。有时，在结构上也会受到限制，因此必须寻找新的解决方案。图1.“J.F.J.DENUL”号艺术印象图出于以下几方面的原因必须进行创新：-需要在性能方面超越现有的绞吸挖泥船，尤其是在海况条件下的作业能力；-与环境和船员工作条件有关的法规；-在经验和技术改进的基础上对现有系统的改进；-适应功率和重量的增加。因此，初看之下，该船及其各个系统似乎只是通常的做法。船上每样东西都是成比例的。这使得人们容易忘记即使是熟知的或简单的结构也需要多少创新，而这些创新被掩盖在下面。“J.F.J.DENUL”号的设计和建造是JANDENUL集团、IHC荷兰公司和所有相关供应商共同努力取得的巨大成就。这艘船是17年后建造的第一艘自航绞吸挖泥船，并且开始了新一代绞吸挖泥船的研制。所有的努力已变为经验并扩展了许多有关人员的能力。2.历史观点本章从历史的角度来分析“J.F.J.DENUL”号的研制。2.1绞吸挖泥船绞吸挖泥船通常作为适用于各类土质的一种非自航设备。而自航绞吸挖泥船则主要用于疏浚硬质土和粘性土。安装在绞刀桥架端部的绞刀用来破坏土壤的粘聚力、聚集泥土并产生泥浆。离心泵吸入泥浆并将其装入泥驳或通过水上排泥管进行远距离输送。挖泥船通过插入海底的一根定位桩固定其位置。利用边锚绞车和钢缆进行绞锚，使挖泥船绕着定位桩摆动。一旦将土壤浚挖至规定的深度，整条船需要向前移动一步。这可以利用一根辅助定位桩来实现，或利用定位桩台车来实现，这样可以减少定位桩的操作时间和提高产量。绞吸挖泥船设计和操作过程中的三个主要问题是：问题所涉及的系统1.产量绞刀、泥泵、边锚、定位桩系统、绞车2.绞刀精确定位绞刀架、边锚、定位桩系统、绞车3.切割力的传递绞刀架、绞刀、边锚、定位桩系统、绞车这三个问题相互作用，而各个系统集成多种功能。2.2绞吸挖泥船起源最早的绞吸挖泥船19世纪出现在美国。在美国它发展成为最主要的疏浚设备。欧洲和日本的挖泥船都采用了绞吸挖泥船的原理并不断努力改进设计提高性能。在欧洲，一直都是以荷兰和比利时的疏浚公司和船厂为主在进行创新。由于绞刀精确定位和切削力传递的原因，绞吸挖泥船最初仅用于没有大浪的有掩护水域。它属非自航挖泥船，被认为不能在海况下施工。2.3自航绞吸挖泥船然而，到了70年代，在海况下疏浚硬土和岩石的需求显著增长。荷兰和比利时的疏浚承包商们意识到了这一潜在的国际市场并寻找解决方案。首批建造的是远洋、非自航重型绞吸挖泥船。随后在1977年Zanen-Verstoep(现在的Boskalis)公司建造了“Aquarius”号，是由DeMerwede（1993年后并入IHC）船厂建造的。由此开创了一种新类型的绞吸挖泥船，也是第一艘大型自航绞吸挖泥船，其总装机功率为12,750kW。尽管自航绞吸挖泥船的建造和使用成本都较高但人们依然选择它的原因主要有两个。第一，为了适应在海况下工作，自航船舶装备较好，能够应付大风浪或无需帮助自行前往避风场所。自航船舶能够完全独立地工作。第二，此类船舶的市场是国际化的，相对较小的工程分布在世界各地。自航挖泥船使调遣和调离的时间和费用显著降低。图2.“Aquarius”号2.4疏浚承包商间的竞争所有的疏浚承包商都彼此注视着对方。在设备方面有两条适用法则。效仿法则是指一旦新一代的设备得到了验证，其余的所有人都会效仿。发展法则是指效仿者希望它变得更大、更重、功率更大。所有的自航绞吸挖泥船都是在随后的数年内建成的，例如“Oranje”号（Boskalis公司）和“马可?波罗”号（JandeNul公司）。1986年，随着“BilbergI”号（现在称为“Ursa”号）和“达?芬奇”号的建成，自航绞吸挖泥船的开发停止了，而“达?芬奇”号依然是在服役中的功率最大的自航绞吸挖泥船。80年代末，由于进入经济不景气时期各大疏浚承包商都遇到了问题。没有新的投资，自航绞吸挖泥船的开发停止了。2.5非自航绞吸挖泥船在70和80年代，在自航绞吸挖泥船发展的同时，非自航绞吸挖泥船也得到了改进。由于来自中东的承包商和有关机构不断增长的需求，这些非自航绞吸挖泥船的开发并未停滞。从“Mashhour”号（苏伊士运河管理局，1996）和“AlSadr”号(阿联酋国家疏浚公司NMDC，1999)可以看出规模在增大。“Mashhour”号甚至比“达?芬奇”号的装机功率更大，但大部分功率都分配给了泵，分配给绞刀的功率比“达?芬奇”号少得多。图3.“AlSadr”号2.6同类的自航耙吸挖泥船进入90年代初期，随着第一艘大型自航耙吸挖泥船“J.F.J.DENUL”号（现已出售并更名）的下水以及随后为国际疏浚公司（DI，为DEME的成员）建造的第一艘超大型自航耙吸挖泥船“珠江”号，疏浚设备开始了新一轮的大发展。超大型自航耙吸挖泥船使大型土地吹填项目在经济上成为可行从而创造了自己的市场。整个自航耙吸挖泥船队的现代化就此开始。设备的发展以及最重要的自动化催生了超大型经济型船舶。正在此时，尺度的进一步增大是否可行的疑问使这种发展趋势停滞下来。“WDFairway”号（Boskalis公司）是其中最大的，舱容量扩大到35,508m3，但有计划要将“VascodaGama”号（JandeNul公司）的舱容扩大到44,000m3，这证明了发展法则。随着自航耙吸挖泥船长度的增加，使它有可能够安装更长的耙吸管，从而增加疏浚深度。IHC公司为JANDENUL公司“VascodaGama”号制造的160m深疏浚设备是迄今为止最长的。这些超大型自航耙吸挖泥船经证明可与绞吸挖泥船相抗衡，它们能够实施以前只能由绞吸挖泥船来实施的项目，并且更经济。由于安装了艏吹装置和改进的抽舱系统，因此减少了对抛吹作业的需求，而这通常是由绞吸挖泥船来做的一项工作。图图4、“VascodaGama”号上的深水疏浚设备目前看来似乎超大型耙吸挖泥船的快速发展已经结束，疏浚承包商们重新又把目光放在了自航绞吸挖泥船上。一个原因是大型自航绞吸挖泥船队的平均船龄已达20年。这意味着它们要么需要全面的升级，要么需要更新换代。另一个原因是工程的类型不断变化，必须寻找新的市场。与自航耙吸挖泥船的发展相对应，这艘新的绞吸挖泥船可以称作超大型绞吸挖泥船。如果上述两个法则还适用的话，则这不可能是超大型自航绞吸挖泥船开发中的最后一艘。我们依然可以对波浪条件下作业的效率和适应性加以改进。3.市场观点新建大型疏浚船舶需要大量的投资，这只能指望该船能够承揽足够的工程以偿还该笔投资。还需明确的是建造和使用一艘自航绞吸挖泥船所增加的费用会在施工和操作优势方面得到足够的投资回报。为正确看待这笔投资，下面从市场角度加以分析。3.1绞吸挖泥船的使用年限一艘自航绞吸挖泥船的技术和经济使用年限很长。许多已经建造的绞吸挖泥船，甚至已经使用了20年，今天依然在服役。一个原因是其平均利用率较低，有足够的维修时间。尽管在现有的结构中已经采用了现代化的设备、材料和自动化系统，但疏浚设备的基本设计和方案依然非常坚固，并且其价值已经得到了证明。它们并没有太大的改变，而且可以对现有的船舶在功率和自动化方面进行必要的升级。与耙吸挖泥船相比，绞吸挖泥船的静荷载相当低。切削岩石、振动和冲击的动荷载对直接接触的构件如绞刀齿和绞刀本身具有很大的影响。它们都能方便地加以更换。这些船舶的上部结构如船体、绞刀桥架等被设计和建造得非常坚固，能够承受较大的恒载和振动。它们不需要象耙吸挖泥船那样进行装舱和卸载的循环作业。这类荷载对耙吸挖泥船船体的影响要比较大的恒载对绞吸挖泥船的影响大得多。3.2绞吸挖泥船适用的工程适用于自航绞吸挖泥船这类船舶的土壤是硬质土和粘性土，包括坚硬的或胶结砂、各种粘土、软岩石或甚至坚硬岩石。一艘超大型自航绞吸挖泥船适用的典型工程类型与耙吸挖泥船适用的类型不同。在大多数情况下，这类船舶用于遍布世界各地的相对较小的工程，诸如管线的近岸段、入海排污管、港口建设和海上工业的各种特殊工程。未来可以预见的一些长期工程有巴拿马运河或其它运河的拓宽和长距离管路的敷设。3.3自航绞吸挖泥船一艘自航绞吸挖泥船的选择对该船的建造和使用都有重要的影响。缺点是由于海上航行船舶的一些特殊要求诸如船体、推进系统和其它额外设备的安装，会对平面布置和设计造成一些限制。操作方面需要配备合格的驾驶船员，成本较高。当然对那些工期短的工程来说，一艘自航绞吸挖泥船的优点十分明显，它可以完全独立地工作，可以到遥远的地方去。调遣和调离的时间和费用都有限。用驳船运输非自航绞吸挖泥船的费用非常昂贵，因为受时间损失和保险因素的影响。除此之外，仅仅是大型绞吸挖泥船的尺度就使它很难用半潜重件专用船或平底船运输。另外，拖带中的风险也相当大，并且不能随意忽略这些风险，因为这些大型绞吸挖泥船的建造成本