大型挖泥船舶施工效率控制探讨

摘 要：本文介绍了影响大型挖泥船舶施工效率的主要因素和控制施工效率的主要途径，简单介绍了现代挖泥施工船舶的一些新材料、新工艺和计算机信息集成控制新技术。对挖泥船舶操作及相关人员在管好、用好设备，提高施工生产效率方面有一定的借鉴意义。

关键词：挖泥船 施工效率 技术创新 集成控制系统

近年来，世界各大港口及城市吹填造地需求迅猛发展，大家熟知的比如迪拜世界岛工程，新加坡城市填海造地工程，港珠澳大桥人工岛隧工程等，都是依靠大型挖泥施工船舶远程深海取砂、近岸吹填的方式而在海上形成的巨大陆域工程；而港池/航道的浚深维护，深海电缆、煤气管道等基槽的精确开挖等大型深水作业、施工（图1）等也都离不开大型挖泥施工船舶。大型挖泥施工船舶的施工效率控制是此类大型水上工程成功的关键因素之一。

1.影响挖泥船舶施工效率的主要因素

现代挖泥施工船舶主要有斗式（抓斗和铲斗）和吸/排式（非自航绞吸式和自航耙吸式），斗式挖泥船的效率控制主要取决于斗的大小和每斗的操作速度。而绞吸式和耙吸式挖泥船的施工效率则是多方面的综合结果，主要涉及如下方面的管理要求：一是设备的管理（船上主要指轮机管理），一是操作的管理（船上主要指驾驶员和挖泥长控制），另外新材料、新工艺、新技术、计算机网络等的广泛使用，对大型挖泥施工船舶的效率控制可起到事半功倍的效果。

2.控制挖泥船舶施工效率的主要途径2 . 1设备管理是效率控制的关键

设备管理指的就是要保证全船机电设备、液压及其控制系统处于良好的工作状态，因为所有设备都是为能保证船舶安全，保证施工设备能正常、高效运转而设计的。任何设备的不正常，或者会影响船舶安全，或者会影响施工时间，或者会影响操作速度，所有的设备缺陷最终都影响的都是施工效益。其中最关键的影响因素有如下方面。

2.1.1设备管理的首要重点就是要保证动力源的正常

动力源主要指船舶柴油机，所以柴油机从进厂修理时就要开始抓起，加强监修，保证修理质量，

使船舶柴油机在整个大修周期内均能保持在良好设计运转工况，能达到额定的功率输出。对于推进柴油机，如果运转工况不佳，达不到额定的功率输出，则无法保证施工与抛泥航速；对于泥泵柴油机或电动机来说，原动机必须要能满足泥泵的额定转速（功率）要求，根据泥泵功率和转速的关系式（P2/P1=n23/n13）可知，泥泵转速的轻微下降，必然造成泥泵功率的3次方下降，从而造成挖泥船整体施工效率的大大下降

2.1.2泥泵是大型挖泥施工船舶的关键设备

如果将船舶主机比作是航行船舶的心脏，那么泥泵则是挖泥施工船舶的饭碗，船上的一切设备都是为了泥泵能正常、高效运转而设计的，如果泥泵不正常，那么施工船舶的一切设备运转都将是一场空耗。一艘挖泥船舶一旦投产，其泥泵型式和大小（功率）也就固定了，但作为使用管理者来说，要保证施工效率，也就是要保证泥泵本身状态良好，使泥泵功率-效率曲线具有较高的斜率。如果泥泵疏于拆检，前后衬板间隙、吸口阻嘴间隙过大，水封水流量和压力达不到要求，必然导致前后衬板、封水腔、吸口阻嘴环处磨损加剧，内部回流增加，内漏加大，泥泵功耗损失加大，功率-效率曲线斜率下降，所以虽然泥泵原动机功率能够发挥，但施工效率会明显下降。泥泵叶轮前/后衬板间隙可以通过增减叶轮螺纹头与轴封套间的调整垫片数量来调整，如果调整垫片无法满足前后衬板间隙要求，也可以通过在衬板和耐磨环后垫装薄铁板的方法来调整，或者换新前/后衬板、耐磨环和叶轮。

2.1.3 液压及其控制系统是挖泥施工船舶的肌肉及其神经单元

与航行货船不同，挖泥船舶的所有挖泥机具几乎都是靠液压系统来控制驱动的，比如自航耙吸挖泥船的耙臂控制，波浪补偿器控制，溢流门控制，施工闸阀和蝶阀的控制等；而绞吸施工船的桥梁控制，摆动横移控制，钢桩及台车控制，绞刀头驱动等几乎一切船舶动作都是靠液压来完成的，一旦液压及其控制系统不正常，船舶就必须停工而影响有效施工时间。所以平时要注意液压系统的维护保养，加强液压控制PLC系统的检查维护，保证输入/输出模块及电源正常。对整个液压及其控制系统易耗件要有足够的备件储备，比如一些压力控制阀、方向控制阀，PLC电源、输入/输出模块等。

2 . 2有效操作是效率控制的有力保证

保证施工效率的另外一个重要环节是操作管理（图2）。比如对于耙吸船来讲，挖泥长要密切注意水下耙头吸口情况，及时调节耙头深度和角度以及调节泥泵转速，保证有适当的浓度和流速，使泥泵既不会超负荷，又不会在部分负荷下工作，驾驶员则要根据施工环境选择合理的挖泥速度和轨迹、快捷的抛泥航速和路径等。对于绞吸式挖泥船，挖泥长必须选择合理的挖深、进距、绞刀头转速、摆动速度以及合适的泥泵转速以控制好流速和浓度等。另外对于泥泵和管线的匹配、施工区域合理的管线布控、区域选择等都要预早研究。

2 . 3技术创新是效益控制的有力促进

（1）新型耐磨材料的广泛使用可延缓挖泥机具的磨损，延长零部件的使用寿命和检修、更换周期。比如对需要铸造加工、有精确尺寸要求的泥泵叶轮、衬板、阻嘴、耐磨环、泵壳等使用新型高锰铸铁（Maxidur5.1）耐磨材料，在相同施工环境下其使用寿命可比普通锰钢耐磨材料延长10倍以上。对没有精确尺寸加工要求的比如挖泥管线，采用管内衬新型信络钢（SA1750CR碳化铬合金）耐磨材料或者管内衬耐磨陶瓷复合材料，在相同施工介质环境下其使用寿命是普通碳钢的20倍以上。对挖泥机具、管线的局部磨损凹坑部位，采用耐磨陶瓷涂敷材料进行局部修补，可有效减少流阻损失，延长零部件使用寿命和检修、更换周期。

（2）新型挖泥机具的开发应用可有效提高施工效率。现代大型挖泥施工船舶已广泛使用新型高效泥泵。普通泥泵因疏浚介质几乎成直角地由泥泵叶轮吸口转向叶轮排出口，流阻损失大，撞击磨损严重，叶轮进口处后叶墙跟部很容易磨损穿孔，因而泥泵叶轮使用寿命短，泵的整体效率最高只能达到60%。高效泥泵因疏浚介质可平滑地通过泥泵叶轮，流阻损失和磨损均较小，即使因吸入真空太高而在叶轮进口边缘容易产生汽蚀磨损，但因此处叶墙很厚，对叶轮的整体使用寿命影响不大，泵的整体效率可以达到85%以上，而且在泥泵额定使用功率和转速范围附近有较宽广的高效区域。

现代大型自航耙吸式挖泥船广泛使用的带高压冲水的主动耙头能有效地适应不同的疏浚环境和介质，耙齿上的高压冲水可有效提高耙头的破土能力，防止耙头吸口被粘土堵塞。可随意角度调节的耙舌可实现自动定角度、定压力和人工手动调节等功能，使耙头吸口能有效地贴合疏浚海底，耙舌上的可调节式挡水板能有效防止闷耙等功能。

现代大型绞吸式挖泥船也配备了不同形式的铰刀头，可分别适应不同的砂质、粘土甚至岩石环境，而且绞刀头功率越来越大，因而适应复杂工况的能力也越来越强，因此效率也越来越高。

3.挖泥施工船舶集成控制系统

为了使操作人员能及时掌握疏浚过程，改变疏浚方式以适应不同的施工环境，现代挖泥船舶均安装了IDCS系统（Integrated Dredger Control System挖泥船集成控制系统），IDCS系统实现了疏浚过程控制由人工向智能化的迈进，该系统具有良好的人机显示界面，具有辅助决策、分析功能，能生成各种报告，并扩展有关控制、维护和商业操作的功能（比如远程数据传输，疏浚过程远程实时监控、分析等），通过该系统能够及早发现影响效率的因素，指导挖泥操作，对提高挖泥船舶施工效率具有非常重要的指导意义。

IDCS系统是通过计算机网络系统、将各个疏浚分系统和非疏浚（平台）分系统通过光缆或网络电缆进行连接同时为SCADA系统（Supervisory Control And Data Acquisition 控制管理和数据采集）提供载体。疏浚分系统中对挖泥船舶施工效率影响最关键的是DTPM系统、SCADA系统和辅助决策系统。

（1）D T PM（D r e d g e Tr a ck Position Monitor 疏浚轨迹显示）系统用于船舶航行及疏浚施工过程中的船舶精确定位及航迹显示，该系统能自动更新背景文件和水深，并能设定不同的颜色标识，能实时显示船舶形态、位置、航行轨迹，能精确显示疏浚耙头（或绞刀头）所处海底整个施工区域的横断面和纵断面地形并实时自动更新等。该系统能有效指导驾驶员对挖泥船舶的精确操纵、精准疏浚，避免无效施工，从而有效提高船舶施工效率。

（2）SCADA系统能实现对全船疏浚设备及其相关系统的监测、控制、校准、维护和诊断，能方便地进行人机交互，如：用文字、动画显示现场的状态，并可以对现场的开关、阀门及其他设备进行操作。比如对挖泥操作员具有特别帮助的STPM（Suction Tube Position Monitor 耙管位置显示）系统能够以图形、文字、动画状态精确指示耙臂管的位置状态，显示主动耙头耙舌状态，显示瞬时泥泵运行参数和效率等，STPM系统能直观方便地指导挖泥操作人员进行各种相应的调节从而保证泥泵施工效率。

（3）辅助决策系统能根据产量计在计算机平台的数据实时显示及历史数据分析，指导船上对耙头燕尾角度的调节、燕尾上的进水阀调整、波浪补偿器压力的调节、耙中的深度调节等，同时还可以通过查找辅助决策系统的历史数据记录，确定最佳装舱时间，实现最经济装载、抛泥方案的选择等，随时掌握某一时间段的施工情况，并针对发现的问题及时处理，从而可以大大提高挖泥船舶综合施工效率。

4.结论

控制和提高挖泥船舶施工效率是一个综合的管理、控制过程，除了要求船舶相关人员能管好、用好比普通商业航行船舶多而复杂的独立设备，还要具备相关的综合分析处理能力，有熟练的操作技能和实践经验，有创新精神，能充分利用计数机集成控制系统，排除每一个影响施工效率的微小因素，则挖泥船舶整体施工效益才能保持和提高。

参考文献：

[1]吴恒.船舶动力装置技术管理[M].大连；大连海事大学出版社，1998.

[2]张伟.新型铸造高锰钢材料的研发[J].铸造技术，2011.

[3]Dredge Pump Technical Manual[Z]. IHC，2012.

[4]IHDCS Technical Manual[Z].镇江亿华系统集成有限公司，2012.

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