饒廣龍 張宇凡

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

0 引 言

挖泥船是應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛的一類工程船舶，主要用于水利清淤，河道治理，港口、航道、海灘的建設(shè)和維護(hù)，吹填造陸以及海上采礦等眾多領(lǐng)域，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、城市可持續(xù)發(fā)展、維護(hù)海洋權(quán)益、農(nóng)田水利、防洪搶險(xiǎn)、環(huán)境治理和旅游業(yè)開發(fā)具有特別重要的意義。

挖泥船屬于疏浚工程、船舶工程、機(jī)械和電氣相互融合的交叉科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，通過設(shè)置在船上的挖泥裝置，能將水下泥沙或巖石挖掘、提升、搬移和運(yùn)送。挖泥船是挖泥裝置與船舶的結(jié)合體，不同的船型與不同的挖泥裝置結(jié)合形成了不同種類和型式的挖泥船。

挖泥船根據(jù)挖泥原理可分為水力式挖泥船和機(jī)械式挖泥船。水力式挖泥船包括耙吸式挖泥船、絞吸式挖泥船和吸盤式挖泥船等，機(jī)械式挖泥船包括鏈斗式挖泥船、抓斗式挖泥船和鏟斗式挖泥船等。

作為水力式挖泥船的一種，耙吸式挖泥船設(shè)置了具有大開口、大艙容的泥艙，用于裝運(yùn)從海底挖出的泥沙，并具有自航能力。船上還設(shè)置耙頭、耙管、泥泵和泥門等疏浚專用設(shè)備。耙吸式挖泥船可采用自航的方式，通過耙頭、泥泵進(jìn)行挖泥作業(yè)，并能獨(dú)立完成挖泥、裝泥、運(yùn)泥和卸泥全過程疏浚作業(yè)。其工作原理為：耙吸挖泥船航行抵達(dá)作業(yè)水域后，航速降至2~3 kn，通過吊架將耙臂放置于舷外，利用絞車下放耙臂至彎管滑塊到達(dá)吸口，然后繼續(xù)下放耙臂直至耙頭貼近泥面開始挖泥作業(yè)；啟動(dòng)泥泵和高壓沖水泵，利用耙頭進(jìn)行破土，利用泥泵通過耙臂將耙頭挖掘的土水混合物吸入，以邊航行、邊挖泥、邊裝艙的方式將吸入泥漿裝入船中部的泥艙，并通過沉淀溢流的方式提高泥砂的裝載量；泥艙裝滿后停止挖泥，吊起耙臂；船舶航行至預(yù)定的排泥水域，通過泥艙底部的泥門進(jìn)行卸泥，或利用艙內(nèi)泥泵和艏吹裝置進(jìn)行艏噴或艏吹排岸。

耙吸式挖泥船有許多性能指標(biāo)，是用以界定其船型規(guī)模以及表征該船主要技術(shù)性能的相關(guān)參數(shù)，包括：作業(yè)環(huán)境條件（土質(zhì)、風(fēng)、浪和流）、船舶主尺度（長(zhǎng)、寬、型深和吃水等）、泥艙艙容、挖泥作業(yè)吃水、航速、挖泥航速、主機(jī)功率、總裝船功率和推進(jìn)功率比等。泥艙艙容指泥艙所能裝載泥漿最大容積，即最高溢流位置處的泥艙容積，其大小是耙吸挖泥船裝載能力的重要指標(biāo)。耙吸式挖泥船的大小一般用艙容來表示。總裝船功率指船舶上安裝的柴油機(jī)的功率之和，其值的大小可一定程度上反映船舶的動(dòng)力配置情況。推進(jìn)功率比指總裝船功率與泥艙艙容的比值，該參數(shù)直接表征耙吸式挖泥船的動(dòng)力性能。其值越大，則表明船舶功率儲(chǔ)備越大，動(dòng)力性越好。但該值也不宜過大，否則將出現(xiàn)功率浪費(fèi)的情況，降低船舶的經(jīng)濟(jì)性。通常，耙吸式挖泥船的推進(jìn)比功率值在1~1.4。因此，對(duì)于萬方級(jí)的耙吸式挖泥船而言，由于其泥艙艙容巨大，將導(dǎo)致總裝船功率隨之增大。再考慮足夠的續(xù)航力和自持力，最終將導(dǎo)致萬方級(jí)的耙吸挖泥船的燃油儲(chǔ)存艙容積需求巨大。

同時(shí)，耙吸式挖泥船上還設(shè)置有泥泵艙，用以布置艙內(nèi)泥泵及附屬設(shè)備。作為耙吸式挖泥船重中之重的泥艙及泥泵艙，其設(shè)計(jì)與布置皆是為了滿足疏浚工程應(yīng)用，往往受限于運(yùn)營(yíng)要求和裝船設(shè)備的制約， 可調(diào)整余地較小，因此其余的艙室、艙柜及系統(tǒng)的布置與設(shè)計(jì)，均須服務(wù)于它。

輪機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的燃油/滑油等艙柜的布置，除了要滿足規(guī)范的要求外，還需結(jié)合耙吸式挖泥船自身的特點(diǎn)，靈活配置。下文結(jié)合典型的耙吸式挖泥船布置情況，對(duì)燃油/滑油等艙柜的設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 燃油艙柜的設(shè)計(jì)與布置

耙吸式挖泥船作為工程船，根據(jù)其作業(yè)施工海域的分布情況，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，往往船上選擇燃用重質(zhì)燃油，即船用殘?jiān)剂嫌停≧esidual Marine Fuel，RMF），同時(shí)考慮在較少時(shí)間內(nèi)，船舶可能會(huì)經(jīng)過硫排放控制區(qū)或在該區(qū)域施工作業(yè)，因此船上通常設(shè)置有容積較大的RMF 儲(chǔ)存艙以及容積稍小一些的船用餾分燃料油（Distillate Marine Fuel，DMF）儲(chǔ)存艙，DMF 儲(chǔ)存艙可兼為低硫油儲(chǔ)存艙。根據(jù)柴油機(jī)運(yùn)行需要，設(shè)置燃油日用艙和燃油沉淀艙。

1.1 燃油儲(chǔ)存艙的設(shè)計(jì)與布置

由于泥泵艙和機(jī)艙占據(jù)較大空間，因此通常將燃油儲(chǔ)存艙布置在泥艙兩側(cè)，燃油儲(chǔ)存艙對(duì)稱布置，以便于浮態(tài)的調(diào)整，如下頁(yè)圖1所示。

圖1 耙吸式挖泥船燃油儲(chǔ)存艙典型布置

值得注意的是，近年來大型耙吸挖泥船的總裝船功率不斷增大，究其原因可總結(jié)如下：

（1）不斷向外海、深海開展挖掘作業(yè)的需求，提高了對(duì)航速的要求；

（2）隨著挖深的不斷增大，需要增大艙內(nèi)泥泵功率并加裝大功率的水下泥泵；

（3）為提高對(duì)付硬黏土的挖掘能力及濃度而需設(shè)置高壓沖水泵；

（4）艏吹裝置的全面配置以及遠(yuǎn)距離排岸要求（達(dá)5~8 km），使泥泵排岸作業(yè)時(shí)的功率比挖泥裝艙工況下的功率要高出1 倍左右，進(jìn)一步提高了泥泵的功率要求；

（5）為改善航行性能和作業(yè)時(shí)的艏向保持能力而普遍增設(shè)的艏（艉）側(cè)推等。

同時(shí)，由于耙吸式挖泥船往往有遠(yuǎn)距離調(diào)遣及長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)施工的要求，其續(xù)航力和自持力的設(shè)計(jì)值皆較高，以至于使耙吸式挖泥船的燃油艙艙容往往超過600 m。以13 800 m耙吸式挖泥船為例，總裝船功率為19 400 kW，續(xù)航力約10 000 n mile，其燃油儲(chǔ)存艙的總艙容達(dá)到2 500 m。

根據(jù)國(guó)際海事組織頒布的《防污公約MARPOL》的要求，當(dāng)船舶總艙容超過600 m時(shí)，應(yīng)為容積超過30 m的非小油艙進(jìn)行燃油艙保護(hù)設(shè)計(jì)，燃油艙應(yīng)位于船底殼板型線以上，且均不應(yīng)小于下列規(guī)定的距離：

式中：和的單位均為m，為船寬。

根據(jù)這一規(guī)范要求，耙吸式挖泥船在燃油儲(chǔ)存艙外設(shè)置有用于雙殼保護(hù)的空艙；同時(shí)為了盡可能增加泥艙艙容、不增加空間損耗，空艙的寬度往往按照滿足規(guī)范要求的最小值進(jìn)行設(shè)計(jì)，如下頁(yè)圖2所示。

從圖2可以看出，雙殼保護(hù)空艙的底部高度（即雙層底高度）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范的要求。其原因在于，該類型挖泥船不僅常處于泥艙滿載工況作業(yè)，而且泥艙滿載至泥艙空載的變化較為頻繁，且在卸泥工況時(shí)，泥門打開，導(dǎo)致泥艙通海。增加雙層底的高度有利于增加結(jié)構(gòu)的剛度，從而保證船舶在上述工況作業(yè)時(shí)以及面對(duì)頻繁的負(fù)載變化時(shí)，仍能保證具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以保證船舶能安全可靠地運(yùn)營(yíng)。

圖2 耙吸式挖泥船燃油艙保護(hù)典型布置

1.2 燃油日用艙的設(shè)計(jì)與布置

根據(jù)規(guī)范要求，“推進(jìn)和重要系統(tǒng)所必需的每一種燃油， 應(yīng)配備2個(gè)燃油日用柜或等效布置。 每一油柜的容量至少能供推進(jìn)裝置于最大持續(xù)功率和發(fā)電機(jī)組正常工作負(fù)荷情況下工作8 h。燃油日用柜的設(shè)置應(yīng)滿足當(dāng)一個(gè)油柜在清潔或修理時(shí)，另一個(gè)油柜可持續(xù)供應(yīng)燃油?！?/p>

由于RMF日用柜內(nèi)部需進(jìn)行加熱，外部需包覆絕緣，因此其數(shù)量越多，對(duì)船上熱源消耗越大。為減少RMF日用柜的設(shè)置數(shù)量，通常選擇采用規(guī)范允許的等效布置，即設(shè)置1個(gè)重油日用柜和2個(gè)船用柴油日用柜，油柜容積需滿足規(guī)范要求，具體如 圖3所示。

圖3 耙吸式挖泥船燃油日用艙典型配置情況

RMF 中含有較多渣質(zhì)，必須進(jìn)行分離凈化處理后，方可供給柴油機(jī)使用，因此船上需配置具有足夠分離能力的分油機(jī)。由于分油機(jī)在對(duì)燃油進(jìn)行分離時(shí)，產(chǎn)生大量的油氣，因此通常需布置在一個(gè)獨(dú)立的分油機(jī)室內(nèi)，并根據(jù)規(guī)范的要求，進(jìn)行獨(dú)立的抽風(fēng)。

前文提到，耙吸式挖泥船經(jīng)常處在重載工況下運(yùn)行，船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度極為關(guān)鍵，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，盡量保證連續(xù)。通常是將泥艙兩側(cè)的艙壁盡可能往艉部延伸。在這種設(shè)計(jì)思路下，機(jī)艙左右舷將出現(xiàn)2 個(gè)沿船長(zhǎng)方向布置的艙室，其中一個(gè)正好可作為分油機(jī)室，另一個(gè)根據(jù)需要，可作為配電板間，也可作為集控室，如下頁(yè)圖4 所示。

圖4 耙吸式挖泥船分油機(jī)間及日用艙布置

根據(jù)驅(qū)動(dòng)模式的不同，耙吸式挖泥船可分為“一拖二”、“一拖三”和全電力驅(qū)動(dòng)3種模式。對(duì)于“一拖二”和“一拖三”模式的耙吸式挖泥船，其動(dòng)力及電站配置往往為“中速推進(jìn)柴油機(jī)+高速主發(fā)電機(jī)組”的搭配模式；對(duì)于全電力驅(qū)動(dòng)模式的耙吸式挖泥船，其動(dòng)力及電站配置往往為“中速主柴油發(fā)電機(jī)組+高速輔柴油發(fā)電機(jī)組”。

對(duì)于中速推進(jìn)柴油機(jī)，其供油泵有采用機(jī)帶泵或電動(dòng)泵2種模式。若為機(jī)帶燃油泵，則通常要求日用油柜最低液面高于柴油機(jī)曲軸中心線一定距離，以便機(jī)帶泵能有良好的吸入性能；若供油泵采用電動(dòng)泵，則沒有特殊的要求。由于耙吸式挖泥船推進(jìn)柴油機(jī)的單機(jī)功率較大，往往柴油機(jī)的外部供油管路按照采用電動(dòng)供油泵的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

對(duì)于高速柴油機(jī)，轉(zhuǎn)速通常在1 500～2 100 r/min。這種機(jī)型結(jié)構(gòu)緊湊，基本不需要外部系統(tǒng)。由于其供油泵通常為機(jī)帶泵，且高速柴油機(jī)對(duì)于燃油回油阻力有比較苛刻的要求，因此，燃油日用柜通常需和柴油機(jī)布置在同一平臺(tái)。若日用柜布置得過高，則需要在柴油機(jī)本體上增設(shè)浮子油箱，以保證柴油機(jī)的正常供、回油。

基于以上的情況，耙吸式挖泥船的燃油日用柜布置在機(jī)艙2平臺(tái)，且布置在分油機(jī)室附近。這種布置既可保證推進(jìn)柴油機(jī)和主發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)的正常運(yùn)行，也可使分油機(jī)供、排油管路較短，便于船舶管路排線及船員操作。

燃油日用柜在布置時(shí)還需考慮的一點(diǎn)是：日用柜與機(jī)艙的接觸面只能有一個(gè)，以保證在機(jī)艙失火時(shí)，高溫火焰不會(huì)與日用柜大面積接觸，從而造成油柜出現(xiàn)高溫變形及破裂的現(xiàn)象，導(dǎo)致火勢(shì)進(jìn)一步蔓延。

2 滑油艙的設(shè)計(jì)與布置

滑油是一切機(jī)械設(shè)備的潤(rùn)滑劑。若沒有足夠的潤(rùn)滑，機(jī)械設(shè)備的壽命將大幅度減少，甚至損壞。因此，船舶需要根據(jù)裝船設(shè)備對(duì)滑油品質(zhì)及耗量的要求，配置足夠容量及數(shù)量的滑油艙。

2.1 滑油儲(chǔ)存艙柜的設(shè)計(jì)與布置

相比于常規(guī)運(yùn)輸船，耙吸式挖泥船還配置有泥泵及高壓沖水泵。泥泵和高壓沖水泵功率較大，有時(shí)可達(dá)到6 000 kW，其軸承箱需要單獨(dú)設(shè)置動(dòng)力潤(rùn)滑單元進(jìn)行潤(rùn)滑。同時(shí)，不管是采用柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，還是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，都需要在原動(dòng)機(jī)和泵組之間設(shè)置減速齒輪箱。耙吸式挖泥船上的滑油用戶包括：推進(jìn)柴油機(jī)、推進(jìn)齒輪箱、主發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)、艉軸艉管、泥泵軸承、高壓沖水泵軸承、泥泵齒輪箱、高壓沖水泵齒輪箱和空壓機(jī)等。

由于滑油存在易乳化的問題，因此應(yīng)根據(jù)用戶的實(shí)際需求量來設(shè)計(jì)滑油儲(chǔ)存艙柜，容積不宜過大。對(duì)于容積需求＜2 m的滑油柜，不便設(shè)計(jì)成船體結(jié)構(gòu)艙柜，故往往設(shè)計(jì)成獨(dú)立艙柜。

值得注意的是：滑油艙柜不應(yīng)與淡水艙柜相鄰。若燃油艙柜和滑油艙柜直接相鄰，則其相鄰艙壁的焊接應(yīng)為全焊透方式。

2.2 滑油循環(huán)艙的設(shè)計(jì)與布置

柴油機(jī)根據(jù)油底殼的不同形式，可分為濕式油底殼和干式油底殼。按照濕式油底殼設(shè)計(jì)的柴油機(jī)，由于其滑油在自帶的油底殼內(nèi)往復(fù)循環(huán)，因此船體上無需設(shè)置滑油循環(huán)艙。對(duì)于采用干式油底殼設(shè)計(jì)的柴油機(jī)而言，則必須在柴油機(jī)正下方的船體上設(shè)置滑油循環(huán)艙，作為“外置油底殼”為柴油機(jī)的滑油系統(tǒng)進(jìn)行服務(wù)。

不同柴油機(jī)廠商對(duì)滑油循環(huán)艙的艙容有不同的要求，不管是哪家廠商，其艙容要求都與柴油機(jī)自身功率相關(guān)，不同之處在于系數(shù)的選取。以MAN柴油機(jī)為例，其要求滑油循環(huán)艙實(shí)際可用艙容與柴油機(jī)功率關(guān)系為不小于1 L/kW；而瓦錫蘭則要求滑油循環(huán)艙實(shí)際可用艙容與柴油機(jī)功率關(guān)系為1.2~1.5 L/kW。

在進(jìn)行滑油循環(huán)艙的設(shè)計(jì)時(shí)，不僅應(yīng)基于柴油機(jī)廠家的推薦值，同時(shí)還必須考慮船舶在航行時(shí)可能出現(xiàn)的橫傾和縱傾現(xiàn)象。根據(jù)規(guī)范要求，主機(jī)以及與船舶入級(jí)有關(guān)的機(jī)械設(shè)備， 其設(shè)計(jì)、選型和布置均應(yīng)符合表1中船舶傾斜角的規(guī)定，以保證其能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

表1 船舶傾斜角要求

由于柴油機(jī)沿船長(zhǎng)方向布置，因此滑油循環(huán)艙也是沿船長(zhǎng)方向布置，而柴油機(jī)的滑油吸口往往布置在艏部。考慮到滑油吸口需要有足夠的流通量，因此滑油吸口往往不會(huì)距艙底過近。通常距艙底距離為管徑的一半，如下頁(yè)圖5 所示。

圖5 滑油循環(huán)艙吸入管布置情況

在滑油循環(huán)艙設(shè)計(jì)的過程中，若將其設(shè)計(jì)成一個(gè)扁平狀的艙室（即長(zhǎng)度與高度的比值過大），則當(dāng)滑油循環(huán)艙處在較低液位且船舶發(fā)生5°的艉部縱傾時(shí)，可能出現(xiàn)滑油積攢在艉部，從而導(dǎo)致位于艏部的吸口露出的情況，造成柴油機(jī)無法吸入滑油，從而無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，在設(shè)計(jì)滑油循環(huán)艙時(shí)，需要在保證擁有足夠艙容的前提下，控制滑油循環(huán)艙的長(zhǎng)高比，避免出現(xiàn)過于扁平的情況；同時(shí)，可靈活設(shè)置滑油循環(huán)艙的低位報(bào)警值，在滑油損耗時(shí)，發(fā)出報(bào)警，提醒船員及時(shí)補(bǔ)充滑油。

滑油循環(huán)艙底板可直接由船底外板組成，也可在船底外板和滑油循環(huán)艙底板之間增加1個(gè)隔離空艙。若滑油循環(huán)艙底板直接由外板組成，則需要在滑油的吸入管和排出管上增加隔斷閥，其閥可在花鋼板上便于操作，以便在船外板破損、海水進(jìn)入循環(huán)艙時(shí)，及時(shí)關(guān)閉。此時(shí)柴油機(jī)不再使用滑油循環(huán)艙內(nèi)的滑油，而改為用自帶的油底殼進(jìn)行臨時(shí)潤(rùn)滑。典型的滑油循環(huán)艙布置如圖6所示。

圖6 典型的滑油循環(huán)艙布置方案

具體采用哪種設(shè)計(jì)方案，應(yīng)根據(jù)柴油機(jī)及軸系定位高度，綜合考慮雙層底高度及合適的長(zhǎng)高比后統(tǒng)籌決定。

3 油渣艙的設(shè)計(jì)與布置

由于耙吸式挖泥船通常燃用RMF，因此配置有分油機(jī)。分油機(jī)在進(jìn)行分離時(shí)，除了將干凈的RMF 輸送至日用艙外，還會(huì)排出大量油渣，這些油渣需要設(shè)置專門的油渣艙進(jìn)行收集處理。

常規(guī)的分油機(jī)不帶渣柜，其要求排渣管盡量垂直，不允許有大的拐角。這是因?yàn)樵擃愋头钟蜋C(jī)依靠重力排渣，若出現(xiàn)大的拐角，異常黏稠的油渣將堵塞在拐角處，無法順利排出。因此在使用這類型的分油機(jī)時(shí)，需要在其正下方設(shè)置油渣艙，可選擇直接將油渣艙倒掛在分油機(jī)下方，也可將油渣艙布置在雙層底內(nèi)。需要注意的是，若采取非倒掛的方式，應(yīng)考慮船體線型的收縮程度，以免從機(jī)艙平臺(tái)垂直向下的排渣管由于線型的影響，被迫向船腫彎曲，造成排渣不暢。

目前，還有一種自帶渣柜的分油機(jī)，也被大眾接受與認(rèn)可。這種分油機(jī)在其公共底座上配置有1 個(gè)小油渣柜，并在油渣柜的出口處設(shè)置有排渣泵，通過監(jiān)測(cè)自帶油渣柜內(nèi)的液位，自動(dòng)啟停排渣泵。通過動(dòng)力排渣的方式，船上的油渣艙布置可更加靈活自由，不再受分油機(jī)位置的限制。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)耙吸式挖泥船特有的設(shè)備配置情況及船型布置特點(diǎn)，依據(jù)規(guī)范的要求并結(jié)合實(shí)船應(yīng)用，總結(jié)出船上燃油艙、滑油艙及油渣艙的布置要求及設(shè)計(jì)思路：

（1）燃油儲(chǔ)存艙布置在泥艙兩側(cè)，并需要進(jìn)行雙殼保護(hù)；

（2）日用艙可采用規(guī)范允許的等效設(shè)計(jì)，布置在機(jī)艙平臺(tái)為較優(yōu)方案；

（3）滑油循環(huán)艙的設(shè)計(jì)盡量避免過大的長(zhǎng)高比，其布置方案應(yīng)結(jié)合柴油機(jī)安裝高度和雙層底高度綜合考慮；

（4）油渣艙的布置應(yīng)滿足分油機(jī)的要求，可通過采用自帶渣柜的分油機(jī)實(shí)現(xiàn)油渣艙位置的靈活設(shè)計(jì)。