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1、新的超大型自航绞吸挖泥船 世界上最大的绞吸挖泥船 新一代挖泥船研究与开发的说明Frans A.M. Lijmbach, Robby de Backer, Caspar H.M. Kramers, Laurens J. de Jonge摘要：绞吸挖泥船最适合处理硬质土和粘性土。但是绞吸挖泥船也应具有耙吸挖泥船的一些特有的优点，如自航、自给和在海上作业。大约15年前，曾建造过一些可自航的绞吸挖泥船，并在不同的工况下使用。直到目前，仍在使用中的最大的绞吸挖泥船是“Leonardo da Vinci”（“达?芬奇”）号，其总装机功率约20,000kW。根据该挖泥船所积累的经验，Jan de Nul 集
2、团认为研制新一代绞吸挖泥船的时机已经成熟，新一代挖泥船最显著的特征就是规模扩大，尤其是在疏浚功率和更完善的通用性和方便性方面。这些观念构成了一艘新绞吸挖泥船的方案设计。与Jan de Nul及分承包商和供应商合作共同研发并制造世界上最大的绞吸挖泥船，这又一次对IHC荷兰公司提出了挑战。该船的总装机功率将达27,500kW，船舶规模将增加37。 在研制过程中，我们将疏浚设备设计、制造和使用的经验与在疏浚技术、造船学、轮机工程、材料技术、电气工程、ICT和控制技术领域的最新进展相结合。 本文从历史的角度和市场的眼光来分析这一新研制的挖泥船，将它与早期耙吸挖泥船市场中出现的规模扩大相比较，对其一些特
3、有特征、功能要求、限制和条件加以分析。同时，还对一些次级系统的开发、以及选用的方法和遇到的问题加以分析。本文将讨论土壤类型、船舶主尺寸、绞刀桥架（1550 t）、绞车系统、定位桩（每根230 t）及其提升和卧到系统、泥泵系统（15800kW，在三台泵之间分配）、各种电能系统、环境方面、振动和噪声问题的解决、流体动力方面和船舶抗风浪性能等。关键词：绞吸挖泥船，自航，航海1. 前言 本文介绍了迄今为止建造的功率最大的自航绞吸挖泥船“J.F.J. DE NUL”号。它的所有部件比原先建造的“马可波罗”号和“达?芬奇”号都要大，而且功率也更大。该船交付使用后，JAN DE NUL集团将拥有三艘均由IH
4、C建造的世界上最大和功率最强的自航绞吸挖泥船。启动投资如此巨大的一个项目蕴含着诸多的风险，因为必须重新考虑各种已知的限制因素，并且常常必须跨越这些限制因素。这些限制不仅存在于技术领域，也存在于财务和操作方面。本文仅对研制这艘绞吸挖泥船的技术方面加以讨论。 审视这一艘新船时，人们会提出两个问题：? 是不是越大越好？? 设计、建造这样一艘船有什么要求？是不是越大越好？人们研制这种绞吸挖泥船是出自于要超越当前这一代绞吸挖泥船在操作上存在某些限制的需要。因此，它必须在海况下具有更高的产量和更高的工作效率。为了正确看待启动这一项目的决策，本文将从历史和市场的角度进行分析，还将把“J.F.J. DE NU
5、L”号和其它大型绞吸挖泥船进行比较。 初看之下，该船很象是直接按照“达?芬奇”号进行设计和建造的一个较大的复制品。但实际情况并非如此。自从1986年“达?芬奇”号交付使用后的17年里，发生了许多变化。新技术、新材料和新的自动化设备被开发出来。但最重要的一点是在各种系统和结构的设计中功率和重量都增加了。对于IHC来说，这意味着需要在设计、计算和实际建造中付出更多的努力和艰辛。对有些供应商来说，所需要的某些系统的技术规格远远超出了他们以往供应的范围。有时，在结构上也会受到限制，因此必须寻找新的解决方案。图1. “J.F.J. DE NUL”号艺术印象图 出于以下几方面的原因必须进行创新：- 需要在
6、性能方面超越现有的绞吸挖泥船，尤其是在海况条件下的作业能力；- 与环境和船员工作条件有关的法规；- 在经验和技术改进的基础上对现有系统的改进；- 适应功率和重量的增加。 因此，初看之下，该船及其各个系统似乎只是通常的做法。船上每样东西都是成比例的。这使得人们容易忘记即使是熟知的或简单的结构也需要多少创新，而这些创新被掩盖在下面。 “J.F.J. DE NUL”号的设计和建造是JAN DE NUL集团、IHC荷兰公司和所有相关供应商共同努力取得的巨大成就。这艘船是17年后建造的第一艘自航绞吸挖泥船，并且开始了新一代绞吸挖泥船的研制。所有的努力已变为经验并扩展了许多有关人员的能力。2. 历史观点
7、本章从历史的角度来分析“J.F.J. DE NUL”号的研制。2.1 绞吸挖泥船 绞吸挖泥船通常作为适用于各类土质的一种非自航设备。而自航绞吸挖泥船则主要用于疏浚硬质土和粘性土。安装在绞刀桥架端部的绞刀用来破坏土壤的粘聚力、聚集泥土并产生泥浆。离心泵吸入泥浆并将其装入泥驳或通过水上排泥管进行远距离输送。挖泥船通过插入海底的一根定位桩固定其位置。利用边锚绞车和钢缆进行绞锚，使挖泥船绕着定位桩摆动。一旦将土壤浚挖至规定的深度，整条船需要向前移动一步。这可以利用一根辅助定位桩来实现，或利用定位桩台车来实现，这样可以减少定位桩的操作时间和提高产量。 绞吸挖泥船设计和操作过程中的三个主要问题是：问题 所
8、涉及的系统1. 产量 绞刀、泥泵、边锚、定位桩系统、绞车2. 绞刀精确定位 绞刀架、边锚、定位桩系统、绞车3. 切割力的传递 绞刀架、绞刀、边锚、定位桩系统、绞车 这三个问题相互作用，而各个系统集成多种功能。2.2 绞吸挖泥船起源 最早的绞吸挖泥船19世纪出现在美国。在美国它发展成为最主要的疏浚设备。欧洲和日本的挖泥船都采用了绞吸挖泥船的原理并不断努力改进设计提高性能。在欧洲，一直都是以荷兰和比利时的疏浚公司和船厂为主在进行创新。由于绞刀精确定位和切削力传递的原因，绞吸挖泥船最初仅用于没有大浪的有掩护水域。它属非自航挖泥船，被认为不能在海况下施工。2.3 自航绞吸挖泥船 然而，到了70年代，在
9、海况下疏浚硬土和岩石的需求显著增长。荷兰和比利时的疏浚承包商们意识到了这一潜在的国际市场并寻找解决方案。首批建造的是远洋、非自航重型绞吸挖泥船。随后在1977年Zanen-Verstoep (现在的Boskalis)公司建造了“Aquarius”号，是由De Merwede（1993年后并入IHC）船厂建造的。由此开创了一种新类型的绞吸挖泥船，也是第一艘大型自航绞吸挖泥船，其总装机功率为12,750kW。尽管自航绞吸挖泥船的建造和使用成本都较高但人们依然选择它的原因主要有两个。第一，为了适应在海况下工作，自航船舶装备较好，能够应付大风浪或无需帮助自行前往避风场所。自航船舶能够完全独立地工作。第
10、二，此类船舶的市场是国际化的，相对较小的工程分布在世界各地。自航挖泥船使调遣和调离的时间和费用显著降低。图2. “Aquarius”号2.4 疏浚承包商间的竞争 所有的疏浚承包商都彼此注视着对方。在设备方面有两条适用法则。效仿法则是指一旦新一代的设备得到了验证，其余的所有人都会效仿。发展法则是指效仿者希望它变得更大、更重、功率更大。所有的自航绞吸挖泥船都是在随后的数年内建成的，例如“Oranje”号（Boskalis公司）和“马可?波罗”号（Jan de Nul公司）。1986年，随着“Bilberg I”号（现在称为“Ursa”号）和“达?芬奇”号的建成，自航绞吸挖泥船的开发停止了，而“达?
11、芬奇”号依然是在服役中的功率最大的自航绞吸挖泥船。80年代末，由于进入经济不景气时期各大疏浚承包商都遇到了问题。没有新的投资，自航绞吸挖泥船的开发停止了。2.5 非自航绞吸挖泥船 在70和80 年代，在自航绞吸挖泥船发展的同时，非自航绞吸挖泥船也得到了改进。由于来自中东的承包商和有关机构不断增长的需求，这些非自航绞吸挖泥船的开发并未停滞。从“Mashhour”号（苏伊士运河管理局，1996）和“Al Sadr”号(阿联酋国家疏浚公司NMDC，1999)可以看出规模在增大。“Mashhour”号甚至比“达?芬奇”号的装机功率更大，但大部分功率都分配给了泵，分配给绞刀的功率比“达?芬奇”号少得多。
12、图3. “Al Sadr”号2.6 同类的自航耙吸挖泥船 进入90年代初期，随着第一艘大型自航耙吸挖泥船“J.F.J. DE NUL”号（现已出售并更名）的下水以及随后为国际疏浚公司（DI，为DEME的成员）建造的第一艘超大型自航耙吸挖泥船“珠江”号，疏浚设备开始了新一轮的大发展。超大型自航耙吸挖泥船使大型土地吹填项目在经济上成为可行从而创造了自己的市场。整个自航耙吸挖泥船队的现代化就此开始。设备的发展以及最重要的自动化催生了超大型经济型船舶。正在此时，尺度的进一步增大是否可行的疑问使这种发展趋势停滞下来。“WD Fairway”号（Boskalis公司）是其中最大的，舱容量扩大到35,508
13、m3， 但有计划要将“Vasco da Gama”号（Jan de Nul公司）的舱容扩大到44,000m3，这证明了发展法则。 随着自航耙吸挖泥船长度的增加，使它有可能够安装更长的耙吸管，从而增加疏浚深度。IHC公司为JAN DE NUL公司“Vasco da Gama”号制造的160m深疏浚设备是迄今为止最长的。 这些超大型自航耙吸挖泥船经证明可与绞吸挖泥船相抗衡，它们能够实施以前只能由绞吸挖泥船来实施的项目，并且更经济。由于安装了艏吹装置和改进的抽舱系统，因此减少了对抛吹作业的需求，而这通常是由绞吸挖泥船来做的一项工作。图图4、“Vasco da Gama”号上的深水疏浚设备目前看来似乎
14、超大型耙吸挖泥船的快速发展已经结束，疏浚承包商们重新又把目光放在了自航绞吸挖泥船上。一个原因是大型自航绞吸挖泥船队的平均船龄已达20年。这意味着它们要么需要全面的升级，要么需要更新换代。另一个原因是工程的类型不断变化，必须寻找新的市场。与自航耙吸挖泥船的发展相对应，这艘新的绞吸挖泥船可以称作超大型绞吸挖泥船。如果上述两个法则还适用的话，则这不可能是超大型自航绞吸挖泥船开发中的最后一艘。我们依然可以对波浪条件下作业的效率和适应性加以改进。3. 市场观点 新建大型疏浚船舶需要大量的投资，这只能指望该船能够承揽足够的工程以偿还该笔投资。还需明确的是建造和使用一艘自航绞吸挖泥船所增加的费用会在施工和操
15、作优势方面得到足够的投资回报。为正确看待这笔投资，下面从市场角度加以分析。3.1 绞吸挖泥船的使用年限 一艘自航绞吸挖泥船的技术和经济使用年限很长。许多已经建造的绞吸挖泥船，甚至已经使用了20年，今天依然在服役。一个原因是其平均利用率较低，有足够的维修时间。尽管在现有的结构中已经采用了现代化的设备、材料和自动化系统，但疏浚设备的基本设计和方案依然非常坚固，并且其价值已经得到了证明。它们并没有太大的改变，而且可以对现有的船舶在功率和自动化方面进行必要的升级。 与耙吸挖泥船相比，绞吸挖泥船的静荷载相当低。切削岩石、振动和冲击的动荷载对直接接触的构件如绞刀齿和绞刀本身具有很大的影响。它们都能方便地加
16、以更换。这些船舶的上部结构如船体、绞刀桥架等被设计和建造得非常坚固，能够承受较大的恒载和振动。它们不需要象耙吸挖泥船那样进行装舱和卸载的循环作业。这类荷载对耙吸挖泥船船体的影响要比较大的恒载对绞吸挖泥船的影响大得多。3.2 绞吸挖泥船适用的工程 适用于自航绞吸挖泥船这类船舶的土壤是硬质土和粘性土，包括坚硬的或胶结砂、各种粘土、软岩石或甚至坚硬岩石。一艘超大型自航绞吸挖泥船适用的典型工程类型与耙吸挖泥船适用的类型不同。在大多数情况下，这类船舶用于遍布世界各地的相对较小的工程，诸如管线的近岸段、入海排污管、港口建设和海上工业的各种特殊工程。未来可以预见的一些长期工程有巴拿马运河或其它运河的拓宽和长
17、距离管路的敷设。3.3 自航绞吸挖泥船 一艘自航绞吸挖泥船的选择对该船的建造和使用都有重要的影响。缺点是由于海上航行船舶的一些特殊要求诸如船体、推进系统和其它额外设备的安装，会对平面布置和设计造成一些限制。操作方面需要配备合格的驾驶船员，成本较高。 当然对那些工期短的工程来说，一艘自航绞吸挖泥船的优点十分明显，它可以完全独立地工作，可以到遥远的地方去。调遣和调离的时间和费用都有限。用驳船运输非自航绞吸挖泥船的费用非常昂贵，因为受时间损失和保险因素的影响。除此之外，仅仅是大型绞吸挖泥船的尺度就使它很难用半潜重件专用船或平底船运输。另外，拖带中的风险也相当大，并且不能随意忽略这些风险，因为这些大型
18、绞吸挖泥船的建造成本很高。这就意味着大型绞吸挖泥船能够自航几乎是必需的。 有些承包商更喜欢非自航绞吸挖泥船，如阿联酋国家疏浚公司（NMDC）和苏伊士运河管理局。主要的原因是他们的区域市场不需要太多的运输。“Mashhour”号在苏伊士运河施工而“Al Sadr”号在波斯湾作业。 为了在世界各地的不同工程中使用这些船舶，大多数自航绞吸挖泥船的平面布置都经过专门设计，可以进行多种配置，例如，可以在深度为35m时挖掘粘土和装驳而在深度为10m时使用10km长的排泥管线挖掘岩石。这要求绞吸挖泥船具有多用途、能够快速改变以适应新要求、能够绞吸大量的粘性土和硬土。作为一台独立的设备，它们通常配备抛锚杆用于
19、起锚和抛锚、装驳设备、绞刀头平台、绞刀头起吊设备、维修场地和工具、易于改变的泥泵配置、定位桩台车和卧到装置以及一台大型移动式甲板吊车。图5. “马可?波罗”号正在装驳3.4 辅助设备 尽管大型绞吸挖泥船可以自航，但为了达到最佳施工效果还需要有一系列辅助设备。这需要一笔投资，这笔投资加上必需的备件和工具几乎达到了和挖泥船本身费用相同的数量级。 “J.F.J. DE NUL”号的全套辅助设备包括：- 绞刀头 包括相关的绞刀齿和齿座。在“J.F.J. DE NUL”号交付时，会有12个新的绞刀头。- 多用途工作船 这是一艘专用的自航工作船，用来起锚和铺设浮管、为挖泥船运输备件、绞刀头和其它必需品。该
20、船长28m，型宽12.3m，装机功率为1400kW。有一台2600kNm的甲板吊，最大起重能力为225t。带有一个容量超过400m3的舱室，也可以用作加油驳。- 浮管 直径1000mm，带球形接头，工作压力38bar。- 重力锚 重170t。- 辅助浮箱 由浮箱和其它浮式设备所组成，用于锚定水上排泥管、铺设水下排泥管、敷设锚缆等。- 陆上车间 装备齐全的车间，装备有起重机、绞刀操作器、焊接工具组和疏浚非常坚硬土时维护和修理绞刀头必需的所有其它设备。 装驳系统要求有护舷系统，使大型驳船即使在恶劣的天气条件下也能靠泊和驶离绞吸挖泥船。“J.F.J. DE NUL”号的护舷系统重量超过220t。绞吸
21、挖泥船还需要配备大型驳船，用于运输和处置疏浚土。除了Jan De Nul公司船队现有的船体对开泥驳，现已订购了4艘新的3700m3驳船（型号SB313）以配合“J.F.J. DE NUL”号施工。表1. 船体对开泥驳 Geelvinck Magellano Nina SB313舱容量（m3） 1800 2000 3400 3700船长（m） 80 80 89.65 92载重量（ton） 2700 3600 5000 6200船舶数量 3 3 2 43.5 绞吸挖泥船的性能 很难对绞吸挖泥船的性能加以预测和比较因为涉及的参数较多。每一个工程都有其特殊的环境，存在特定的困难，若要真正进行比较，就需
22、要让两艘绞吸挖泥船并排工作。一种比较简便的比较方法就是观察功率和泥泵的特性。这些可以反映出船舶的性能，但不能反映出对环境因素诸如土壤、岩石和天气条件的反作用。 在实践中，“达?芬奇”号的一些极限性在其使用年限中已经被扩展。许多艰巨的工程已经被完成，未来还会有更多。无论工程如何要求，“达?芬奇”号总是不太适合这些工程。要在这些工程中施工需要有一艘性能超越“达?芬奇”号的绞吸挖泥船。被突破的极限包括绞刀功率、边锚绞车功率、绞刀桥架的重量和泥泵的功率。下面一章与其它大型绞吸挖泥船进行比较。 提高效率是超越“达?芬奇”号的另一种方法。这通过加长定位桩台车的行程和滑槽的重量来实现。完全依靠尺度和重量就能
23、提高该船在涌浪和风浪中的性能，因为通过它们就可以缩短由于波浪条件所造成的停工时间。3.6 竞争 所有已经拥有（自航）绞吸挖泥船的疏浚公司都会预测竞争的到来。这艘采用最先进的技术、结合20年使用经验并运用规模经济学加以设计的新建船舶，使得“J.F.J. DE NUL”号具有优势。预计它会以其35m的疏浚深度、海上的适航能力和绞刀的功率创造自己的市场份额。如果其它的主要承包商们接受这一挑战，我们不会感到惊讶。因为现有的绞吸挖泥船都已经相当老了，船龄都在20年左右，为保持竞争力和处于良好状态，都已经进行了改造或需要进行大的改造。图6. “达?芬奇”号4. “J.F.J. DE NUL”号的特征 对“
24、J.F.J. DE NUL”号加以说明的最佳方法就是把它的特征与它之前的产品和一些竞争对手进行比较。4.1 设计原理 “J.F.J. DE NUL”号的设计是在“马可?波罗”号和“达?芬奇”号的基础上适应新要求的进一步发展。对那些运转良好的组成部分和系统已经按照现代的标准加以设计。这些船舶在20多年的使用中所积累的实践经验在研制和确定该船技术规格的过程中起到了重要的作用。 “马可?波罗”号和“达?芬奇”号是按照能够独立地在世界各地承接各种类型的工程进行布置和设计的。“J.F.J. DE NUL”号保留了这一理念，并增加了两个标准：- 性能超越现有的任何绞吸挖泥船，并扩展绞吸挖泥船的能力极限；-
25、 提高在海洋条件下的作业效率和适应性。 为了满足第一个标准，增大了绞刀和泥泵的功率。通过提高船舶的尺度和重量来改善对波浪和涌浪的反作用，例如绞刀桥架的重量增加到1550t。其它措施包括在绞刀桥架的提升钢缆和定位桩的提升钢缆上采用波浪补偿器。同时，还通过模拟和计算以改进设计并确保建造质量优异，特别重视细部设计，从而提高了该船的性能。 非自航绞吸挖泥船船体和各系统的设计相对比较容易，不必都要满足海上航行船舶的规范。而自航绞吸挖泥船必须是正式的海上航行船舶，必须符合相应的规范和规定并能经受住任何严峻的海况。其设计是最优疏浚设施与造船要求折衷的产物。 该船按照Bureau Veritas船级社下列船级
26、标准建造： ? I ? 船体 ? MACH 挖泥船 无限制航行AUT-UMS4.2 主要特征 在表2中列出了几艘自航绞吸挖泥船和两艘非自航绞吸挖泥船的主要特征值。所有数值尽可能采用原始的竣工技术规格以反映功率的演变。最新的技术规格数据可能与此不同，因为这些挖泥船经过长期使用后大多数都进行了更新改造。 从“Aquarius”号到“J.F.J. DE NUL”号，功率的发展十分清晰。这些主要的特征值表明随着“J.F.J. DE NUL”号的诞生绞吸挖泥船开始进入新一代。6000kW的绞刀功率比以往增加了约30。15800kW的泥泵功率比“Mashhour”号增加了20，最大的输送压力达38巴。边锚
27、绞车的标称拉力为1400kN，最大拉力为1850kN，提高了约20。排泥管的直径增大到1000mm。为固定该船，采用了230t的定位桩和20t的边锚。定位桩台车的行程增加到9m。 表2船名 J.F.J. DE NUL号 达?芬奇号 URSA号（前BILBERG I号） 马可?波罗号 DCI AQUARIUS号 AL SADR号 MASHHOUR号船东 JAN DE NUL集团 JAN DE NUL集团 BOSKALIS JAN DE NUL集团 DI(从DCI租船) NMDC 苏伊士运河管理局造船编号 IHC CO1234 IHC CO1175 O&K Nr. 775 IHC CO1127 D
28、e Merwede IHC 02329 IHC CO1210建造年代 2003 1986 1986 1979 1977 1999 1996类型 自航 自航 自航 自航 自航 非自航 非自航总长 m 140.7 127.1 115.83 116 107 117.5 140.3浮箱总长 m 123.49 110 104.1 99.5 84.66 97.3 113.4型宽 m 27.8 22.40 20 19 19 20.3 22.4型深 m 8.8 8.15 7.8 7.6 7.6 6 7.2吃水 m 6.51 5.13 5.5 4.86 4.85 4.5 4.95总装机功率 kW 27190 2
29、0230 15871 14772 12512 20200 22669疏浚深度 m 6.5-34.75 6-30 5.8/25 30 25 27 35吸泥管直径 mm 1000 900 950 900 850 900 1000排泥管直径 mm 1000 900 900 900 850 850 900绞刀功率 kW 6000 4400 3960 2940 1990 2200 2400（最大3000）绞刀直径（最大） mm 3600 3600 3640 2940 2780 3470 3640绞刀直径（平均） mm 3000 2860 2620 2617 2502 2800 2900绞刀转数 rpm
30、31 31 38 31 40 30 24绞刀扭距 kN 1571 1132 796 725 475 700 955绞刀桥架重量 t 1550 1035 1255 800 600 1100 1150潜水泵功率 kW 3800 2735 2200 2280 1765 2200 2400船内泵功率 kW 26000 24485 23700 23310 22800 24200 25400泥泵总功率 kW 15800 11705 9600 8900 7365 10600 13200艏边锚绞车功率 kW 575 485 490 295 295 400 350艏边锚绞车速度 m/min 21-40 21.6
31、 20 18 17.5-25 25 23艏边锚绞车拉力 kN 1400 1210 1350 900 900 850 800定位桩直径 m 2.20 2 1.8 1.8 1.8 1.8 2定位桩重量 t 230 130 125 92 80 88 160推进力 kW 23800 22735 7400 22280 2870 非自航 非自航航速 kn 11.5 10.9 13.5 10.6 11.5 舱室 60 41 30 45 24 30 734.3 疏浚特征 对各绞吸挖泥船的性能进行比较是一个困难的问题，因为涉及许多参数。在前面的章节中，对一些基本情况进行了比较。本节根据MTI荷兰的DAS集团进行
32、的计算，依据可用的泥泵和绞刀的特征值进行了简单的比较。一艘绞吸挖泥船的产量受到可用泥泵功率和绞刀产量的限制。 关于一艘绞吸挖泥船绞刀功率、泥泵功率和其它参数之间关系的分析，建议参阅“绞吸挖泥船的功能要求”一文（详见港口与疏浚第147期）。 在图7中，对一些绞吸挖泥船的泥泵性能进行了比较。本图是按中细沙计算的。图中，虚线表示切削极限。计算依据原始设计技术规格书。考虑到功率的数值和绞刀的重量，预测“J.F.J. DE NUL”号的绞刀产量极限值会较高。 从这些数字可以预测绞吸挖泥船的性能和能力会创造新的极限值。当然这还有待于在实践中加以证明。图7、 疏浚特征5. 设计和制造中的创新 前面一章中简单
33、明了的数据说明了功率和重量的增加。要做到这一点，并非现有各系统简单外推的结果，而需要所有相关人员的努力和创造力。本章将对这些努力做一介绍。5.1 简介 “J.F.J. DE NUL”号在下列这些方面与众不同：1. 各方面的功能都是最强大；2. 效率最高；3. 最重；4. 自1986年以来是同类中的第一艘；5. 创造了一种新级别的船舶。 该项目采用的方法是综合IHC各种现有的知识并与Jan de Nul和各子系统供应商密切合作。 对以下各方面给予特别的重视：? 计算： 应力、扭距和其它振动、噪音、模拟、流体力学、有限元法（FEM）、计算流体动力学（CFD）? 系统集成 自动化、全部以柴油发动机发
34、电、动力管理? 环境 环境噪音、避免水污染? 船员 住舱、噪音、振动、气候控制? 实际建造 高标准、焊接、检查图8. “J.F.J. DE NUL”号下水5.2 计算和模拟 为了对安装在船上的几乎所有系统和结构的设计进行检验并加以改进，广泛应用了计算机辅助计算和模拟。 对所有重要的和重负荷区域都运用有限元法（FEM）进行了计算。对静载和动载都进行了模拟。大型构件如整个绞刀桥架和定位桩台车。计算结果对这些大型构件的细部结构在应力和疲劳方面的优化提供了资料。其它详细计算的例子有：绞刀桥架的耳轴、卧倒轴和锁定销、船体、双层底、定位桩、应急备用定位桩提升系统、船舶舷侧尤其是驳船系泊时的撞击作用，等等。
35、 进行动载计算是为了了解振动对结构的影响并限制疲劳的破坏作用。基于这些计算结果已经对各个结构及其设计详图进行了改进。 对该船上的各个驱动装置都进行了扭转计算。不仅对各个通常的系统如推进驱动轴和绞刀驱动轴进行了计算，还检验了振动对整个结构的影响。 其它计算还包括振动计算，以降低对人和机器的振动水平，对噪音也进行了计算，以降低住舱内的噪音水平和环境噪音水平。 MTI荷兰公司专门为客户进行了动态模拟。例如动态绞刀作业模拟。该模拟的结果被用作扭转、疲劳和应力计算的输入数据。还对定位桩在受限制的自由下落状态下的动态过程进行了模拟。这是一个复杂的系统，即定位桩悬挂在其提升钢索上下落。通过该提升钢索可以利用
36、提升绞车上的制动器控制自由下落。定位桩撞击地面后会使钢索形成一定的松弛量，这需要由波浪补偿器的液压缸收起。专门进行的一项多参数模拟使人们可以深入了解定位桩的动态过程。根据模拟结果改进了控制系统。 如前所述，船体的形状是疏浚要求和造船学之间的折衷产物：为在狭窄的航道内开挖边坡要求船体较短，要具有流畅的线型以便将水流导向螺旋桨，同时还应有足够的浮力来补偿绞刀桥架的重量。为了对该自航绞吸挖泥船的船体形状和推进器的布置进行优化，荷兰造船研究所（MARIN）进行了广泛的计算流体动力学（CFD）计算，随后流体力学最终设计的有效性通过模型试验得到了证明。 MARIN还进行了流体力学模拟研究，以预测该挖泥船在
37、海况下的性能，这对于获得设计条件和了解船舶运动对疏浚作业连续性的影响尤其重要。5.3 各系统的集成 两大原则对该船的设计具有重要的影响。它们是全部采用柴油发电机驱动的概念和自动化系统的全集成。 全部采用柴油发电机驱动的概念是这种类别的船舶的一大重要创新。该船是第一艘运用这一原则设计的自航绞吸挖泥船。三台主柴油发动机驱动三台发电机向所有的用电设备供电，包括绞刀电动机、泥泵电动机、绞车电动机、液压电源组及所有其它设备。这对船舶设计的影响是巨大的，一方面在平面布置上有更多的自由，另一方面设计必须考虑大量的高压电缆、变压器和变频器。用于绞刀驱动、推进器和水下泥泵的电动机是相同的。设计中做了必要的考虑以
38、方便其更换，从而在发生事故时减少停工时间。 自动化的数量和类型在世界上领先，可以与当前超大型耙吸挖泥船所具有的高标准相媲美。所有的报警系统均集成到一个控制系统。通过遍布在整艘船上的几个工作站可以监视和控制所有的子系统。电子海图系统可以提供疏浚现场的资料。安装了以前只有在耙吸挖泥船上使用的动力管理系统来调整供给各个设备的动力。5.4 环境 关注环境非常重要，特别重视限制润滑油和其它污染物质的使用。定位桩台车内的复合轴承是免维护的，不需要润滑。绞刀轴需润滑的轴承安装有专门的润滑油回收系统，收集所有废油。 距离该船25m处发散的声音不应超过75dB（A）。这已经通过采取一系列措施得以实现，如通过主机
39、和许多其它甲板设备的挠性安装降低振动、通过采用挠性连接降低齿轮箱和绞车的噪音、还有设备周围大量使用隔音材料。通过设计，绞车在1m距离处发散的最大噪音为83dB(A)。5.5 船员 在绞吸挖泥船上工作的经历是又嘈杂又振动；而JAN DE NUL公司的传统是船员长期生活在船上。因此，已经采取了许多措施降低噪音和振动，使船上的生活更舒适。在船员住舱内有健身房、酒吧、桑那和电视房。总体上，舱室是按非常高的标准建造的。 该船是按照在世界各地施工进行设计的，既包括北极地区也包括热带地区（-20C到45C之间）。布置了空调和暖通系统以保持舱室内宜人的条件。 舱室内的噪音被限制在60dB(A)，工作区域内在6
40、5dB(A)。降低各个系统噪音的措施在前一章中已经讨论过。专门为船员采取的措施包括将配有厨房、餐厅、娱乐室、桑那、健身房、酒吧和电视房的服务甲板布置在舱室和机舱之间，采用隔音的浮隔地板覆盖层，将疏浚管路支架与住舱分开。为了进行噪音设计并加以改进，进行了大量的噪音计算。 通过整艘船的设计和施工，尤其是绞刀桥架、主发动机的挠性安装和各种驱动机构，把令人不适的振动限制到最小。在设计阶段，运用动态有限元法（FEM）计算对这些振动加以量化并降低振动。 特别要求对主机（8400kW）进行挠性安装，功率如此之大的主机在疏浚业是不寻常的。同时所有的配电盘都采用了挠性安装。5.6 建造实践 建造过程非常精心。在
41、必要的地方，对焊接处采用X射线进行检验。船体、绞刀桥架和定位桩台车的结构经过认真设计，以限制振动和应力集中。 为减少应力集中和避免疲劳载荷产生的破坏，尤其是在绞刀桥架和定位桩台车的结构中：? 对所有边缘都进行了磨光；? 所有的过渡段和结构变化处都十分流畅；? 所有钢板厚度发生变化处均作斜角处理；? 横梁和舱壁上的开孔做得非常圆；? 始终安装支撑托架；? 所有的焊接都是连续的、精心加工并磨光。6. 子系统中的创新 本章将讨论一些特殊的子系统。6.1 绞刀 设计中的一项要求就是使用和“达?芬奇”号相同的绞刀。这与螺纹和泥泵吸口都有关系。所采用的“千年螺纹”比普通螺纹能多承受50的功率。随着吸泥管直
42、径的增大和采用大型绞刀轴承，几乎没有空间安装泥泵吸口。 所采用的绞刀大约重35t。专门为这些绞刀设计了新的绞刀齿系统，该系统应该能够承受该绞吸挖泥船按设计要承担的重型工程。6.2 绞刀桥架 绞刀桥架重1550t，为了能够在6.5m至35m的水深下作业，安装了高、低耳轴轴承座。耳轴销的直径为1300mm，并具有青铜轴承衬套。在轴承衬套内覆有铬镍铁合金层，以提供一个光滑而无腐蚀的工作表面。在其中部添加了一个平放点。“J.F.J. DE NUL”号可以依靠自己在两个支点之间转换绞刀架。在设计和制造中采取了专门的措施防止振动、应力集中和疲劳破坏。 销和轴衬的尺寸在冷缩装配要特别当心。为了满足非常小的对
43、准和尺寸的公差，要求在现场加工。图9. 运输中的绞刀桥架，机舱内装有驱动绞刀的两台电动马达和220t重的齿轮箱6.3 绞刀驱动齿轮箱 非同寻常的6000kW绞刀功率将用安装在绞刀桥架顶部机舱内的两台电动马达传递。这一功率通过一个特殊的220t重的Jahnel齿轮箱传递，该齿轮箱比Jahnel所制造的任何其它齿轮箱要重60t左右。这意味着在齿轮、轴承和轴的设计和制造过程中要特别的精心。采用了特殊的硬化材料用以承受齿轮内的齿应力。这些齿轮的制造达到了物理可能的极限。6.4 疏浚设备 水下单壳泵和两台舱内双壳泵均为IHC制造的。舱内泵的设计传输压力高达38巴。船上的管子全是双壁式的，在提供强度的外层
44、低碳钢管内有一层非常坚硬的铸钢耐磨内衬。两者之间的混凝土将两者粘结在一起。 为检验有限元法（FEM）的计算结果，疏浚管路中所使用的某些闸阀的测试压力超过50巴。为做到这一点，专门进行了准备工作。 泵舱很宽敞，便于维护和更换。可以快速地从装驳配置转换成水上排泥管配置。图10. 1550t绞刀桥架的安装6.5 装驳系统 装驳系统按照可以在涌浪和波浪条件下作业的要求进行设计。在挖泥船舷侧安装的护舷系统对该船和驳船起到保护作用。护舷后部的船体采用双层壁和隔离舱增强。系泊绞车是自拉紧式的，可以使驳船保持不动。通过控制台可以观察装载过程。装驳管上装有回转接头，可将装驳管调整到最佳位置。6.6 定位桩、钢桩台车和定位桩提升系统 对由定位桩、定位桩台车和定位桩提升系统所组成的整个系统，需要付出大量的努力、进行大量的创新。这是因为对该系统超常规的要求以及该系统的尺度和重量。因此，对每一方面