突破绞吸式挖泥船核心技术助推大型疏浚装备走向远海

本刊记者 吴秀霞

以上海交通大学为主的科研团队已建立大型绞吸式疏浚装备自主研发与产业化技术体系，并取得了重要成果。

随着我国基础建设快速发展、特别是“一带一路”倡议的实施，从近海到远海的港口、航道、临海基地等疏浚工程量正快速增长，对大型疏浚装备提出较大需求。同时，港口航道深水化及沿海临港工业区建设需求推动大型绞吸式疏浚装备快速发展，使我国大型绞吸式疏浚装备逐渐具备远海作业能力。与此同时，疏浚业逐步向海上岛礁建设推进。在日前召开的第20届中国国际海事会相关论坛上，上海交通大学海洋水下工程科学研究院院长杨启表示，近年来，由上海交通大学联合中交疏浚等单位组成产学研用团队，解决了岩石挖掘、海上可靠定位、泥沙远距离输送、绞吸式疏浚装备系统集成等技术难题，建立了海上大型绞吸式疏浚装备自主研发与产业化技术体系，并在该系列装备研制方面取得了重要成果，促进我国疏浚业从近海走向远海。

攻克四大核心技术

大型绞吸式疏浚装备包含绞吸式挖泥船挖掘海底岩土并同步远距输送技术，需具备抗风浪、高强度、高可靠、高效率的连续作业能力。其中，挖掘技术、定位技术、输送技术及系统集成是绞吸式挖泥船四大核心技术，攻克这四大难点，等于掌握了大型绞吸式疏浚装备的核心“命门”。上海交通大学船舶设计团队在社会各界的大力支持下，20年来，开发了59艘大型绞吸式疏浚装备系列。

杨启表示，绞吸式挖泥船绞刀挖掘技术对于挖掘泥沙来讲技术比较成熟，绞刀切削泥土的载荷不大，重点解决泥土挖掘效率，减少挖泥泥沙的散失率。对于挖掘粘土重点是解决挖掘过程的吸入性、吸口堵塞等问题，当然，挖掘粘土的载荷特性也是值得关注的问题。

首先，目前一个难点在于岩石挖掘理论和挖掘载荷的计算分析，以及挖掘岩石的绞刀研究开发；另一个难点则是绞刀长轴系挖掘岩石的扭振问题。对此，上海交通大学研究团队开展了大尺寸切削破岩试验、绞刀挖岩数值试验，提出了切削破岩数值模拟——SPH、刀齿切削破岩理论，开发了倾斜弹性结构上超长轴系挖掘装置。最终，提出海底高强度岩礁的快速挖掘破碎技术，研制出7800千瓦重型绞刀、40米超长挖掘驱动系统和重型绞刀架。

其次，疏浚从近海走向远海，远海海况更加恶劣，海浪会对定位桩产生万吨米级的弯矩，巨大载荷造成海上作业定位困难，轻则无法作业，重则断桩。为了降低作用在定位系统上的载荷幅值，项目组开发了由挖掘系统、装备主体和定位系统组成的多体耦合动力学分析技术，用于分析装备的载荷特征，并在主体和钢桩台车之间，增设了缓冲补偿装置，它由油缸加蓄能器或者由钢丝绳加油缸等组成，使用时，可根据波浪的特征，调节缓冲补偿装置初始状态，改变其固有频率，使其与激励外力的频率避开。通过计算分析，项目组找到了定位系统利用缓冲补偿装置降低载荷幅值的规律。最终，该团队开发出复杂海况中重载作业可靠定位装备，创建了漂浮装备主体、挖掘和定位三大系统的多体耦合动力学分析方法，研制了具有自主知识产权的四大特色设备，即：多环均压式钢桩提升机构、快速倒立桩机构、双轭架式驱动机构及多自由度缓冲机构。最终，重载作业定位技术将不同型号的行走机构、升降机构、缓冲机构、倒立桩机构和钢桩集成在一起，形成了三代钢桩定位系统。

再次，在物料输送技术方面，项目组提出复杂地貌绞刀轨迹实时检测与控制系统，克服海流作用、钢索变形、多变地质等影响，实现定深定宽精准疏浚作业。“在海浪中的疏浚装备即使被一根钢桩定位，仍然会有一定幅度的往复运动，这个运动会使绞刀的进刀量、切削量发生改变，进而影响绞刀的挖掘轨迹，影响挖掘的产量和效率。”杨启表示，针对海底岩礁大块物料卡泵的难题，提出扭曲三叶片型叶轮和多介质内流道设计方法，在提高大型疏浚泥泵的过流球径同时增大泥泵输送效率，进而研发出多泵协同低阻力管道输送系统与控制技术，实现了“动力装置-疏浚泵-输送管道”特性匹配的高疏浚产量优化控制。这套系统与控制技术在多座装备上进行了产业化推广，输送距离提高到15公里，平均万方能耗降低15.8%，达到国际领先水平。

最后，设计和制造大型绞吸式疏浚装备是一项复杂的重大工程，要将大型绞吸式疏浚装备的各大系统科学地集成起来，设计制造出安全、高效和节能的产品，必须有科学的研制体系，合理的设计流程，严格的质量保证措施。杨启指出，项目团队基于绞吸式装备疏浚机理，提出负载平衡高效动力控制策略，开发了多系统综合能量分配的集成动力系统，降低疏浚作业能耗。同时，开发装备系统、疏浚环境、作业参数的实时信号采集与精准控制技术，研制3D实景地形重建疏浚监控系统，实现可视化高效疏浚。最终，项目组研发突破了疏浚作业系统、动力系统、控制系统与装备主体的集成设计瓶颈，研制出高效动力系统和疏浚集成监控系统，构建了大型绞吸式疏浚装备的设计制造体系，与国外相比研制周期缩短35%，建造成本降低44%。

关注四大发展趋势

“航绞2001”号既是上海交通大学设计的第一座大型绞吸式疏浚装备，更是上海交通大学和上海航道局研制的具有自主设计产权的第一座绞吸式疏浚装备。在国内无设计能力、配套能力、建造能力的背景下，“航绞2001”号走出了从无到有的第一步，这一步虽然走得很艰难，犯过不少错误，但改变了大型绞吸式疏浚装备核心技术受制于人的状况。除此之外，上海交大后续研发的“天狮号”“天鲸号”等自航绞吸式疏浚装备对南海岛礁建设和“一带一路”重大工程发挥了重要作用。

杨启表示，未来绞吸式疏浚装备将呈现重型化、智能化、全电力驱动、节能环保等发展趋势。

首先，基于工程的需要，岩石越来越难以挖掘；出于环保的需要，国际禁止爆破等传统施工，机械方法施工是比较高效的替代方法。因此，重型化是绞吸式疏浚装备今后发展趋势之一，随着绞刀功率不断增加，挖掘能力越来越强。目前，国内的“天鲲号”“新海旭”“新海腾”“长狮18”等一批具备大功率绞刀的绞吸船已经相继投入使用。

其次，大数据、云控制、智能决策的应用，推动绞吸式疏浚设备和机构控制走向智能化。未来，绞吸式疏浚装备将呈现浚测一体化、三维地形重构、绞刀轨迹控制、疏浚智能决策、功率集中管理、动力智能分配、全电力驱动等“智能”特征。

再次，变频技术全面应用、中高压输配电等技术的推广，将降低绞吸式挖泥船的万方油耗，实现节能环保。绞吸式疏浚装备将具备大功率设备实现全部电力驱动、大功率电气变频控制、中高压输配电、大功率负载自动转移、自航与疏浚动力共享等特征。

最后，杨启表示，随着疏浚设备设计精细化、装备适应性及能效的不断提高、动力系统集中管理与优化、柴油机液化天然气（LNG）燃料驱动以及各种防污染措施的推广，节能环保将成为绞吸式疏浚装备的重要特征。近20年来，上海交通大学船舶设计团队研发了大型绞吸式疏浚装备五大类59艘（座），其产品在疏浚企业承接工程中发挥了重要作用，参与18个国家的211项疏浚项目，推动“一带一路”沿线港口航道、临海基地等重大项目实施，并助推我国逐步成为世界疏浚强国。★