李日新，周振宇

(1.武漢理工大學(xué) a.交通與物流工程學(xué)院；b.船海與能源動力工程學(xué)院，武漢 430063；2.長江航道工程局，武漢 430014)

太平口水道地處荊江大橋區(qū)域，以北汊為主通航水道，是長江航道歷年重點保障水道，主要由長江武漢航道工程局承擔(dān)疏浚施工任務(wù)，年疏浚量約400萬m3，施工時間一般為8月至次年5月。受荊江大橋區(qū)水域和航道條件限制，要求疏浚時對航道的通航影響較小，施工時間短，航道底部需規(guī)則平整等，因而主要采用吸盤式挖泥船進(jìn)行疏浚施工，即采用高壓水流通過吸盤處的噴嘴高速射流切割需疏浚的泥土，形成高濃度的泥漿，再經(jīng)泥泵真空吸入，通過艙內(nèi)排泥管、邊拋管輸送排出至挖泥船外，或通過尾排管泵送至遠(yuǎn)距離指定區(qū)域[1-2]。

目前，針對絞吸式、耙吸式挖泥船的裝駁新工藝在國內(nèi)外已有部分應(yīng)用[3-4]，但吸盤式挖泥船大多仍采用邊拋施工，而裝駁新工藝的實施鮮有報道。因此，考慮針對“吸盤3”輪傳統(tǒng)邊拋施工方式存在的問題，同時也為了適應(yīng)相關(guān)環(huán)保法規(guī)的要求，對“吸盤3”輪進(jìn)行裝駁裝置的改造及裝駁施工工藝探索，以期實現(xiàn)疏浚泥砂的裝駁外運作業(yè)及再利用，為“吸盤3”輪新增一種舷外裝駁施工方案，也可滿足沿江地區(qū)對砂石材料的迫切需求。

1 “吸盤3”簡介

“吸盤3”輪是全電推自航吸盤式挖泥船，自2015年出廠以來，一直在長江中下游航道疏浚工程中發(fā)揮著重要的作用，其主要參數(shù)如下。

總長：88.6 m；型寬：15 m；型深4.8 m；空載吃水：2.4 m；滿載吃水：2.6 m；最大挖深：16 m；最小挖深：2.6 m；邊噴排距：60 m；艉排排距2 000 m；主發(fā)電機(jī)組原動機(jī)：CAT3516B；轉(zhuǎn)速：1 500 r/min；功率:1 717 kW；泥泵：MHD30×33-72;軸功率:1 546.6 kW；轉(zhuǎn)速：274 r/min；流量：13 200 m3/h；揚程：37 m (邊噴工況)。

其主要施工作業(yè)形式是通過2臺Z型舵槳裝置做頂推疏浚作業(yè)和依靠定位錨做直線絞進(jìn)疏浚作業(yè)兩種方式，泥漿外排有邊拋和艉排兩種方式。艉排方式受航道、水深、流速、通航等因素影響不便于使用，因此一直采用邊拋施工工藝進(jìn)行疏浚作業(yè)，常用的邊拋施工工藝：船舶航行至施工區(qū)域，下放吸盤架至特定的深度，開啟高壓沖水泵和泥泵，將吸上泥漿，經(jīng)過船上特設(shè)邊拋管噴射到船外。通過調(diào)節(jié)舵漿的轉(zhuǎn)速，使船舶移動，達(dá)到挖泥的目的。船舶所設(shè)邊拋管伸出舷外長度為0～20 m，可以按照需要將管口轉(zhuǎn)動到任何一舷側(cè)與船的縱向中心線成0°～90°交角位置[5]。

2 裝駁裝置改造

2.1 邊噴管改造

吸盤式挖泥船邊拋施工采用的主要裝置為安裝于邊拋架出口，呈45°角向上的噴管噴頭，噴頭可將疏浚后的泥沙呈拋物線噴出至指定地點，進(jìn)行遠(yuǎn)距離揚棄，施工作業(yè)效果見圖1。

如果改為舷外裝駁施工后，需要將原噴頭噴出方向調(diào)整為垂直向下，使噴出的泥沙集中裝載到挖泥船旁配套的泥駁中，便于疏浚泥沙的收集和再利用，減少回淤。

考慮挖泥船的施工工藝、船舶操作、疏浚設(shè)備、電氣設(shè)備等的相關(guān)技術(shù)要求，根據(jù)泥泵流量、流速、轉(zhuǎn)速、功率、揚程、最低吸入轉(zhuǎn)速、其他設(shè)備負(fù)載等要求，并參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，經(jīng)過計算和初步設(shè)計，確定將邊拋架邊噴管噴頭改造成裝駁裝置，并設(shè)置一定消能措施。裝駁噴嘴設(shè)計為一個大彎曲半徑的90°彎管加一個異徑管，可起到改變水流方向及噴出壓力的作用，兩者的材質(zhì)相同。彎管下部與異徑管相連接處預(yù)設(shè)坡口，經(jīng)電弧焊牢固相連成整體，保證焊透，另一端焊接有帶螺栓孔的法蘭，其法蘭及螺栓孔大小、分布與左端相連的邊拋管法蘭一致，兩者通過螺栓及螺母連接，彎管法蘭端面設(shè)有密封槽，采用O型橡膠圈對連接處進(jìn)行密封，法蘭背面加裝有三角形筋板，起到加強(qiáng)作用，異徑管出口處可設(shè)置若干條格柵。邊噴管噴頭裝駁裝置示意圖見圖2，其主要結(jié)構(gòu)及尺寸見圖3。

圖2 “吸盤3”輪邊噴管噴頭裝駁裝置示意

圖3 “吸盤3”輪邊噴管噴頭裝駁裝置結(jié)構(gòu)

這種方式改造的裝駁裝置，涉及改造的設(shè)備、管系最少，改造周期短、費用低，挖泥船作業(yè)靈活性高，定位精度和可靠性高，挖泥船施工作業(yè)的操作基本沒有改變。

施工作業(yè)時隨著邊拋架向舷外旋轉(zhuǎn)出一定角度，邊噴管噴頭裝駁裝置對準(zhǔn)裝載泥駁泥艙，即可進(jìn)行泥沙裝駁。根據(jù)配套泥駁的裝載時間、運距、卸載作業(yè)時間等可配套多條泥駁進(jìn)行裝載作業(yè)，吸盤式挖泥船可不間斷進(jìn)行施工作業(yè)，如工況改變需進(jìn)行邊拋作業(yè)，則將邊噴管噴頭裝駁裝置更換為噴頭即可。改造前后的裝駁裝置見圖4。

圖4 “吸盤3”輪邊噴管噴頭改造前后裝駁裝置

2.2 泥泵出口收縮管改造

由于邊噴管噴頭裝駁裝置為擴(kuò)張管型，在短排距時排泥管中的沿程阻力降低，根據(jù)離心式泥泵特性曲線的關(guān)系，可導(dǎo)致泥泵的排量增大，所需功率相應(yīng)增大，為避免相關(guān)設(shè)備超載和泥泵因流量過大，產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象(“吸盤3”輪泥泵驅(qū)動裝置為變頻電動機(jī)，泥泵轉(zhuǎn)速可在一定范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)計算，泥泵流量不能低于8 000 m3/h)，因此需在泥泵出口管路至邊拋管之間(考慮拆裝方便，設(shè)在二層甲板處)增加一節(jié)收縮管，可對泥泵流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，防止設(shè)備超負(fù)荷和產(chǎn)生氣蝕。該收縮管包含異徑管、法蘭及外接活動排泥管，法蘭焊接在異徑管大口徑一端外側(cè)，法蘭上鉆攻有螺栓孔，與外接活動排泥管安裝時，通過螺栓連接固定。

3 裝駁試驗及施工工藝

3.1 裝駁試驗條件

裝駁裝置改造完成后，在荊州大橋下游南汊口區(qū)域進(jìn)行裝駁試驗，試驗區(qū)域相關(guān)參數(shù)：試驗水深：8.5 ～9.2 m；試驗區(qū)域風(fēng)力：微風(fēng)；試驗區(qū)域流速：<2.5 m/s。

考慮“吸盤3”輪的自身尺寸及排水量，并參考長江中下游航道的適航船型，試驗配備的泥駁為“江華999”號，具體參數(shù)如下。

自卸砂船總長：96 m；最大船寬：16 m；型深：4.98 m；最大船高：20 m?？蛰d吃水：1.036 m；滿載吃水：4.2 m；滿載排水量：5 339.3 t；空載排水量：1 179.85 t。

航區(qū)為A級。

該船泥艙由4個683 m3分隔小艙組成，每個小艙呈倒椎體形式布置，可以有效減少自由液面對船舶裝載產(chǎn)生的橫搖影響，泥艙倒椎體形式布置也可增加船舶裝載后的穩(wěn)定性，船艏處設(shè)卸砂裝置。

3.2 回轉(zhuǎn)試驗

“吸盤3”輪邊噴管由原來的噴嘴改為現(xiàn)在的裝駁裝置，重量增加約為1.2 t，考慮到邊拋回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度情況，需對其進(jìn)行回轉(zhuǎn)試驗。轉(zhuǎn)動邊拋回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)至左(或右)舷90°動作各2次，轉(zhuǎn)動邊拋回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使其停止在中位。整個轉(zhuǎn)動過程應(yīng)轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，無抖動、無異響；記錄回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作時間、工作速度，以及液壓泵站相關(guān)泵組的運行參數(shù)并與改造前進(jìn)行對比；檢驗邊拋架及邊拋回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，觀察結(jié)構(gòu)有無變形、異響，焊縫有無裂紋等；轉(zhuǎn)動邊拋回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)至左(或右)舷90°時，觀察船舶傾斜情況，并做好相關(guān)記錄。

轉(zhuǎn)動邊拋回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)至左(或右)舷90°轉(zhuǎn)動2次，整個過程轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，無抖動、無異響、結(jié)構(gòu)無變形，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作時間、工作速度正常，液壓泵站及馬達(dá)運轉(zhuǎn)正常，無異常震動、噪聲，各參數(shù)與改造前對比無明顯異常變化；船舶傾斜為1.5°，均在正常范圍。

3.3 無泥駁清水、挖泥裝載實驗

轉(zhuǎn)動邊拋回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)至左(或右)舷90°時，裝駁裝置進(jìn)行無泥駁清水、挖泥裝載實驗，見圖5。調(diào)速至邊噴管出水，逐步加速記錄泥泵轉(zhuǎn)速、流量、流速等數(shù)據(jù)，機(jī)艙記錄各設(shè)備數(shù)據(jù)；挖泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%逐漸增加至50%裝載實驗，記錄泥泵轉(zhuǎn)速、流量、流速、產(chǎn)量、質(zhì)量分?jǐn)?shù)等數(shù)據(jù)，機(jī)艙記錄各設(shè)備數(shù)據(jù)，以便確定裝駁時泥泵最佳轉(zhuǎn)速及流量。

圖5 “吸盤3”輪裝駁裝置進(jìn)行無泥駁清水、挖泥實驗現(xiàn)場

挖泥實驗質(zhì)量分?jǐn)?shù)由吸盤頭升高或降低來進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍保持在0～50%之間；泥泵變頻電機(jī)最低轉(zhuǎn)速：800 r/min，泥泵轉(zhuǎn)速：160 r/min，泥泵流量：12 200 m3/h，泥泵變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速：1 035 r/min，泥泵轉(zhuǎn)速：207 r/min，泥泵流量：1 334 1 m3/h，流速：6.5 m/s，密度：1.3 t/m3,兩臺發(fā)電機(jī)組并車總功率：3 000 kW，輸出功率：2 239 kW，剩余功率：961 kW，主發(fā)電機(jī)組、液壓系統(tǒng)、疏浚設(shè)備、電氣設(shè)備、齒輪箱等相關(guān)設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，各指標(biāo)達(dá)到試驗大綱要求。

3.4 裝駁試驗及施工工藝確定

“吸盤3”輪裝駁試驗前向荊州海事處、荊州航道處報備；兩舷邊增加直徑1.5 m的輪胎靠把，防止與“江華999”泥駁相撞；利用主推進(jìn)裝置頂流挖泥施工，航速保持0.2～0.3 kn；“江華999”泥駁靠泊在“吸盤3”輪左舷(泥駁主副機(jī)處備用狀態(tài)，隨時按照“吸盤3”指揮進(jìn)行操作)，轉(zhuǎn)動邊拋回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)至左舷約 30°處，駕駛臺控制泥泵轉(zhuǎn)速、流量漸進(jìn)增加，隨時觀察兩船舶靠泊、裝載情況；“吸盤3”與“江華999”泥駁靠泊邊艏部、舯部、艉部設(shè)專人值守，觀察纜繩張弛情況，隨時向“吸盤3”駕駛臺匯報；“江華999”泥駁主甲板處設(shè)專人值守，觀察泥艙裝載情況隨時向“吸盤3”駕駛臺匯報；記錄泥泵轉(zhuǎn)速、流量、流速、濃度等相關(guān)數(shù)據(jù)，機(jī)艙記錄各設(shè)備數(shù)據(jù)，試驗效果見圖6。

圖6 “吸盤3”輪裝駁裝置裝駁施工效果

裝載試驗從13∶10開始14∶50結(jié)束，歷時1.4 h，移船時間：0.30 h，裝載時間：1.10 h，泥駁裝載量約：2 700 m3。挖泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)：50%，航速0.2～0.3 kn。相關(guān)施工工藝參數(shù)：泥泵變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速：1 035 r/min；泥泵轉(zhuǎn)速：207 r/min；泥泵流量：13 341 m3/h；流速：6.5 m/s；密度：1.3 t/m3；2臺發(fā)電機(jī)組并車總功率：3 000 kW；輸出功率：2 239 kW；占總功率70%；剩余功率：961 kW；占總功率30%。主發(fā)電機(jī)組、液壓系統(tǒng)、疏浚設(shè)備、電氣設(shè)備、齒輪箱等相關(guān)設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，裝駁時兩船通訊暢通，兩船靠泊、移船安全可靠，裝駁試驗按要求順利完成，達(dá)到裝駁裝置改造的設(shè)計要求。

4 結(jié)論

1)將原設(shè)計的邊拋作業(yè)改為直接裝駁施工作業(yè)，可以實現(xiàn)疏浚泥砂的裝駁外運或上岸處理，能夠有效避免原有邊拋施工帶來的內(nèi)落回淤導(dǎo)致航道反復(fù)疏浚的問題，也可對外運的疏浚泥沙進(jìn)行后續(xù)處理，可滿足沿江地區(qū)開發(fā)建設(shè)的用砂需求。

2)經(jīng)過實際施工證明，此次邊拋管噴口裝駁裝置的改造效果較好，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便可靠、改造費用低等顯著優(yōu)點，并拓寬了“吸盤3”輪的施工范圍，提高了船舶的經(jīng)濟(jì)效益。

3)此次改造為同類船舶裝駁裝置結(jié)構(gòu)的改造工藝提供了參考方案，具有較強(qiáng)的工程指導(dǎo)意義，為長江航道的維護(hù)及疏浚棄砂再利用起到了積極的促進(jìn)作用。