第334期【齐悦读—线上共读—透视新科技】 “齐悦读”[线上共读]《超强挖泥船》
讲座题目：透视新科技——超强挖泥船
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：杨 启，上海交通大学教授。
陈 征，北京交通大学。
讲座时间：2022年2月7日～2月13日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——超强挖泥船
讲座内容：
各位好，欢迎各位收看我们今天的《透视新科技》，我是主持人胜春。大家看我身后的这艘船，被称作是海上大型绞吸疏浚装备，俗称是挖泥船。这个挖泥船非常了不起，甚至有人把它称作是国之重器，而且获得了2019年国家科技进步奖的特等奖。它到底有多厉害呢？接下来呢，我们通过短片去了解一下。
在2019年国家科学技术奖励大会上，上海交通大学船舶设计团队牵头的海上大型绞吸疏浚装备的自主研发与产业化项目获得国家科技进步奖特等奖。海上大型绞吸疏浚装备是海上资源开发、港口建设、填海造地、航道疏浚等海上工程作业离不开的大型特种装备，目前世界上最大、最先进的海上非自航绞吸疏浚装备新海旭号就是我国自主设计和建造的。这种海上大型绞吸疏浚装备到底具有什么样的超强能力？它为何能获得国家科技进步奖特等奖这么高的荣誉呢？我们先介绍一下我们请来的两位嘉宾，一位是我们上海交通大学的杨启教授，欢迎您杨教授！主持人好！各位观众好！另一位是北京交通大学的陈征先生，欢迎陈征！主持人好！为了做这期节目，就我们这个设备的名称，我还真做了一点功课，叫海上大型绞吸疏浚装备。这个其实挺拗口的，所以特别想请两位给我们科普性地解读一下，这到底是一个什么样的装备？
疏浚其实是一个非常专业的一个名词，顾名思义实际上我们也就是通过人力或者是机械的方式，能够来挖掘。你比如说航道、码头、港口、河流淤积的这样一个泥沙、石块，然后达到就是保障这个航道正常的这个运行的目的。名字其实很准确，海上是它工作的场景，然后大型说明这是个大块头，它干的活是重活，是规模非常庞大的工程，然后这个绞吸是工作方式，绞然后吸，然后它实现的目的是什么呢？是疏浚，是完成水道的疏通的这么一个功能。所以，这样看起来这个名字为什么要起这么长。这样的一个大型绞吸挖泥船，它到底是怎么绞吸又疏浚的呢？实际上大型绞吸挖泥船，它有一个绞刀挖掘系统，这个绞刀挖掘系统，通过这个水下切削和挖掘泥土和岩石，然后船上还有一个大型的离心泵，那么这个离心泵就负责把这个绞碎的这样一个泥沙和石块和水的混合物，能够就是把它吸起来以后，通过长距离的管道排到我们需要指定的这样一个区域，完成整个这样一个绞吸疏浚的过程。
从原理上讲，其实就是完成两件事。第一就是把要挖的东西绞碎，然后把它抽出来。而运的方式是用管道，用离心泵把它抽出来，就是吸的方式，然后把它输运到远方。可能我们这么聊起来，观众可能很难理解，这样通过一段短片让观众来加深一下了解。首先，大型绞吸挖泥船在工作区就位之后，工作人员通过操纵手柄放下近200吨重的钢桩，并插入海底，然后将两只铁锚一左一右抛下，在保障船舶稳定的情况下，放下绞刀头，使绞刀位于海底工作面上。接着，操作两台横移绞车牵引船体绕着定位桩扇形旋转进行挖泥作业，同时，安装在绞刀架上的水下疏浚泵，把经过绞刀头切削挖掘的碎散岩土与海水的混合物快速吸入，然后经过排泥管道连续不断地输送到指定地点。之前我们国家一般用的都是什么样的挖泥船？
在我们国家实际上到1889年，就是在上海的黄浦江，就用这种挖泥船来进行疏浚，那么这种船当时就非常小，然后功能也非常简单，遇到岩石或者坚硬的土质，它就没办法施工了。但是现在那么船就逐步地大型化，我们就可以从挖掘淤泥、沙石，到了我们可以挖掘比较坚硬的珊瑚礁和岩石。那之前我们的挖泥船不是自己做的吗？我们实际上在（公元）2000年之前，我们国内对于大型的这种挖泥船来讲，我们基本上是无设计、无制造，也没有配套的能力。无设计、无制造，甚至无配套能力。对。这个东西这么难吗？对，所以说我们在（公元）2000年之前，那种大型的这种绞吸疏浚装备基本上都是进口的。基本上靠进口。在这儿我想补一句，就是大型这件事，可能在很多人看来，把一个小东西做大，这有什么难的，不就放大一下嘛。但事实上有一个基本的科学道理在里边有个限制，就是当我们把一个东西等比例放大的时候，我随便举个例子，比如说一条船从10米长变成100米长的时候，那么如果等比例扩大，它的这个自重变成原来的1000倍。是级数增长的。但是它这个船上边所有的材料能够承受的，就是能够承担的自重的这个能力呢，只有原来的100倍。所以这样一个船，它的自重就把它压垮了。
这个东西挖泥到底能做什么用？而什么一个情况下来促使我们国家必须要自己来研发这样的设备？实际上就是说，从我们国家大家都知道经济快速发展以后，特别是在（公元）2001年，我们加入WTO（世界贸易组织）以后，中国的这样一个世界贸易迅速增长，船舶的大型化这个趋势发展非常快。那么，大型化的船舶带来的就是需要深水港、深水航道，那么这是一个方面。另外一个方面就是说，整个在我们国家经济带的建设过程中，特别是沿海的经济带建设，包括滨海的机场建设，那么都需要大规模的填海造地。那么同时因为在这个发展的过程中，就是说我们国家其实早期由于都是靠进口，西方对我们国家的绞吸疏浚装备是严格封锁，技术封锁，对装备进口中国也是严格控制，他从两个方面来限制我们，一个就是限制你（买的船）的能力。你只能是买功率小的。对，我要卖给你多大的船，卖给你多少能力的船，是他说了算，不是你说了算，然后还有一个就是价格非常昂贵。
这么一个挖泥船，它有那么难吗？它的技术难点到底在哪里？（建造）这样一个大型绞吸疏浚装备，我们归纳起来可能有四大难点。第一个难点就是我们要在水下把坚硬的岩石挖掘上来，这个非常难，我们称之为挖掘难。另外一个我要把挖掘的岩石吸起来，然后再输送到远距离，那么这样一个输送也非常难。第三个方面就是我这个船在海上，因为海浪的运（动），海浪波浪的作用，我船在海上会剧烈运动，那么所以说我要把这船在挖掘作业的过程中要让它定位，保持稳定也很难。那么当然这些大型的装备，我要把它系统地集成在一块，然后要能够综合地控制它，也很难，所以我们讲有四大难点。您也给我们介绍了这四个难点，首先我们来说第一个挖掘难，我们给大家描述这个难点在哪里？挖掘难，大家知道因为我们是水下挖掘，水下人是看不见摸不着，所以早期我们的挖掘实际上就是一种盲挖，像摸着石头过河，然后你凭着感觉去挖。另外一个就是在挖掘岩石的过程中，这个岩石让它破碎非常的困难，会形成巨大的冲击载荷，这个冲击载荷可以把我们的这个绞刀的刀齿掰断。
我可以打一个比方，就是你在挖东西的时候，如果它就是土，或者就是沙子，或者就是石头，这个时候都相对要容易一些。即便都是石头，只要它一直是均匀的石头。是同样质地。对，然后我的刀在上边呢，它用力是均匀的，但是在海底有可能遇到的问题是，我原本挖的只是松软的泥沙，挖着挖着突然里边有一块石头，然后我的刀就会以非常高的速度，啪，撞上去，撞这一下冲击力就非常非常大了。你可以想象一下，就是我正在嘴里边嚼米饭的时候，嚼着嚼着突然咔，嚼到一粒石头。你的牙那个感受就像那个绞刀头的感受一样，所以这是第一个难点。第二个难点，由于船的剧烈运动，船在运动的过程中我们的挖掘，想能够保证我这个高效挖掘是很难的。你可以想象一下，首先我一个船漂在海面上，然后伸下去一个绞刀，到海底去不管是挖泥沙还是挖石头，可是船是漂在海面的，这时候它会动的，你的这个绞刀本身就会跟着船动，你怎么样保证它一直在海底。精准地作业。对，这就是刚才老师说的稳定的问题，你要精准地定位，否则的话你的绞刀，根本就碰不到你要挖的地方，所以这个定位是比较难的。
那还有一个说这个运输难，我们都知道你挖掘好了，也粉碎了，这个运输的难度在哪里呢？运输难实际上主要有两个方面，第一个我们挖掘岩石的时候，要把它吸起来，其实挖掘岩石的过程中，这个岩石破碎的大小我们是无法控制它的，有时候会出现很大的石头，在吸起来的过程中直接就把泵卡死掉。另外一个输送，在输送难，因为我们长距离输送，可能到8公里（千米），最远可以到15公里（千米），输送的过程中，这个石头有时候会沉淀在管里面，把管子堵塞，那么它也很难解决，一旦发生堵塞，那么要再把这个管线疏通是非常非常难，要停工。对于工程的进展来讲是灾难性的，是巨大的损失。我们面对的挖海底的这个泥沙、石头的时候，你是不确定会挖上来什么的，有可能就是在很多的泥沙里边加了几块大石头，或者在很多的石头里面突然又有很多黏稠的东西，那么这就导致你在设计泵的时候，你为了解决黏稠的问题，然后你有一套参数的设计，结果呢，结果遇上大石头了，就撞上了，你为了解决石头的问题呢，结果效率又不行了，这里边有非常非常多的相互影响的（因素）。所以就提到了您刚才提到一个集成难，这个集成这个难度，通过前面我们的了解，您能用最通俗的话给我们解释一下有多难吗？
这个集成难实际上确实就是说我们的挖掘系统、输送系统、定位系统，这些大型装备，你要把它让它在一起，都能够发挥到最优的效率，那么确实非常难。就像一个很简单一个例子，比如说我家里有很好的厨房，也有很好的厨具，我还有很好的食材和很好的调料，但是我这个厨师水平不行，我没办法把它加工、烹饪，最后美味佳肴也出不来，所以说绞吸挖泥船它也是这个道理，必须要保证这些所有的设备你要能够控制，使它发挥到最佳状态，然后让它有机地协同工作，那么才能够发挥这个船整体的最优效率、最高效率。那今天我们已经有了这样特别牛的设备，并且获得了国家科技进步奖的特等奖，它到底它的优势在哪儿？您再给我们亮一亮。第一个我们这个优势就是，我们从整个船的一个设备系统，完全自主可控，100%实现了国产化，这个里面包括我们挖掘系统、输送系统、定位系统、疏浚控制系统。这个100%对于我们国家的科技界来讲意味着什么？实际上就是说我们自己掌握了，完全掌握这种技术之后，我们的研制周期缩短了44%，我们的成本只有国外同类产品的50%。我们省了这么多的钱。节约一半。都说比国外的又挖得多、挖得快，输送得远，这些我们怎么来比较，您能给我们一些这些数据来理解它吗？
实际上这个就是从几个方面比较它的能力，你比如说挖掘。我们这个绞刀设计，它有一套非常应该来讲非常特殊的一个设计。我们这个绞刀的一个形状，你会发现它这个外形是一个球锥形。球锥形。我们叫球锥形，相当于一个球，但它又不是一个标准的圆，它是像一个椭圆一样，所以我们叫球锥形。那么球锥形的绞刀，这个刀臂，你看到它是一个螺旋形，就像农村耕地那个旋耕机一样的。我们小时候那个，它是犁地的。对，犁地那个旋耕机一样，它有点这种形状，是一个双螺旋，我们叫刀臂称为双螺旋结构。我们这个绞刀这样特殊的设计，使得我这个绞刀只磨刀齿，不会磨损刀臂，所以我们这个绞刀可以寿命非常长，那么我们更换只需要更换刀齿。能给我们解释一下这样的刀头，它是什么样的材质，才能够经受住那么坚硬的岩石这种打磨？
因为它涉及到绞刀，又要有一定的强度，同时还需要有一定的硬度，那么还要有非常好的耐磨性，在这个基础上要保证绞刀有非常好的韧性，所以它是一堆难题集成在一起，所以它材料是一种多种合金钢浇铸而成。简单说就是硬的材料就比较脆，就特别容易崩，然后韧性好的材料呢，它好像硬度又不够，就得在这儿找一个，找一个比较合适的这么一个平衡点。而且可能水下还有各种各样的，包括化学上的考虑，成分上的考虑，各种各样的这种因素。然后还有一个我们现在最大的挖掘能力，可以达到绞刀头功率，可以达到7800千瓦。这是一个什么概念？7800千瓦形象地比喻，就是一个小时要消耗7800度电，这样一个概念。那就是费电吗？对，对功率的要求，也就是说功率非常大。比如说咱们家里边烧水用的这个电热水器，可能（功率）2000瓦一个，7800千瓦是什么概念呢？
这个数学很容易算，这是接近4000个这样的热水器同时工作。那每小时的这个挖土石方的数据差距在哪里呢？这个就是关键是它的一个输送能力，我们输送能力实际上是跟泵的性能是直接关联的。那我们通过自己的研发，那么开发出来这种大型的疏浚泵，我们大型疏浚泵的流量可以达到每小时2万立方米，然后形成的产量可以达到每小时6500（立）方这样一个土（方量），那么可以把它输送到指定的区域，6500（立）方的概念就相当于一小时把一个7000平（方）米左右的足球场堆高一米。哦，您这样说，我们大家可能就有印象了，一个小时就可以把一个足球场堆高一米高度。对。那刚才还说到了一个运送的速度和远度，这个我们的优势在哪里？实际上我们现在最远的距离，已经可以达到15公里（千米）远。过去的设备呢？过去最早可能我们早期的挖泥船可能3公里（千米）、5公里（千米），最远标准的6公里（千米）。那么，目前我们最远可以到15公里（千米）。
那您再给我们介绍一下，我们可以认为我们是领先的，这几点在哪里呢？实际上我们讲就是说，可能第一个比如说绞刀，我们挖掘的岩石可以更强、更硬，输送，我们输送因为自己开发的疏浚泵的效率，现在是世界最好的，我们可以达到87%，这个离心泵在世界上也是最高的，我们可以排得更远。那么，第三个就是我们开发的这种定位系统在海上，我适应海况的条件也是最好的，我可以最大可以到三米波高，我仍然可以进行作业。所以这些技术我们在国际上，基本上都是领先的。过去我们知道这个挖泥船，大多数用来疏通河道的，那您现在研究的这么牛的，这样的一个挖泥船，再疏通河道是不是小菜一碟了。对，这个确实是这样，实际上我们最早的应用是在长江航道的疏浚上面，我们第一艘大型绞吸挖泥船，就是因为长江深水航道整治工程上面，为这个工程开发的。当然随着航道的整治，疏浚的概念在逐步地外延，它也在逐步地拓展，拓展到你像比如第二个应用，最典型的应用，就是我们在可能大家也知道2008年奥运会，奥运会之前，国家一个重大的决定，就是把首都钢铁公司要搬迁到河北唐山的曹妃甸。那么这个工程，所以说就带来我们绞吸挖泥船真正的大发展。
这个还有一个故事，就是当时中交集团，天津批复给天津航道局3亿（资金），准备进口一条绞吸挖泥船，但是因为他们想希望国际的像荷兰IHC（公司）能够提供设计，希望在中国造，结果被国外拒绝了。对方的态度拒绝。所以这个时候他才找到我们，所以开发的这个天狮，我们叫天狮号和天牛号两条船。两条船只用了2.85亿，3个亿，同样的船，造出同样的船，3个亿还没用完，我们造了两条。如果说很多深奥的科学道理，我们不能够理解，但3个亿和2.85亿造两艘船，这个简单的数学对比我们是完全可以看得清楚的。我觉得这里边还有另一个您没注意到的。您说。就是这套技术，就是这条船造成了，这套技术我也有了，对不对，从无到有的这样一个过程。而且还有一个故事，就是曹妃甸工程里面，当时有一个所有绞吸挖泥船的大比武。我们这一条开发的天狮号，当时一天挖泥量达到了75000立方米，然后当时所有的船里面是排第一，所有船里面也包括我们早期从国外进口的绞吸挖泥船。其实我们今天说到这样一个设备的时候，刚才正像杨教授所介绍的那样，过去我们是从无到有，从学习的过程当中，现在领先于世界，甚至我们这个大型的设备在国外需求还是很大，是吧。需求很大，我们国家的中交集团，现在已经是世界上最大的疏浚公司，那么为了国家的一带一路建设，所以说我们现在在国外，中交疏浚集团为国外（一带一路）的沿线国家，大量地给他们进行疏浚，包括建设港口、码头，那么为他们提供这样一个基础性设施的建设工作。说到这呢，我们看看我们这样一个大型的疏浚设备走向国外之后这些画面。
短短十几年的发展，中国的海上大型绞吸挖泥船，经历了从整船进口到国内自主设计建造的蝶变，突破了原来由西方少数国家长期垄断世界疏浚市场的局面，一跃成为世界疏浚大国和强国。这些年，我国的海上大型绞吸挖泥船，还在20多个国家的100多项工程中，曾承担过或正担负着重要的角色，沙特吉赞人工岛疏浚项目，马来西亚关丹深水港工程，阿尔及利亚舍尔沙勒新港口建设，以及巴基斯坦、苏丹、缅甸等国家的海上疏浚工程。中国的海上大型绞吸挖泥船，凭借着过硬的技术实力，为当地的发展贡献重要的力量，也为中国疏浚业增添累累硕果。我相信电视机前的观众都觉得，现在中国的科学家真的是了不得，像这么一个先进的设备，它中间还有美中不足的地方吗？任何设备发展都有一个历程，我们讲在工程上面没有最好，只有更好，这个是咱们一个基本的理念，所以说绞吸挖掘船也有很多地方还会有继续的发展。你比如说它的燃料，燃料方式可以改进，可以更环保。那么另外一个就是说，因为现在禁止爆破进行海上施工，那么以后遇到更坚硬的岩石，可能这种船需要更大的装备来完成我们今后可能会遇到的各种的这样一些工程。这是我们需要改进的地方。
简单说是这样，我的理解有两个方向，第一就是更大、更快，然后更大、更快、更智能，这是作为一个具体执行，执行装备的角度讲，一定会要发展的方向。那当然这里边作为一个工程嘛，工程最显著的特征就是综合要运用各学科，各个各个方面的技术，然后把它变成一个最终能实现的，能为我们服务的一个具体的装置。实际上为了提高挖掘岩石的硬度（能力），我们可以采用就是原来我一个刀臂上可能50个刀齿，我可以把它装到80个刀齿，挖掘的这个能力是跟我们每一次破碎的大小有关。如果说我刀齿越多挖的就越碎，然后我的载荷就越小，我可以挖掘岩石的强度就可以上升，很多技术可以突破。其实我们对很多技术的要求，新技术的要求和发展无非大型化，更强、效率更高，更智能化。同时，还有一点也是人们最担心的一定要环保，在这些方面我们都做了哪些考虑呢？
实际上这个提得确实非常对，因为这个船的功率非常大，环保是一个非常首要的问题。所以说我们曾经也在考虑，你比如说我这个燃料改造LNG船，那么这个可能是一个经常大的趋势，现在目前大型船舶的运输逐步地都走向从燃烧柴油，变到燃烧柴油和这个LNG的混合。所以说我们这种船今后可能燃烧LNG，这是一个大的趋势。那么当然也不排除甚至有更好的能源方式，你比如核能是不是可以在上面应用，这样的话使得这个船更清洁、节能，也更环保。清洁能源，同时具有更大的功率和效率。因为这个LNG液化天然气，液化天然气它就不像油里边有那么多杂质，主要就是碳和氢，然后烧出来就是二氧化碳和水，就可以少很多污染物，这个是一方面。然后，另外一方面我觉得，随着船的大型化，然后它的工作能力更强，它的细节设计的更完备的时候，我们可能在挖掘的时候，也会更多地考虑海洋环境各方面的这种考虑。
这里面也有很多应用，陈老师讲得非常对。你比如说我们这个船功率很大以后，它的废热，我们废热的再利用，这个船上我们是全部考虑，现在怎么把废热用于，比如说我柴油机产生的废热用于生活，那么这样的话就可以节约能源。那么还有一个同时我们会在大型的绞吸装备上面有各种的这种运动部件，运动部件都有轴承。早期的很多轴承是靠油润滑，那么我们现在水下的很多轴承都是采用水润滑，这样的话就不会出现这种油污的污染问题。很多科技人员把自己研发的产品，当成自己的孩子，人们总希望孩子望子成龙，对这样的一个大型的专业的设备，您对它未来期许会是什么样的呢？
实际上每一条船（造）出来，自己都很兴奋，真的像自己的小孩一样，总是希望它更好，所以说每一次都感觉到，出来以后总是感觉到这个地方不满意，那个地方不满意。所以在下一次设计的时候，总是希望再把它不停地改掉，那么这个就是搞工程的这样一些科技工作者，也可能算是一个毛病，他们就讲很多工程技术人员都是一种完美主义者，不断地追求去改进和提高。那么特别是我们作为老师教育学生更是这样，我们希望学生在搞工程研究、工程设计的过程中，没有最好只有更好。只有把你的产品不停地去完善，然后才能使得推动这个产品不停地改进、完善、提高和发展。我觉得刚才杨老师的态度，对我们这些年轻人来讲也是一个激励，就是在你工作的过程中看到自己的长处，给自己信心，不断地向前冲。同时也看到自己身上，就是目前还有待解决的问题，这样才能真正让自己变得越来越好。
今天非常感谢两位嘉宾，对我们今天这项新科技成果的解读。我们也希望电视机前的观众，一定记住我们这个设备的名字叫海上大型绞吸疏浚装备，这是我们2019年获得国家科技进步特等奖的项目。好了，我们同时期待我们国家更多的科研人员在更多的科研领域取得更多的突破。好，感谢各位收看我们今天的《透视新科技》，我是胜春，咱们下期节目再见。
