天鲸号(中国自主建造的首艘超大型自航绞吸式挖泥船)

天鲸号，中国自主建造的首艘超大型自航绞吸船。由中交天津航道局(简称天航局)有限公司出资，联合上海交通大学、德国VOSTALMG设计，由招商局重工(深圳)有限公司建造。在2010年建成时，该船装机功率、疏浚能力均居当时亚洲第一、世界第三。被誉为“功勋船舶”。

2008年4月28日建造工程开工，建造周期历时21个月。2010年1月19日，天鲸号在深圳交船。2017年，天鲸号启程奔赴海外。奔忙于“一带一路”沿线数万海里，历时五年，圆满完成“一带一路”沿线国家港口航道基础设施建设任务。2022年11月26日，“天鲸号”在连云港港赣榆港区接力天鲲号，参与连云港港赣榆港区十万吨级航道二期工程疏浚作业。

天鲸号自航绞吸式挖泥船总长127.5米，型宽23米，吃水6米，设计航速12节，绞刀功率达到4200千瓦，总装机功率为20020千瓦，最大挖深-30米。“天鲸号”能以每小时4500立方米的速度将海沙、海水的混合物排放到6000米外。

自2010年投产以来，先后在众多工程建设中发挥了重要作用，曾先后荣获“中国先进基层党组织”“中国工人先锋号”“中国国家科学技术进步奖特等奖”等重量级荣誉。

简史

背景

2000年之前，中原地区的大型挖泥船主要是从国外进口。国外对中国采取严格的技术封锁，仅仅高价向中国出口整船。大型现代化的挖泥船是结构复杂、技术含量高的特种工程船，国际挖泥船市场基本被欧洲少数几个国家垄断。

2002年，上海交通大学船舶与海洋工程设计研究所率先开展大型疏浚装备研究，在国内自行开发设计了第一艘大型非自航绞吸挖泥船“航绞2001”。在中国交建和大型疏浚企业支持下，开展了大型绞吸挖泥船设计技术研究及专用疏浚设备开发。

中交天津航道局于2003年准备启动大型绞吸船的建造工作，并与作为世界疏浚行业领军设备制造商的一家荷兰公司商谈。最终双方没有达成一致，谈判随之搁浅。

2006年，“天鲸号”开始筹划，船东特地在深圳孖洲岛造了船坞和船厂，但由于原方案排水量严重不足，以及航速预报有重大失误。此项目随即被德国人否认。

研制历程

2007年10月18日，由中交天航局出资建造，招商局重工有限公司承建的中国首艘超大型自航绞吸式挖泥船“天鲸”号建造合同在深圳签订。

2008年4月28日，“天鲸”号正式开工，整个建造周期历时21个月。

2010年1月19日上午，深圳孖洲岛修造船基地隆重举行了“天鲸号”自航绞吸式挖泥船交船仪式。

航行试验

2010年元旦前夕，由上海交通大学船建学院船舶与海洋工程设计研究所承担详细设计的“天鲸号”自航绞吸式挖泥船从深圳孖洲岛码头出发，在海上经历了第一次试航，试航中开展了船舶各种性能和设备试验，包括主机负荷、航速、侧推、抛锚、海上救生、操舵以及通讯导航等一系列船舶和设备运行测试，成功地完成了航行试验。所有试验均按计划顺利完成，各项性能指标达到设计合同要求，挖泥船工作性能完全满足使用要求。

施工历程

2010年1月19日上午，深圳孖洲岛修造船基地隆重举行了“天鲸号”自航绞吸式挖泥船交船仪式。就在当年，“天鲸号”参与了防城港市建设，在恶劣的环境下绞挖礁石毫无压力。

2013年，“天鲸号”开赴南海，在作业的200天中吹出1000万立方米的砂石，接连吹填了美济岛、渚碧岛、永暑岛、华阳岛、南薰岛、东门礁、赤瓜礁、永兴岛8座小岛，成为名副其实的“造岛神器”以及“功勋船舶”。

2017年10月，该船启程远赴西非加纳特码新集装箱码头疏浚工程，正式开启“一带一路”沿线港口基础设施建设之旅。

2022年11月26日，“天鲸号”自航绞吸式挖泥船在连云港港赣榆港区接力天鲲号，参与连云港港赣榆港区十万吨级航道二期工程疏浚作业。

2022年12月1日，疏浚重器“天鲸号”历时5年圆满完成“一带一路”沿线建设任务顺利归国，正式投入连云港港赣榆港区10万吨级航道南延伸段一期工程建设。

2023年3月13日，经过100余个夜以继日的紧张作业，“天鲸号”驶离赣榆港区，顺利完成连云港港赣榆港区10万吨级航道南延伸段一期工程阶段性施工保障任务。

2023年8月20日，中国自主建造的首艘超大型自航绞吸船“天鲸号”现身广西平陆运河项目航道15标入海口近海段，正式投入平陆运河建设施工。

工作原理

绞吸式挖泥船的挖掘作业主要依靠绞刀、泥泵和吸泥装置，在挖泥作业中，绞刀转动、切削、打碎土壤，泥泵吸人打碎的泥土，然后借助水上与陆地的排泥管道，输送泥浆到指定的区域，完成疏凌或者吹填施工过程。在施工过程中，作为绞吸式挖泥船的核心部件，泥泵在柴油机驱动下进行吸泥和排泥工作。为了挖出作业面规定的深度、宽度和长度，挖泥船还需移动，其部有钢柱两根，挖泥时将其中一根插人河底作为定位桩，用缆拉动挖泥船，以定位桩为中心，左右摆动挖泥。前移时，用另一根钢桩交替地换桩，因此，绞刀挖泥过程呈扇形前进。

施工方法

绞吸式挖泥船常用的施工方法有三种，即横挖法、分段挖法和顺逆流法：

横挖法适用于装有钢桩的挖泥船在一般区域施工；装有三缆定位设备的挖泥船在风浪较大的区域施工；装有锚缆横挖设备的挖泥船在流速和风浪较大的区域施工。

分段挖法适用于开挖沟槽长度大于挖泥船水上管线的有效伸展长度的沟槽；开挖含有转向曲线的沟槽；开挖不同规格和工期的沟槽；开挖受航行或其他因素干扰的沟槽。

顺逆流法根据不同施工条件进行选择。顺流法适用于在内河采用钢桩定位施工或者在流速较大时，采用尾锚施工；逆流法适用于采用锚缆横挖法施工。

泥泵形式

“天鲸”号的机泵舱形式中，两台舱内泥泵及驱动柴油机布置在舱内机舱，不同的是为水下泥泵和绞刀服务的疏凌发电机组同时驱动尾旋浆，即疏凌发电机组“一拖二”驱动发电机和螺旋樂（见图1）。因为绞吸挖泥船“作业时不航行，航行时不作业”，所以该种形式的“一拖二”与粑吸挖泥船上的“一拖二”驱动系统最大的区别是发电机和螺旋浆不会同时工作，即螺旋奖可以采用固定螺距螺旋桨而不需按照粑吸挖泥船那样配置成可调螺距螺旋浆。

基本构造

“天鲸”号船体为单体、双底、局部设中间甲板的双机双桨船型。桥架布置在船首，钢桩台车布置在船尾。主船体从艏至分别为桥架区域、变频设备与泥管区域、泥泵区域、机舱区域和钢桩台车区域，钢桩台车区域也是推进轴系和螺旋桨布置区域。主甲板上设有艏艉楼，部设六层住舱甲板室，舯艉两舷设辅助用甲板室，在船舯区域的左右两舷各设置一套装驳系统。

挖掘系统

挖掘系统主要由绞刀进行运作，绞吸式挖泥船的松土器具刀其实是主要的挖掘器具，但只挖泥不输泥，与机械式挖泥船有所不同。铰刀有多种类型以适应不同泥质的挖掘，其基本形状是冠状多刀片结构，刀片对旋转轴线斜置，因此呈螺旋线状，这是为了使阻力负载均匀。铰刀有开式、闭式之分。现在闭式有齿铰刀是主流类型。铰刀挖泥所需功率范围很大，微小型挖泥设备用的小铰刀，消耗功率20kW，大型海上自航绞吸式挖泥船的铰刀，所需功率达到6000～8000kw。中国建造的大型绞吸式挖泥船“天鲸”号，绞刀功率4000kW。

泥浆输送系统

“天鲸”号配置一台水下泵和两台舱内泵。水下泵采用变频电动方式，具有恒扭矩和恒功率的特性，能较好适应不同排距和装驳功能要求。舱内泵采用柴油机通过齿轮箱直接驱动泥泵，系统效率高，成本低，为了提高对不同排距的适应性，齿轮箱均为双减速比齿轮箱，使每台舱内泵能够在两个额定状态下利用驱动柴油机的额定功率。

定位系统

“天鲸”号的定位采用柔性钢桩平车系统，安装在船尾中部开槽内，由二个滑动导向机构支撑，一个在左舷，一个在右舷。这个导向机构装有弹性橡胶单元，台车上的导向单元与台车用球轴承铰接。钢桩台车和船体间设横向导向机构，装有复合材料衬垫。使用缆索系统控制钢桩架的稳定，缆索交叉方式布置，每根十字交叉的钢丝绳均设置的液压缸，液压油缸可预加载，并配有蓄能器，可缓冲冲击载荷（见下图）。一个钢桩台车液压缸驱动钢桩架的纵向移动。

主推进装置和侧推

“天鲸”号由柴油机通过齿轮箱驱动的普通定距螺旋桨，此柴油机在挖泥作业时作为主柴油发电机组的原动机，驱动螺旋桨和用作发电机组的原动机是此柴油机两个独立工况，因此柴油机能切换不同工作模式，以适应用作推进主机和发电机组柴油机，使“天鲸”号在航行时推进装置为双机双桨。

绞吸式挖泥船经常在狭窄水域作业，为了提高操纵性，一般配置侧推装置。“天鲸”号的侧推装置安装在船首桥架开槽右侧。初看上去，此安装与常规船舶一样，但因为船首有开槽，则需要侧推导管贯穿桥架和开槽另一侧的船体，或者侧推可伸缩。“天鲸”号因为航行时桥架高于侧推的导管，桥架开槽有7m宽，因此桥架和另一侧船体无需有侧推导管，使艏侧推装置简单。

电气设备

“天鲸号”电气设备采用的变频系统，具有驱动功率大、启动平滑、控制精准等特点，并且可靠性好，基本实现了“免维护”，极大提高了生产率。

绞刀

绞刀由两台交流电动机通过一个齿轮箱驱动。每个电动机均由主电站的配电板通过AFE（Active Front End）电压可变频驱动器（VSD）供电。

水下泵

水下泵由一台交流电动机通过一个齿轮箱驱动。电动机安装在桥架的水面以上部分，由主电站的配电板通过AFE VSD供电。

横移绞车

横移绞车使用的是由主交换机供电的两台交流变频电动机。每台电动机由VSD驱动。

桥架绞车

桥架起落所使用的是由主交换机供电的两台交流变速电动机。每台电动机由VSD来驱动。

变频系统

由于桥架绞车电机和横移绞车电机功率较大且经常会切换于电动和制动两状态，所以横移绞车和桥架绞车的电机分别通过开关连接到直流母线上——即采用变频直流母线技术。之所以选用直流母线技术，是因为它可以实现电动机电动状态和再生制动状态的能量自动补偿，而且减少了制动电阻的数量。为保持一定的牵伸张力，被拖电机必须处于制动状态，与直流母排连在一起，被拖电机变成发电机经续流二极管整流成直流回馈到直流母线，电机不但无须从电网吸收能量，还可将能量供给其它逆变器，既有利于直流母线电压稳定，又达到节能目的。