Thiết kế tàu công trình

TÀI LIỆU HỌC TẬP
DÀNH CHO SINH VIÊN KHOA ĐÓNG TÀU VÀ CÔNG TRÌNH NỔI
THIẾT KẾ
TAØU COÂNG TRÌNH
ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH














TRẦN CÔNG NGHỊ







TRANG ĐỂ TRỐNG
TRAÀN COÂNG NGHÒ

THIEÁT KEÁ

TAØU COÂNG TRÌNH


3







TRANG NAØY ÑEÅ TROÁNG

4

MỞ ĐẦU
Môn học “Thiết kế tàu” gồm các phần: (1) Lý thuyết thiết kế tàu, (2) Mỹ thuật thiết kế tàu
và (3) Thiết kế các tàu chuyên dùng. Hai phần đầu đã được chuyển đến bạn đọc trong lần phát
hành trước. Phần thứ ba gồm những chuyên đề liên quan đến các kiểu tàu thông dụng:
• Tàu vận tải đi biển, chủ yếu đề cập tàu chở hàng khô, tàu hàng thùng, tàu dầu, tàu chở hàng rời/
hàng tổng hợp, tàu chở sà lan.
• Tàu khách.
• Tàu kéo, đẩy.
• Tàu công trình.
• Tàu cỡ nhỏ chạy nhanh.

• Tàu cánh ngầm. Tàu trên đệm khí.
• Tàu đánh cá.
Mỗi chuyên đề được trình bày trong tài liệu riêng, cung cấp bạn đọc quan tâm đến chuyên
đề này những thông tin, hướng dẫn cần cho thiết kế tàu chuyên dùng.
“Thiết kế tàu công trình” bao gồm những vấn đề:
- đặc trưng các tàu công trình,
- thiết kế tàu cuốc, tàu hút, tàu vận chuyển bùn,
- thiết kế buồng máy, hệ trục tàu cuốc, tàu hút,
- thiết kế thiết bò tàu công trình,
- trang thiết bò cơ – điện tàu công trình.
- Thiết kế đốc nổi
Khoa đóng tàu và Công trình nổi trường Đại học GTVT Tp Hồ Chí Minh xây dựng đề
cương học tập cho bộ môn đang đề cập. Tài liệu phần này được giao cho các kỹ sư tàu thủy làm
việc nhiều năm trong ngành và đã tham gia thiết kế hầu hết các tàu hút bùn, tàu cuốc và các tàu
công trình khác của nước ta biên soạn.
Những thiết kế trích dẫn trong tài liệu được các Viện nghiên cứu thiết kế tàu cung cấp,
trong đó có tài liệu riêng từ phòng tự động hóa thiết kế tàu thuộc trường, tài liệu của những người
viết.
Tài liệu được biên soạn làm cơ sở hỗ trợ sinh viên trong thiết kế đội tàu công trình, đáp
ứng đòi hỏi của công tác thực tế. Tài liệu sẽ có ích cho kỹ sư, công nhân làm việc trong lónh vực
đóng, sửa tàu công trình, cán bộ công nhân trực tiếp quản lý và khai thác đội tàu công trình.
Mặc dầu đã cố gắng làm tốt việc biên soạn, người viết vẫn biết rằng, khó tránh các sai sót
hoặc các lỗi vấp phải trong tài liệu. Chúng tôi mong nhận được góp ý xây dựng của bạn đọc gần,
xa nhằm làm cho chất lượng tài liệu tốt hơn trong lần xuất bản tiếp theo.

Thành phố Hồ Chí Minh 6/2001

5

Muïc luïc

6

7

Chương 1


TÀU CÔNG TRÌNH

1. Tàu công trình
Trong thành phần đội tàu công trình giới thiệu tại tài liệu này bạn đọc làm quen với các
phương tiện nổi thực hiện các công việc nạo vét luồng lạch trên các sông, cảng và các đường sông,
biển vào cảng. Hai nhóm phương tiện đặc trưng cho đội tàu này là tàu hút bùn và tàu cuốc.
Nhóm tàu hút thực hiện hút bùn, đất từ lòng sông, cảng, cửa biển vv . bằng các phương
pháp thủy lực. Bùn, đất được hút bằng ống và dẫn đến bơm thuộc dạng bơm bùn, nhờ bơm đẩy
bằng đường ống đến đòa điểm tập kết.
Tàu cuốc thực hiện công việc nạo vét, chuyển bùn, đất bằng phương pháp cơ giới và thủy
lực. Dạng thường thấy là tàu cuốc nhiều gầu. Trên tàu cuốc dạng này người ta dùng các gầu xúc
bùn, đất và đổ dồn bùn đất đó vào phương tiện vận chuyển qui đònh.
Làm việc tương tự tàu cuốc là các phương tiện xáng, cạp. Phương tiện kể sau làm việc
như cẩu quay, còn tại vò trí móc cẫu người ta gắn thiết bò xén đất, cắt đất với nhiệm vụ xén cắt (có
thể vì thế mới gọi là xáng cạp) bùn, đất và chuyển bùn đất cùng gầu xúc theo cách quay vòng đến
vò trí đã đònh. Tại đây bùn đất được nhả ra hoặc đổ ra theo phương thức tự rơi.
Để di chuyển bùn, đất vừa khai thác người ta sử dụng đội tàu vận chuyển bùn, đất. Thông
thường đây là những sà lan tự hành hoặc không tự hành, có khả năng tự đổ hàng tại vò trí xác đònh.
Với tàu hút để chuyển bùn, đất trong phạm vi không quá dài, chừng vài km đổ lại, chúng
ta sử dụng hệ thống ống dẫn trên các phao nổi. Bùn, đất vừa được nạo, vét được chuyển đến vò trí
qui đònh bằng ống để rồi san lấp mặt bằng, tạo nên mặt công tác mới.
Thành phần đội tàu công trình còn được kể cả những tàu phục vụ đảm bảo an toàn hàng
hải trên các luồng lạch hay gọi chung là đường vận tải thủy. Các tàu không trực tiếp vận tải hàng
hóa song làm nhiệm vụ phục vụ sửa tàu như các dock nổi cũng được kể vào nhóm tàu công trình.
Trên các vùng biển thuộc chủ quyền kinh tế của quốc gia, gọi theo cách mới là thềm lục
đòa ngày nay chúng ta còn gặp các giàn khoan cố đònh, giàn di động, tàu khoan dầu khí, các công
trình nổi phục vụ công việc thăm dò và khai thác dầu, khí, các trạm chứa dầu khí. Đội tàu công
trình trên biển ngày một lớn, chiếm tỷ trọng lớn trong ngành tàu nói chung. Về các công trình cố
đònh và công trình nổi trên biển bạn đọc sẽ làm quen trong tài liệu thuộc môn học “thiết kế giàn
khoan và công trình biển”.

8
2. Đặc trưng tàu cuốc và tàu hút đã được chế tạo
Để có thể hiểu hơn các đặc trưng tàu công trình bạn đọc có thể tìm hiểu qua những phương
tiện đã được thiết kế, chế tạo và sử dụng có kết quả.
Bảng 1.1 Tàu cuốc nhiều gầu
Tên gọi Ch 589 892
Chiều dài thiết kế, m 34,2 44,4 50
Chiều dài toàn bộ, m 38,58 68,7 61,3
Chiều rộng toàn bộ, m 8,8 9,5 10,8
Chiều rộng thiết kế, m 8,6 9,2 10,5
Chiều cao thiết kế, m 2,5 2,8 3,5
Chiều cao toàn bộ, m 9,8 12,9 14,5
Mớn nước, m 0,86 1,32 1,96
Lựợng chiếm nước, t 224 481,1 830
Năng suất, m
3
/h 150 – 250 250 500
Chiều sâu làm việc, m 5,5 8 –10 11
Máy chính
Kiểu 6C100PH 8Tch23/30 6Tch25/34
Số lượng 1 1 1
Công suất, PS 168 450 300x2
Vòng quay máy, v/ph 750 750 500
Máy phát, kiểu A1256 MC-92-4 MC-117-4
Công suất, kW 90 50 100
Máy nén, số lượng 1 1 1
Năng suất, m
3
/h 13,5 26 10

p lực, kG/cm
2
35 60 30
Trọng lượng thép vỏ tàu, t 50,39 157 274
Gia cố và bệ máy trên tàu, t - 11,7 -
Trang thiết bò nội thất, t 10,85 9 13,7
Gỗ các loại, t 13,9 37,3 35,6
Sơn, xi măng, t - - 46,9
Thiết bò phòng công cộng, t - 4,2 11,71
Các hệ thống tàu, t 8,7 10,7 9,9
Thiết bò trên boong, t 9,66 71,6 76
Thiết bò điện, t 7,9 19,5 36,4
Máy móc chính, t - 11,6 37
Thiết bò nạo vét, t 81,8 80,3 175,8


9

Tàu hút bùn
Ch1 Ch2 12 592
Chiều dài thiết kế, m 50 42,9 40 38
Chiều dài toàn bộ, m 55 52,6 44,5 40,8
Chiều rộng toàn bộ, m 9,5 9,3 9,4 9,36
Chiều rộng thiết kế, m 9,2 9 9,2 9
Chiều cao thiết kế, m 2,8 2,5 2,85 2,5
Chiều cao toàn bộ, m 9,81 7,71 11,6 8,45
Mớn nước, m 1,25 1,27 1,09 0,81
Lựợng chiếm nước, t 508 450 362 241
Năng suất, m
3

/h 700 400-500 400 250
Chiều sâu làm việc, m 7,5 – 11 6 – 11 7 – 11 5,5 – 11
Máy chính
Kiểu 6C350B 4C350 18D
MΠ-12
Số lượng 1 1 1
Công suất, PS 800 380 350 250
Vòng quay máy, v/ph 325 325 350 220
Máy phát, kiểu - -
ΠH400 MΠ543
Công suất, kW 140 100 65 10
Máy nén, số lượng 1 1 1
Năng suất, m
3
/h 36 36 26 -
p lực, kG/cm
2
35 50 60 -
Trọng lượng thép vỏ tàu, t 125,9 120,9 121,8 80,62
Gia cố và bệ máy trên tàu, t - - - 5
Trang thiết bò nội thất, t 36,2 24,6 16 3,8
Gỗ các loại, t - 62 33 16
Sơn, xi măng, t - 6,5 - 1,5
Thiết bò phòng công cộng, t 57,7 - - 1,4
Các hệ thống tàu, t 18,1 - 7,95 4,9
Thiết bò trên boong, t 24,5 74 67,2 29,55
Thiết bò điện, t 20,5 19,4 6 1,6
Máy móc chính, t 27,3 - - 82
Thiết bò nạo vét, t 89 - - 9,13
Thiết bò trong buòng máy,t 19,5 95,4 48,68 6

Các thiết bò khác, t 43,6 25,6 5,5 -
Hình 1.1 giới thiệu tàu hút tự vận chuyển bùn, đất hay còn gọi tàu hút tự hành. Tàu gồm
thân tàu 13, thượng tầng 1, trên đó bố trí ngăn chứa bùn 12, thiết bò năng lượng 14, thiết bò bơm
bùn 7, hệ thống máy tàu – chân vòt 15 và 16.

10
Thiết bò khai thác trên hình được trình bày dưới dạng miệng hút 11, ống hút 10, khớp nối
mềm 9, bơm bùn 8.

Hình 1.1 Tàu hút tự hành
Tàu hút đang làm việc tại nước ngoài có dạng sau.

Hình 1.2a Tàu hút đóng tại Nhật bản, năng suất 3500 m
3

Hình 1.2b

11
Những hình ảnh trình bày tư thế làm việc cùng tàu chụp tại nơi sử dụng, Thượng Hải như
sau nay.


Hình 1.2c
Hình 1.3 giới thiệu mặt cắt dọc tàu cuốc nhiều gầu ở tư thế làm việc.

Hình 1.3 Tàu cuốc nhiều gầu

12

Hỡnh 1.4 Taứu coõng trỡnh

Taứu xaựng caùp

Hỡnh 1.5 Taứu xaựng caùp


13
Tàu đảm bảo hàng hải

Hình 1.6 Tàu đảm bảo hàng hải
Tầu phục vụ công tác đảm bảo hàng hải. Tàu nhóm này khá đa dạng. Tàu được trang
bò như phân xưởng nổi làm các công việc đặt phao luồng, bảo dưỡng hoặc sửa chửa phao, các thiết
bò đảm bảo hàng hải. Trên tàu nhóm này thường trang bò những tời , máy kéo , cần cẩu sức nâng đủ
lớn vv . nhằm làm được cả công việc trục vớt thiết bò và sửa chữa nhỏ. Tàu có đủ sức chở để có
thể mang thiết bò bò hỏng về xưởng sửa chữa. Hình 1.6 giới thiệu một trong các tàu nhóm này.
Trong đội tàu công trình còn có thể kể thêm các sà lan chuyên chở bùn, đất do tàu hút, tàu
cuốc thực hiện. Đội sà lan này được chế tạo dưới nhiều hình thức khác nhau, tuy nhiên nhiệm vụ
chính của chúng chỉ là đảm bảo đưa sản phẩm của tàu công trình về đến nơi được chỉ đònh.
Hình 1.7 giới thiệu một rong các sà lan chở bùn đã được chế tạo hàng loạt.

Hình 1.7 Sà lan chở bùn, đất

14

Hình 1.8

Hình 1.9

Hình 1.10
Những hình ảnh tàu hút bùn, tàu cuốc làm việc tại các cảng , các sông có thể thấy qua minh họa

sau.
Tàu hút dài 45m.

15

Hình 1.11

Hình 1.12



16

Chương 2


TÀU HÚT BÙN


Tàu hút bùn được chế tạo dưới dạng tàu tự hành: tự chuyên chở bùn đất và tàu
hút không tự hành.
Tàu thông dụng, không tự hành, có mặt nhiều nơi cấu hình đặc trưng như nêu
tại hình 2.1.

Hình 2.1 Tàu hút không tự hành
Trong nhóm tàu tự hành chúng ta có thể phân biệt các kiểu tàu làm việc theo
nguyên lý hút sau:
Tàu hút (trailing suction hopper dredge - TSHD) hút bùn cùng nước bằng hệ
thống ống, chuyển bùn vào các khoang thành nghiêng (gọi là hopper) trên tàu. Khi
đầy, tàu hút vận chuyển sản phẩm đến vò trí xác đònh, mở đáy các khoang và thả sản

phẩm đó xuống. Tàu hút lớn nhất của kiểu này Jan de Nul có khoang chứa thành
nghiêng 33.000 m
3
, chiều sâu hút 135m. Tàu đang chế tạo và hoàn thành năm 2008
có dung tích hopper đến 46.000 m
3
, chiều sâu hút 155m.
Tàu hút có đầu phay (cutter suction dredger - CSD) dùng rộng rãi trên thế giới.
Đầu phay có nhiệm vụ phay đất trước khi hút bùn đất cùng nước vào tàu qua bơm.

17
Đầu phay thiết kế để có thể phay các loại đất từ mềm đến cứng, thậm chí cả đá. Tàu
hút bùn nhóm này trang bò hệ thống máy với công suất đến gần 30.000 kW.
Tàu hút bùn dạng auger suction sử dụng hệ thống thiết bò cắt đất trên nguyên
lý vít xoáy Archimedes. Hệ thống này phát huy tác dụng từ những năm tám mươi.
1. Tàu hút tự hành
Tàu hút tự hành được giới thiệu tại hình 2.1 và 2.2. Đặc trưng kỹ thuật tàu hút
được thể hiện qua các đại lượng thường dùng trong thiết kế tàu công trình.
1) Dung tích hầm chứa bùn, đất hay còn gọi là dung tích khoang hàng W, tính
bằng m
3
. Đại lượng này giúp người quản lý hình dung các đại lượng dẫn xuất từ đây:
kích thước phủ bì tàu, năng suất bơm bùn, công suất thiết bò.
2) Chiều sâu hút bùn H, tính bằng m, nêu rõ khả năng nạo vét chiều sâu của
phương tiện. Trên thế giới người ta đã chế tạo tàu hút vớitầm hút đến 30 – 35m chiều
sâu.
3) Năng suất hút bùn Q, tính bằng m
3
/h. Đại lượng này liên hệ với dung tích
hầm chứa bùn theo quan hệ, năng suất ấy đảm bảo hút đủ bùn, đất cho khoang này

trong thời gian từ 30 đến 60 phút.
4) Vận tốc khai thác của tàu tự hành đạt đến 8 – 16 HL/h khi chuyên chở , còn
khi làm việc chính vận tốc phải đạt 2 – 3 HL/h nhằm đảm bảo tính ăn lái cho phương
tiện.

Hình 2.2 Tàu hút bùn

18
Tàu hút bùn tự hành khác tất cả tàu hoạt động trên sông biển ở thiết bò dẫn
bùn, đất từ nơi khai thác đến nơi chứa. Thiết bò gồm dàn phay, ống dẫn, hệ thống bơm
bùn. Bố trí ống hút trên tàu được thực hiện trong phần xẻ rãnh cuối hoặc đầu thân
tàu, hình 2a, thậm chí tại giếng giữa thân tàu, hình 2b. Trong nhiều trường hợp để tăng
thêm tính tiện lợi người ta bố trí thiết bò này hai bên mạn, hình 2c.
Để hiểu rõ hơn kết cấu tàu tự hành chúng ta có thể xem bố trí chung của tàu
hút được trang bò hệ thống động lực điện – diesel, sức chứa 1000m
3
, các ống hút bố trí
bên mạn, hình 2.3.

Hình 2.3 Tàu hút tự hành, tự chuyên chở
Thân tàu mang dạng tàu vận tải thông dụng, mũi nhô về trước, vòm lái dạng
đuôi tàu tuần dương. Với hình dạng bên ngoài không khác tàu vận tải tàu hoạt động
tên sông biển không khác tàu vận tải lúc chạy. Tàu được ngăn ngang bằng sáu vách
ngang. Theo bố trí này trên tàu có bảy khoang chứa: khoang forepeak 8, khoang mũi
9, khoang bơm 10, khoang chứa sản phẩm 12, khoang đặt máy 13, khoang máy phát
và đpộng cơ điện 14, khoang afterpeak (lái) 15.
Thượng tầng gồm hai phần, thượng tầng mũi 3 và thượng tầng lái 1.
Trong khoang bơm bố trí hai bơm bùn và thiết bò chân vòt lái mũi (bow
thruster). Khoang hàng (chứa bùn, đất) bố trí tại khu vực giữa tàu, thiết bò hút bùn
gồm hai cụm 17 bố trí dọc bên ngoài mạn. Thiết bò nâng hạ hai hệ thống ống trên 11

bố trí tại lầu mũi.

19
Tời kéo neo đặt tại mũi 18 sức kéo tại tang 7,5 tấn lực, tời đứng đặt sau 16 sức
kéo 4 tấn lực. Nhờ thiết bò trên đây tàu có thể hút bùn đến độ sâu 15m.
Dung tích của khoang hàng 1180m
3
, tải trọng 1420 tấn.
Ví dụ tiếp theo giới thiệu tàu hút tự hành hoạt động trong các sông, hồ, năng
suất 2500m
3
/h, độ sâu khai thác từ 2,5m đến 14m, tầm vận chuyển 400m.
Tàu mới được đóng vào những năm bảy mươi, trên tàu trang bò nhiều phương
tiện điều khiển từ xa và điều khiển tự động nhằm giảm thiểu lao động vất vả. Thiết bò
đánh bùn và hút bùn bố trí tại rãnh trước tàu.
Trang bò bơm bùn trên tàu gồm một bơm năng suất 15.000 m
3
/h, tính cho
trường hợp bơm nước, cột áp bơm 18,3 m cn. Vòng quay trục bơm 180 v/ph. Để quay
bơm người ta sử dụng động cơ diesel công suất 1220 kW ( 1670HP). Để phục vụ bơm
nước dưới áp lực dùng để xới bùn trên tàu trang bò hai bơm nước năng suất mỗi bơm
1250 m
3
/h, cột áp 23 m cn.
Máy phát trên tàu gồm hai cụm, công suất mỗi cụm 425kW, điện áp 400V do
hai cụm máy diesel 580HP lai .
Thiết bò nâng hạ đặt tại đầu mũi tàu, trên rãnh, có khả năng nâng 600 kN (60
tấn), vận tốc thu dây 13,2 m/ph. Cần cẩu quay trên tàu có sức nâng 5 tấn. Hệ thống
tời phục vụ dòch chuyển đầu hút có sức kéo 120 kN, tốc độ thu cáp 1 – 12 m/ph.
Tời neo chòu sức kéo tới 200 kN.

Hình 2.4

20
Tại phần lái của tàu hút này bố trí một tời kéo tàu, sức kéo trên tang 50 kN,
trên boong chính. Sau tời kéo là hai cẩu thả neo, tải trọng 1,25t, tầm vươn tay cẩu 2 –
4m.
Cẩu hàng trên tàu thuộc dạng nửa quay, sức nâng 5 tấn, tầm vươn 10,6m.
Cẩu làm nhiệm vụ nâng, hạ vật tư thiết bò cho tàu trong công việc sửa tàu và thiết bò
tàu, các ống trong hệ thống hút bùn.
Cẩu derrick bố trí trên khoang máy bơm sức nâng 10 tấn, tay vươn 6,5m. Cẩu
derrick với móc cẩu cao trên mặt boong chính 3,6 có thể nâng các phụ tùng bơm khi
sửa chửa hoặc thay thế.
Thiết bò đẩy tàu gồm hai đường trục chân vòt và hai chân vòt đường kính
1,35m đặt trong đạo lưu quay.
Những tàu tự hành đóng từ những năm chín mươi đang có mặt trên các vùng
sông nước.
Tàu hút bùn thiết kế từ 1971, năng suất hút 2500 m
3
/h có kích thước chính
LxBxT = 102x16x5,5 (m). Tàu trang bò 2 bơm hút bùn năng suất mỗi bơm 7080 m
3
/h.
Các bơm sử dụng máy phát 2x2280 kW. Chiều sâu hút 25m. Hai đường ống hút kích
thước 2x700 mm.

Hình 2.5a

21
Hỡnh 2.5b

Hỡnh 2.5c
Taứu tửù haứnh, tửù ủoồ thuoọc nhoựm trailing suction hopper dredge

22

Hình 2.6a Tàu hút tự hành

Hình 2.6b Nguyên lí làm việc tàu hút tự hành
Tàu hút nhóm Clamshell Loading, Bottom Dumping Hopper Dredge

23

Hình 2.7
Tàu hút năng suất 2000 m
3
thuộc nhóm trailing suction hopper dredge, bottom damping
(TSHD) do Nhật bản chế tạo từ 1992 có kích thước chính LxBxT = 94,9x16x5,6 (m);
GT 3570; trọng tải DWT = 3202T, vận tốc v = 12 HL/h. Khoang chứa bùn 1750 m
3
.
Chiều sâu làm việc 22m.

Hình 2.7a Tàu hút tự hành (tàu biển)

24


Hình 2.7b Tàu hút tự hành hoạt động sông, vònh

Hình 2.8a

25