DE1916803C3 - Verfahren zum Überwachen und/oder Steuern des Saugprozesses beim Saug baggern, und Saugbagger zur Durch führung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen und oder Steuern des Saugprozesses beim Baggern von unter einer Deckschicht aus Schlamm, Lehm oder dergleichen lagerndem Sand mittels eines Saugbaggers, dessen Saugrohr während des Baggerbetriebes durch die Deckschicht hindurch in den Sand hineinragt.

Die Erfindung betrifft ferner auch einen Saugbagger zur Durchführung dieses Verfahrens.

Saugbagger weisen bekanntlich ein sich von dem Saugb.iggerschiff abwärts erstreckendes Saugrohr auf, das an die Saugseite einer Pumpe angeschlossen ist und mit seinem Saugende in das Baggergut, beispielsweise eine Sandschicht, am Meeresboden eingeführt wird. Durch das Einführen des Saugrohrs in den Sand wird während des Saugvorgangs im Sand eine sogenannte fluidis'ierte Zone erzeugt, in welcher das Baggergut durch die Untergrabung gelockert und fluidisiert ist. Das Ausmaß dieser fluidisieren Zone hängt von der Tiefe des Saugrohrs unter der Gewässersohle bzw. unter der Oberfläche der Zone fluidisierten Sandes ab. Wenn der zu baggernde Sand von einer Deckschicht aus Schlamm. Lehm oder Ton od. dgl. überlagert ist. bereitet das Saugen von reinem Sand erhebliche Schwierigkeiten und ist mangels laufender objektiver Information wiitnend des SaugVorgangs weitgehend von dem Können und der Erfahrung des jeweiligen Saugbaggerfühlers abhängig. Die Zeitdauer, während welcher bei einer Einstellung des Saugroiirs an einer bestimmten Stelle im Buden Sand unter einer Deckschicht aus Schlamm, Ton oder anderen Unreinheiten gesaugt werden, läßt sich bei den bekannten Saugbaggerverfahren bisher nur unter Zugrundelegung der Erfahrung des jeweiligen Saugbaggerführers abschätzen, kann jedoch nicht

ίο genau bestimmt werden. Dies hat zur Folge, daß häufig Unreinheiten statt Sand aufgesaugt werden. Sobaid dies festgestellt wird, muß das Saugrohr schnell tiefer in den Boden hineingeführt werden. Die rasche Tieferverstellung des Saugrohrs in den Buden wird jedoch dadurch behindert und verzögert, daß die Fluidisierung des Baggerguts eine gewisse Zeit erfordert; außerdem erfordert die gewünschte, möglichst schnelle Fluidisierung einen erheblichen zusätzlichen Energieaufwand. Der Saugprozeß ver-

läuft während dieser Zeitdauer nicht gleichmäßig, und deswegen ist auch die Leistung des Saugbaggers während dieser Verstellung gering. Da die Fluidisierung von Baggeigul Energie erfordert, ist man ferner bestrebt, über die in der jeweiligen Stellung aufsaugbare Sandmenge hinaus nur eine möglichst geringe, nicht ohne Verstellung des Saugrohr, aufsaugbare SandiTieng*' zu fluidisieren.

Einerseits ist man bestrebt, so lange wie möglich mi dem an einer bestimmten Stelle in die Baggergutschicht eingefahrenen Saugrohr bis zur Versetzung in eine neue Stellung m baggern, da die Versetzungen jeweils zeitraubende und kostspielige Unterbrechungen des Baggervorgangs darstellen. Wenn man jedoch in der beschriebenen Weise den Saugmund an ein und derselben Stelle im Boden hält, wird nach einiger Zeit im wesentlichen der gesamte über dem Saugmund in der fluidisierten Zone suspendierte Sand aufgesaugt sein, so daß dann statt Sand Schlamm und gegebenenfalls darin befindliche Verunreinigungen aufgesaugt würde 1 wobei zudem die Gefahr besteht, daß der Saugmund sich durch große Gegenstände, die vielfach an der Oberfläche der Baggergutschicht vorkommen, verstopft. Es besteht daher ein erhebliches Interesse daran, ι,.ι Verlauf des Saugbaggerns eine zuverlässige, auf objektiver Messung beruhende Information über die Menge des für die betreffende Stellung des Saugrohrs in der fluidisierten Zone noch vorhandenen saugbaren Sandes zu erhalten. Eine Information über den jeweiligen Mindestsandvorrat ist für die Feststellung des Zeitpunktes notwendig, in dem ein Verholen oder eine Tieferverstellung des Saugrohrs erforderlich wird. Dies ist. wenn der auszubaggernde Sand in der erwähnten Weise von einer Schlamm- oder Lehmschicht erheblicher und insbesondere womöglich veränderlicher Dicke überlagert ist, nicht ohne weiteres, beispielsweise mittels Probebohrungen zu ermitteln, da die Dicke der Schlammschicht, ganz abgesehen von ursprünglichen Dickeschwankungen, sich im Verlauf und unter dem

Einfluß des Saugvorgangs laufend verändern kann, weil Schlamm von umgebenden Stellen in die über dem Saugmund entstehende Grube nachströmt.

Durch die Erfindung soll somit ein Verfahren zum Überwachen des Saugprozesses beim Baggern von unter einer Deckschicht aus Schlamm, Lehm od. dgl. lagerndem Sand geschaffen werden, bei dem durch laufende Messung eine objektive Information über die jeweilige Höhe der über dem Saugmund befind-

lichen iluidisierten Sandschiehl als Grundlage für die Durchführung des Saugverfahrens geliefert wird.

Der F.rfindμng liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß bei nicht bekanntei Dicke der über dem Sand lagernden Deckschicht durchlaufende Messungen eine objektive Information über pinen über dem Saugmund befindlichen fluidisierten Mindestvorrat an Sand geliefert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung vorgesehen, daß an mindestens einer in bestimmter Höhe über dem Saugrohrmund liegenden Meßstelle eine für die Bodenarten charakteristische physikalische Eigenschaft des an der Meßstelle anliegenden Bodens gemessen wird.

Indem gemäß dem Grundgedanken der Erfindung der jeweilige Wert einer charakteristischen physikalischen Eigenschaft des anliegenden Bodenmaterials in vorgegebenem Abstand von dem Saugrohrmund gemessen wird, läßt sich hieraus eine objektive Information über die verfügbare Mindestmenge iluidisierten Sandes ermitteln, und /war bei Messung an nur einer Meßstelle eine Information über die Verfügbarkeit eines bestimmten Mindestvorrat' an fluidisiertem Sand. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, daß die charakteristische physikalische Eigenschaft an mehreren, vorzugsweise in gleichen Abständen übereinanderliegenden Meßstellen gemessen wird. Hierdurch ist eine mehr oder weniger genaue Be-Stimmung oder Abschätzung des in der jeweiligen Stellung des Saugrohrs tatsächlich verfügbaren fluidisierten Sandvorrats möglich. Auf der Grundlage dieser Information kann rechtzeitig der Saugmund tiefer in den Sand eingefahren oder verholt werden, um ein Aufsaugen von Schlamm statt Sand zu vermeiden.

Als physikalische Eigenschaft als Grundlage für die erfindungsgemäße Messung eignet sich grundsätzlich jede beliebige physikalische Größe, deren Wert in eindeutiger charakteristischer Weise von der anliegenden Bodenart abhängt und sich insbesondere für fluidisierten Sand einerseits und die Deckschichten aus Ton od. dgl. charakteristisch unterscheidet. In Frage kommen beispielsweise die Viskosität, die Strahlungsdurchlässigkeit oder der elektrische Widerstand sowie das spezifische Gewicht des anliegenden Bodenmateriuls. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß als charakteristisch!, physikalische Eigenschaft das spezifische Gewicht des anliegenden Bodens durch Ermittlung des Druckunterschieds zwischen zwei in bestimmten Abstand übereinander und über dem Saugrohrmund liegenden Meßpunkten einer Meßstelle gemessen wird. Als charakteristische physikaiische Eigenschaft kann hierbei das mittlere spezifische Gewicht der zwischen den beiden Meßpunkten der Meßstelle befindlichen Bodensäule zugrunde gelegt werden.

Die Erfindung betrifft auch einen zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Saugbagger solcher Ausbildung, daß der bzw. den Meßstellen Meßvorrichtungen zugeordnet sind, die auf die charakteristische physikalische Eigenschaft des außerhalb des Saugrohrs im vorgegebenen Abstand vom Saugrohr- 6j mund jeweils anliegenden Bodens ansprechen.

Ausführungsbeispiele eines Saugbaggers nach der Erfindung werden an Hand der Zeichnung erläutert.

?g!l eine Skizze eines Saugbaggers beim Baggern von Sand und u,,„,l,. Fia ·» 3 und 4 jeweils das untere Saugrohrende des Saugbaggers in verschiedenen Ausfiihnings^f0™erⁿSaugbaggcr besteht gemäß Fig. 1 im wesentlichen aus einem Schuf 10, eine, Pumpe II, einer an die Druckseite der Pumpe Il "«Μ^¹⁰^« Dr^j leitung 12 und einem an die Saugseite der PumpeΠ angeschlossenen Saugrohr 13 nut einem Saugmund 20 Im dargestellten Beispiel belmdet s.ch d,e Pumpt H auf der Höhe des Wasserspiegels ^ ^u»^d ^ Saugrohr 13 ist um die Mittelachse der Pumpe 11 schwenkbar. . ~_nii

In Fiu. I sind von unten nach oben «™ ^s*™ schicht 15, eine Schlammschicht 16 und das Wasser 18 dargestellt. Das freie Ende des Saugrohrs 3j t bis auf eine große Tk-tc. beispielsweise 2( m,in du. Sandschicht 15 eingeführt. Die durch die strichpunktiert!.· Linie 19 angedeutete Zone in dem das_ Lnde des Sauirohn.13 umgebenden Bereich des Bodens ist durch Untergrabung in Suspension ^rsetzt d n. fluidisiert. Außerhalb der fluidisierten Zone hefndet sich der Boden in einem normalen g^tzten Zustana

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens soll im Verlauf des Saugbaggervorgangs die jeweilige Mindestmenge des in Suspension versetzten Sandes, die sich noch über dem Saugmund 20 befindet, ermiticlt werden, um diese Information zur Steuerung des Sauaprozcsses auszuwerten und gegebenentaiis das Sausrohr 13 rechtzeitig verholen zu können.

Zu diesem Zweck ist der Saugbagger nach Mg. ι an "einer McBMeIIe mit einer Meßvorrichtung ver-

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punktniveau 8 herrschenden überdruck, der von einer Sandsäule Z_v einer Schlammsaule K, und eraer Wasersäule W gebildet wird. ^ ^^"^

einer Sandsäule Z_v einer

Wassersäule W_H gebildet wird.

mißt den auf dem Meßpunktniveau 9 ha

Überdruck, der von einer Schlammsaule K₉ und einer

Wassersäule IV₉ gebildet wird. .

Die TiefenmeUvorrichtung 22 besteht aus einem am Saugrohr 13 befestigten Zeiger 23 mit einer Skalaeinteilung 24, auf der der Winkel α ablesbar ist den das Saugrohr 13 mit der Horizontalen einschließt Die Tiefen D, und D₉ der Druckmesser 6 bzw unter dem Wasserspiegel 14 sind gleich /„ · smetaw /„•sin*, worin /_M bzw. Z₉ die (bekannten) Abslande der Meßpunktniveaus 8 bzw. 9 von der Pumpe Il

unier uer gut erfüllten Näherungsannahme, daß W_s - W₉, kann der vertikale Abstand λ: vom Schlamm bis an den Saugrohrmund 20 mit den nachstehenden Gleichungen berechnet werden:

P₈=I-W₈-S₄-K₈-^-S₄-Z₈

P₉ - 1 ■ W, r 5, · K₉

Hierin stellen dar:

P_H und P₉ den Meßdruck auf den Meßpunktniveaus 8 bzw. 9,

W_n und W₉ die Wassersäule über den Meßpunktniveaus 8 bzw. 9,

Kj, und K₉ die Schlammsäule über den Meßpunktniveaus 8 bzw. 9.

S_k das spezifische Gewicht des Schlamms, und
S_x das spezifische Gewicht des Sandes.

Aus den zwei Gleichungen folgt:

P_H- P₀ = S_t{Ks- K_n) + S₁- Z_aand K_H— K₉ = /sin α — Z_s,

mit /= Abstand der Meßpunktniveaus 8 und 9 voneinander = /_H — /₉,

hieraus folgt

P₈ - P₁, - S_t · L sin α -\ Z_n (S₁ - S_t).

Weiter ist

.v Z_u ) in sin a

1\ -P„ - S₄.-i sin η

- »! sin a

Das spezifische Gewicht des Schlamms .SV und das spezifische Gewicht des Treibsandes S, werden, falls sie nicht ohnehin bekannt sind, mittels Bohrungen vorher gemessen. Die Drücke P₈ und P,, werden mit Hilfe der Druckmesser 6 bzw. 5 gemessen. Der Abstand m zwischen dem Meßpunktniveau 8 und dem Saugrohrmund 20 ist konstant.

Eine noch einfachere und genauere Messung der Drücke P_s und P_n, und zwar jeweils gleich um den Druck der Wassersäule W_s reduziert, ermöglicht die in F i g. 2 gezeigte Ausgestaltung des Saugrohrendes.

In Fig. 2 ist das Saugrohr 13 mit an sich bekannten DifTerenzdruckmessern 25 und 21 versehen. Die eine Druckkammer 26 derselben steht durch eine Leitung 27 mit dem Wasser 18 über der Baggerzone in Verbindung, und die andere Druckkammer 28 derselben steht unter dem in der fluidisierten Zone herrschenden Druck. Die Druckkammer 28 ist mittels einer Membran 17 von dem Baggergut getrennt, um die Meßmembran 44 gegen Beschädigung zu schützen.

Bei der in F i g. 3 gezeigten Ausführungsform ist das Saugrohr 13 mit einer Meßvorrichtung versehen, die eine an eine Wasserquelle angeschlossene, sich in zwei enge Zweigleitungen 30 und 31 verzweigende Druckwasscrleitung 29 aufweist, die Zweigleitungen 30.31 besitzen eine Austrittsöfl'nung 32 in der fluidisierten Zone am Meßpunktniveau 8 beim Saugrohrmund 20 bzw. eine Austrittsöffnung 33 auf einem höheren Niveau im Schlamm am Meßpunktniveau 9. Die Zweigleitungen 30 und 31 sind in der Nähe der Austrittsöffnungen 32 und 33 über Meßleitungen 35 bzw. 36 an die beiden Seiten eines Differenzdruckmessers 37 angeschlossen. Dieser ist mit einer Meßmembran 3 versehen und mißt auf diese Weise den Unterschied der Drücke an den Austrittsöffnungen 32 und 33. Hieraus ist nach den obigen Formein die Höhe der Sandsäule χ über dem Saugrohrmund 20 herzuleiten.

Die Meßvorrichtung ermöglicht das rechtzeitige Verholen oder die Einstellung des Saugrohrmundes 20 in der richtigen Tiefe. Selbstverständlich kann das Saugrohr 13 auch so tief in den Sand eingefahren werden, daß auch der obere Druckmesser 5 sich im Sand befindet. Solange der Druckmesser S im Sand untergetaucht bleibt, wird ein Druckunterschied

.V. · /sinα gemessen. Sobald der Schlamm an dem Meßpunktniveau 9 vorbei absinkt, nimmt dieser Druckunterschied ab. woraus man herleiten kann, daß nach einiger Zeit der Saugrohrmund 20 versetzt werden muß, um das Aufsaugen von Schlamm /u verhindern.

Die AustriUsöffnung 32 und der Druckmesser 6 sowie der DilTerenzdruckmcsser 25 sind nicht unmittelbar am Saugrohrmund 20 angeordnet, sondern in einem kleinen Abstand m darüber, wo die Strömungen um den Saugrohrmund 20 den Meßdruck nicht oder kaum beeinflussen.

Die Druckmesser 5 und 6 \iv.d die Differenzdruckmesser 21, 25 und 37 können elektrische Ausgangsgrößen erzeugen, die jeweils über elektrische Leitungen einer nicht dargestellten Ablesevorrichtung an

ίο der Schalttafel an Bord des Schiffes 10 zugeführt werden.

Das Saugrohr 13 der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform weist ein an die Pumpe 11 angeschlossenes Rohr 39 und ein in demselben mittels eines Hydraulikaggregats 41 axial verschiebliches Teleskoprohr 40 auf. Um das Rohr 39 und das Teleskoprohr 40 ist ein am Rohr 39 befestigter Außenmantel 42 angeordnet, der an der oberen Seite offen ist und mit dem Wasser 18 in Verbindung steht. Da außerhalb des Saugrohrs 13 kein oder nahezu kein Wasser in die fluidisiertc Zone eingeführt wird, tritt in den Saugmund 34 am unteren Ende des Außcnniantcls 42 eine schwere Sandsuspension ein. die aus viel Sand mit wenig Wasser besteht. Je höher das Teleskoprohr 40 aufgezogen wird, um so mehr Wasser gelangt über e'en Außcnmantel 42 durch das untere Rohrende 43 des Telesknprohrcs 40 in dieses hinein und wird mit aufgesaugt. Andererseits wird der Sand um so höher in den Außenmantcl 42 aufsteigen, je tiefer dieser Außenmantel 42 in die Sandschicht 25 ragt. Somit ist die Konzentration der aufgesaugten Suspension an Sand durch Einstellung des Abslandes des Rohrendes 43 über dem Saugrohrmund 20 in Abhängigkeit von dem Gewicht der über dem Saugrohrmund 20 stehenden Bodensäule regelbar. Zu diesem Zweck ist außer einem Druckmesser an den Meßpunktniveaus 8 und 9 ein weiterer Druckmesser 4 (Fig. 1) am einen Meßniveau 7 über der Baggerzone im Wasser 18 vorgesehen. Aus dem Druckunterschied zwischen den Meßwerten dieses Druckmessers 4 und des Druckmessers 6 im Meßpunktniveau 8 kann das gesamte Gewicht der Bodensäulc und damit die Tiefe des Saugrohrmundes 20 unter der Gewässersohle ermittelt werden.

Bei der in F i g. 4 gezeigten Ausführungsform ist das Saugrohr 13 mit einer ganzen Reihe von Druckmessern /, bis r,₀ versehen, die jeweils den Druckunterschied im Boden zwischen zwei der in ein und demselben gegenseitigen Abstand gewählten MeB-punkte 47 bis 57 messen. Die Meßwerte sind an Bord an mehreren Anzeigevorrichtungen oder gegebenenfalls aufeinanderfolgenden ein und demselben Anzeiger ablesbar. An Hand dieser Druckunterschiede ist sehr deutlich die Grenzlinie zwischen Schlamm und Sand zu verfolgen.

Die Bestimmung des vertikalen Abstandes vom Schlamm bis an den Saugrohrmund 20 erfolgt in den Ausführungsbeispielen mittels Druckmessern oder Differenzdruckmessern, die auf das spezifische Ge-

wicht des anliegenden Materials als charakteristische physikalische Eigenschaft ansprechen. Jedoch können am Saugrohr 13 auch andere Meßgeräte vorgesehen sein, die statt auf den Unterschied im spezifischen Gewicht auf die Unterschiede in einer anderen physi-

kalischcn Eigenschaft zwischen Schlamm und Sand ansprechen, z. B. auf den Unterschied in der Viskosität, der Durchlässigkeit für Strahlung oder den elektrischen Widerstand.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Überwachen und. oder Steuern des Saugprozesses beim Baggern von unter einer Deckschicht aus Schlamm, Lehm oder dergleichen lagerndem Sand mittels eines Saugbaggers, dessen Saugrohr während des Baggei hctriebes durch die Deckschicht hindurch in den Sand hineinragt, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einer in bestimmter Höhe über dem Saugrohrmund liegenden Meßsielle eine für die Bodenarten charakteristische physikalische Eigenschaft des an der Meßsiel Ic anliegenden Bodens gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristische physikalische Eigenschaft an mehreren, vorzugsweise in gleichen Abständen übereinanderliegenden Meßstellen gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß als charakteristische physikalische Eigenschaft das spezifische Gewicht des anliegenden Bodens durch Ermittlung des Druckunterschieds zwischen zwei in bestimmtem Abstand übereinander und über dem Saugrohrmund (20) liegenden Meßpunkten einer Meßstelle gemessen wird.

4. Saugbagger zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der b/w. den Meßstellen Meßvorrichtungen zugeordnet sind, die auf die charakteristische physikalische Eigenschaft des außerhalb des Saugrohrs im vorgegebenen Abstand \om SauiMohrmund (20) jeweils anliegenden Bodens ansprechen.