浏览次数：275创新成果简介
“新海狼”、“新海鲤”是中交水利水电建设有限公司所属的二艘3500m3/h排自航绞吸挖泥船，与当前国内外同类先进绞吸船相比，在效率、产能、工况适应、设备可靠等方面存在较大差距，随着国内外疏浚吹填市场竞争加剧，疏浚装备领域技术研发投入加大应用加快，不足越来越明显。通过科技进步和技术研发对现有绞吸船技术改造，来实现施工能力和效率提升，提高经济性，使装备效益贡献最大化，缩小与现有同类先进技术绞吸船的差距，提高装备市场竞争和盈利能力，对两艘船进行技术升级改造。
1）二泵改三泵技术改造。因原舱内泥泵和水下泥泵效率低，可靠性差，舱内泥泵柴油机功率不足，故障率高原因，最初设想是对泥泵和舱内泵柴油机分别进行更新改造，但二泵绞吸船总排压低和更新改造原设备利用问题没彻底解决。为此提出二泵改三泵构想，在原有一套舱内泵基础上，再增加一套舱内泥泵成为三泵船，这样总排压不足问题可得到解决，同时可提高二泵作业时可靠增加，二泵作业时二台舱内可相互转换，互为备用，因此二泵改三泵具重要意义。能否实三泵改造，设备布置问题是首先面临的问题。
为了解决设备布置问题，首进行了设计图纸与实船实际布置的差异情况调查比对，对原设计布置有一个清楚准的认识，其次是要解决新增舱内泥泵柴油机、齿轮箱和传动系统和新增发电机组、舱内泥泵等大设备的布置方案，在大设备布置方案找到后，最后再研究考虑其它辅助设备和系统的布置问题，针对二泵改三泵的调备布置相关技术要求，提出了多套技术方案，每套方案提出后又对方案结合实船情况对技术可行性、合理性等进行查验，如提出的上甲板布置方案、泵舱改造布置方案和机舱与泵舱分别布置三个方案，经比对，泵舱改造布置方案和机舱与泵舱分别布置方案最优异，首先机舱与泵舱性能没有变，方便设备使用管理与操作，在可行基础上，对各方案进行比对选优，最后确定机舱与泵舱分别布置方案，以此展开研究与改造相关工作。
2）泥泵传动系统改造。泥泵常规驱动由柴油机或电机经过高弹联轴器、齿轮箱、传动轴等装置驱动，其中的齿轮箱均为单速比一对一传动，这种传动方式在短排距工程作业时，泥泵柴油机易出现超负荷运转，通常采用柴油机降速运转以降低泥泵转速，以避免柴油机超负荷运行；或切割泥泵叶轮直径，以相应降低了泥泵的流量、排压和功率；或增加管阻，在排泥管路末端加装节流缩口，提高排压，控制流量，增加管路阻力，控制泥泵超功率，这一技术措施实际上是将柴油机发出的部分功率额外地消耗在增加的排泥管路的管阻扬程上，降低了挖泥船的生产效率，万方挖泥油耗加大，增加了生产成本，不利于节能减排原则；为了解决这一问题，课题组首次提出了在绞吸船泥泵传动系统中采用双速比齿轮箱传动方案，可结合实际工况需要和泥泵和柴油机高效率工作区，在短排距施工时选用低速档，满足泥泵大排量、低扬程工况对柴油机功率匹配的要求，柴油机可保持在额定转速附近范围转运行，能充分发挥柴油机的效率与功率，避免了单速齿轮箱在短排距工况下采用安装缩口的被动状况，减少能量损失。在长排距工况施工时，齿轮箱选用高速档，柴油机在额定转速下运行，则可获得最高的泥泵扬程，满足长排距需要。双速比齿轮箱速比选择，通过CFD分析软件各对高低速比的选定通过泥泵特性与柴油机特性和各种模式进行性能评估研究，确定了双速传动比与泥泵传动方案。
3）电力系统与疏浚控制系统改造。原电站设置730kW主发电机组和250kW停泊发电机组各一套，可满足二泵施工电力需求，由于主发电机组使用频率很高，存在发生故障概率高，导致停工检修而影响施工问题，另外三泵改造后三泵施工时，用电设备增加电力负荷相应增加，存在原发电主发电机组加停泊发电机组并车供电容量不足问题，对电力系统改造方案开展研究，方案考虑把250kW的停泊柴油发电机组更换为与原主发电同型号730kW发电机组，并对配电系统改造，增加发电控制屏和负载屏、机柜、控制台等，可实现半自动并车，增加并联运行功能和负荷监控功能，方案的优点是新增的730kW停泊发电机组和原主发电机组在进行并车运营后，不仅可满足三泵工况下全船用电需求，而且在二泵工况时，二台发电机供电可以互换使用，当一台发电机组出现故障时，在不停工情况下也可以完成维修，避免了单一台主发电机组有故障时就要停工的局面，可提高了施工有效时间，也提高了供电的冗余能力。配电改造方案同时解决了新发电机控制屏改造和新增配电组合启动屏、机舱集控台的设计、布置、安装工艺等技术问题，对疏浚控制SCADA、AMS系统在保持架构和功能基础上，完成了全面技术改造与升级。
4）挖深改造。主要涉及了钢桩和桥架两大部分，钢桩与台车改造方案研究。挖深增加30m需要钢桩加长3m，钢桩长度增加到45m，钢桩改造提出了原有旧钢桩中间切断加一段方案和采用更高强度等级钢材重新设计制作钢桩方案二种方案，各方案结构强度分析采用MSC.Patran/Nastran软件进行有限元计算校核，对钢桩结构的有限元模型采用了四节点和部份三节点板壳元模型计算，建立钢桩模型板厚分布图、应力计算合成应力云图、插销孔处的应力云图，在可行的基础上对各方案的经济性进行比对，经过方案比较结果，选定技术与经济上更加合理的高强度钢新制改造方案。
桥架系统改造方案。研究绞刀最大挖深改造实现30m，考虑了二种方案，一是采用桥架加长方案，挖深增加到30m，需要加长桥架4m，将增加结构重量约45t，同时需要对桥架起升绞车、起升滑轮组、起升钢丝强度和长度、桥架吊架、桥架维修平台等进行相应改造。二是保持桥架长度和结构重量不变，桥架最大倾斜角度由原来的48°增加到55°，相应的最大挖深也可由原来的27m达到30m，为配合桥架倾斜角度的变化，改造桥架开槽内的浮力舱结构进行改造，因桥架倾角变化导致的门架与起桥钢丝绳局部干涉处的结构也需修改，需增加桥架绞车钢丝绳长度，在桥架内布置设备满足倾角条件下，经可行性与经济性比较，确定采用增加桥架倾角方案。
其它项目。在技术改造项目研究中，开展结构改造、浮态与性能控制、吸排泥管改造改造等相关问题研究，解决了船舶总纵和局部结构强度与设备布置、改造工程量、结构重量控制等矛盾，减少了改造工程量，控制了结构重量增加，保证有结构强度，控制了有振动异常发生；浮态与性能控制是在项目方案论证与推进过程同时步进行的，及时做好浮态与性能的变化研究分析，保证了在任何工况下船舶都具有合适的纵倾和足够的稳性；吸排泥管改造的重点与难点是泵舱空间限制，新增1#舱内泥泵订货泥排泥口方向选型限制，受时间和费用限制订货到的泥泵排泥口方向只有垂直向上，给泵舱内吸排泥管串联布置造成很大困难，改造方案经过反复修改与调整，不同施工模式泥泵吸排泥管转换采用不设闸阀直接采用更换联接方案，合理解决了吸排泥管改造技术问题。
改造完成后两艘船先后进行了清水效用试验，试验结果表明达到预期技术目标。在不改变船舶主尺度，充分利用原有设备和舱内有限空间，通过合理布置与结构改造，把二泵船改造为三泵船，增加了绞吸船长排距输送能力，产能由3500m3/h提升为4500m3/h；在绞吸挖泥船中首先采用了泥泵双速比驱动传动系统，改善了短排距工况适应性差问题，有利泥泵和泥泵柴油机特性正常发挥，降低了能耗；挖深改造中，采用钢桩和桥架改造技术，实现减少改造工程量和改造费用投入。
“新海狼”在厦门机场工程吹填三泵串联施工，土质中粗砂，粒径0.3mm～0.6mm，爬高6m，在排距3.4km,平均流速6m时，稳定浓度25%左右，同比油耗下降1.69t/万m3。“新海狼”、“新海鲤”在台州工程吹填二泵串联施工，土质带粉砂淤泥，爬高5.2m，平均挖深13m，平均排距8～9km，平均流速4m，稳定浓度35%左右。施工验证表明，改造后长排距输送能力和同工况施工浓度和效率增加，设备运转平稳，无异常振动。在效用试验与施工验证基础上，为了清楚改造后性能变化和同类先船舶的性能差异情况，选取同尺度代表当今国际先进水平的IHC8527型绞吸挖泥船进行对比。
序号
项 目
单位
IHC8527型
新海狼、新海鲤
改造前
改造后
1
主尺度LOA B×D
m
116.1×18.2×5.15
114.5×18.2×5.20
2
总装机功率
kW
13551
9514
13810
3
泥泵总排压
MPa
2.90
1.11
2.60
4
绞刀功率
kW
1100
1280
5
泥泵清水效率
%
86
77
86
（水下泥泵、1#泥泵）
6
最大挖深
m
27
27
30
7
标定工况产量
m3/h
4300
3500
4500
8
设备投资
亿元/艘
～4.0
1.25
～1.5
（建造加改造）
从上述表比较可看出，两艘船改造后比改造前综合性能明显提高，改造后各项技术指标已达到具有国际先进水平的8527型绞吸船的相关性能，同时又体现设备投资少，性价比高的特点。
依据教育部科技查新工作站Z19的科技查新报告（报告编号为201936000Z190032）中结论“除委托人文献外，基于泥泵驱动双速比驱动传动系统的适合长排距工况的三泵船未见报道；挖深达30m、桥架下放角度达55°、标定产能提高到4500m3/h的绞吸船未见述及”，具有创新性。经中国水运建设行业协会鉴定，该成果达到国内领先水平。
通过三泵改造、泥泵双速比传动、挖深改造、电力系统、排泥管改造、船舶结构与性能控制等具体项目技术研究，项目成果实现了原始创新和集成创新，改造后综合性能技术达到了国内外同类尺度绞吸船先进水平，为同类船改造积累了宝贵经验，培养和锻炼技术管理队伍，推动了企业疏浚装备的技术进步和升级。两艘船改造后取得了良好经济效益和社会效益，对同类绞吸船技术改造有借鉴意义。本项目的泥泵双速驱动技术、挖深改造技术等成果已应用于“新海鲲”绞吸船技术改造，并取得了成效，公司部分船舶与设备已制订了改造计划。