Bart Van de Velde Bach. Scriptie Defintief 4 - The Art of Dredging

HOGERE ZEEVAARTSCHOOL ANTWERPEN
OE 2 EXPLOITATIE EN SCHEEPSTECHNIEK
Optimalisatie van het
baggerproces op TSHD tijdens het
sleepzuigen
Bart Van de Velde
Scriptie voorgedragen tot het behalen van de graad van Promotor: Kapt. Kris De Baere
bachelor in de nautische wetenschappen academiejaar: 2008 – 2009 Co-Promotor: Maarten Dewint

HOGERE ZEEVAARTSCHOOL ANTWERPEN
OE 2 EXPLOITATIE EN SCHEEPSTECHNIEK
Optimalisatie van het
baggerproces op TSHD tijdens
het sleepzuigen
Bart Van de Velde
Scriptie voorgedragen tot het behalen van de graad van Promotor: Kris De Baere
bachelor in de nautische wetenschappen academiejaar: 2008 – 2009 Co-Promotor: Maarten Dewint
2

Dankwoord
Bij het maken van deze scriptie heb ik het geluk gehad om gesteund te
worden door competente mensen met een afdoende kennis over
sleephopperzuigers.
Ik zou dan ook graag mijn dank betuigen aan het opleidingsteam van Jan
De Nul en specifiek Maarten Dewint, mijn co-promotor.
Mijn dank gaat ook uit naar mijn vader, kapitein op de sleephopper 'Leiv
Eiriksson' en de bemanningen van de 'Gerardus Mercator' en 'Alexander
von Humboldt', zij hebben steeds mijn vele vragen beantwoord.
Ook bedank ik graag mijn promotor kapitein Kris De Baere , docent en
opleidingshoofd aan de hogere zeevaartschool, voor zijn tips en
medewerking.
3

Inhoudstafel
1 Inleiding.......................................................................................6
2 De zandpomp................................................................................7
2.1 De binnenboordpomp...................................................................................................7
2.2 De zuigbuispomp.........................................................................................................8
2.3 Aandrijvingen..............................................................................................................9
2.3.1 Diesel-direct.........................................................................................................9
2.3.2 Elektrisch.............................................................................................................9
2.4 Conclusie...................................................................................................................10
3 De sleepkop.................................................................................11
3.1 Hoe werkt een sleepkop.............................................................................................11
3.2 Soorten sleepkoppen..................................................................................................12
3.3 Vizier.........................................................................................................................13
3.4 Messen, beitels en pickpoints.....................................................................................15
3.5 Waterflap....................................................................................................................17
3.6 Jetwater......................................................................................................................18
3.7 Conclusie...................................................................................................................20
4 Deiningscompensator...................................................................21
4.1 Waartoe dient een deico.............................................................................................21
4.2 Hoe gebruikt men optimaal een deiningscompensator................................................22
4.2.1 Slaglengte van de deico......................................................................................23
4.2.2 Deico-druk..........................................................................................................24
4.2.3 Slibzuigen...........................................................................................................26
4.3 Conclusie...................................................................................................................27
5 Hopper........................................................................................28
5.1 Overvloei...................................................................................................................32
5.2 Milieuklep..................................................................................................................34
5.3 AMOB.......................................................................................................................35
5.4 Conclusie...................................................................................................................35
6 Besluit........................................................................................36
7 Bibliografie..................................................................................37
4

Lijst van figuren
Fig. 1: Verliezen baggerpomp..............................................................8
Fig. 2: Zuigbuispomp Volvox Hollandia.................................................8
Fig. 3: Actieve sleepkop....................................................................12
Fig. 4: Sleepkop loopt op de teen.......................................................13
Fig. 5: Pickpoint en beitel..................................................................15
Fig. 6: Studie jets............................................................................19
Fig. 7: Schematische opstelling deiningscompensator...........................22
Fig. 8: Schematische configuratie onderpijp........................................26
Fig. 9: Hopper sedimentatie..............................................................28
Fig. 10: Diagram van Hjulstrom.........................................................29
Fig. 11: Overvloei Alexander Von Humboldt.........................................32
Fig. 12: Overvloei met milieuklep.......................................................34
Fig. 13: AMOB.................................................................................35
5

1 Inleiding
Beste lezer,
Met deze scriptie tracht ik u een inzicht te geven in het gecompliceerde
baggerproces en meer specifiek, de optimalisatie hiervan.
Ik leg u uit hoe de verschillende toestellen aan boord werken en vooral
hoe ze samen optimaal kunnen worden gebruikt om de productie hoog te
houden.
Ook zal ik u meer inzicht proberen te verschaffen in de verschillende
parameters in het baggerproces en vooral hun samenhang.
In het baggerproces zijn enorm veel parameters van belang.
Slechts een deel van deze variabelen zijn gekend en een nog kleiner deel
zijn controleerbaar.
Aangezien het baggeren vele aspecten omvat, heb ik mij enkel toegespitst
op het laden van een sleephopperzuiger. Naast het laden zou men
gemakkelijk nog een scriptie kunnen schrijven over het persen,
automatisatie, baggervrijboord, vermogensverdeling, beunbelasting,
slijtage , propulsie, ...
Een hoge productie is zeer belangrijk aan boord van moderne,
competitieve baggerschepen. Dit vergt de nodige kennis en kunde van de
bemanning.
De beschreven theorie in dit document vergt een voorkennis over de
baggerinstallatie aan boord van een moderne sleephopperzuiger.
Ik verwijs graag als randlectuur naar:
COTTELEER, B. (2004), DE BAGGERINSTALLATIE BIJ MODERNE
SLEEPHOPPERZUIGERS, Hogere Zeevaartschool Antwerpen, Eindverhandeling
Nautische Wetenschappen
Alkema , J. e.a. (1988), Voortgezette Opleiding Uitvoering Baggerwerken
Hfdstk 5 Sleephopperzuiger, Leidschendam, VBKO, derde versie
6

2 De zandpomp
2.1 De binnenboordpomp
Bij de binnenboordpompen onderscheiden we twee grote groepen:
Perspompen op schepen waar geladen wordt met een zuigbuispomp,
zijn gekenmerkt door een waaier met een grote diameter en kleine
breedte. Perspompen kunnen meer opvoerhoogte leveren voor een
bepaald debiet.
Pers en zuigpompen op schepen waar geen onderwaterpomp wordt
gebruikt 1 zijn gekenmerkt door een kleinere diameter en een grote
breedte. Ze zijn geoptimaliseerd om een groot debiet te verpompen
bij lage druk.
Baggerpompen zijn standaard al zeer geoptimaliseerd. Toch let men best
op volgende zaken:
Zorg er steeds voor dat de pomp goed gemonteerd is en dat de
slijtplaten nauw genoeg aansluiten. Elke speling of opening tussen
de slijtplaten en impeller geeft aanleiding tot spleetverliezen 2 . Deze
zijn een gevolg van de grote drukverschillen tussen zuigzijde
(intrede) en perszijde (uitrede) van de waaier, waardoor water kan
terugvloeien door de spleten tussen waaier en de voor- en
achterdeksels (recirculatie).
Pompleveranciers trachten deze spleetverliezen te beperken door
speciale afsluitringen en / of dekselplaten.
1 Sommige schepen zijn ontworpen om te kunnen werken met en zonder zuigbuispompen, naargelang de
zuigbuis die gemonteerd wordt.
2 Naast spleetverliezen zijn er ook nog wrijvings-, intrede-, botsing- en stootverliezen, maar aan deze
verliezen valt weinig te doen aan boord (zieFig. 1).
7

Fig. 1: Verliezen baggerpomp
Tracht bij het laden de stortbakken het dichtst bij de pomp gelegen
te gebruiken, zo ondervindt de pomp het minste tegendruk en zal
deze meer debiet leveren.
2.2 De zuigbuispomp
Deze pomp wordt steeds elektrisch aangedreven, omwille van het feit, dat
men geen
verbrandingsmotor kan
creëren die onder
verschillende hoeken kan
werken.
Deze pomp zal minder snel
caviteren, daar de
ingangsdruk een stuk hoger
zal liggen.
Fig. 2: Zuigbuispomp Volvox Hollandia
8

Om net deze ingangsdruk hoog te houden, kan de pijpman -indien
mogelijk- het stuk zuigbuis met de onderwaterpomp zo diep mogelijk
onder water laten zakken . Het met water vullen van de hopper –meer
omwille van stabiliteitsredenen- zal de pomp(en) ook dieper doen liggen
wat bijgevolg hetzelfde voordeel zal opleveren.
2.3 Aandrijvingen
2.3.1 Diesel-direct
Bij een diesel aandrijving wordt de pomp direct aangedreven door de
hoofdmotor van het schip. Tussen-in staat nog een reductie kast en een
slipkoppeling om de as van de pomp te beschermen tegen hoge
momentkrachten. De reductiekast heeft doorgaans drie verschillende
standen: laag, medium en hoog. Hiermee kan de pijpman de
pompkarakteristiek en bijgevolg het werkpunt beïnvloeden
Het gebruik van een directe diesel-aandrijving geeft ons een hoog
rendement.
Bij overdracht via een reductiekast, gaat slechts ongeveer 5% energie
verloren.
Het grote nadeel bij gebruik van dieselmotoren, is dat deze niet onbeperkt
in toeren kunnen zakken bij toenemende belasting. Als de motor onder
een bepaald toerental komt (70% van toerental in volkoppelgebied), is er
geen garantie meer dat de motor zal blijven draaien. Daarom gebruikt
men een reductiekast.
2.3.2 Elektrisch
Alhoewel deze aandrijvingsmethode een rendementsverlies van ongeveer
15% en meer componenten nodig heeft, is dit een heel interessante optie
voor de baggerpompaandrijving. Een electromotor kan quasi onbeperkt
dalen in toeren bij toenemende belasting.
9

2.4 Conclusie
Een baggerpomp is reeds sterk geoptimaliseerd. De operator heeft zelf
weinig invloed op de efficiëntie van de pomp. Toch houdt men best
volgende stellingen in het achterhoofd:
• Enerzijds is het zeer belangrijk dat de pomp een groot genoeg
vacuüm kan verwezenlijken om het mengsel op te zuigen.
• Anderzijds mag de pomp niet teveel debiet leveren opdat de
beunbelasting niet te hoog zou worden (zie hoofdstuk 'Beun').
10

3 De sleepkop
3.1 Hoe werkt een sleepkop
De sleepkop is het onderdeel dat op het einde van de zuigbuis zit. Het
haalt een laag bodemmateriaal weg met behulp van de onderdruk van de
baggerpomp, jetwater, beitels en vizier.
Een sleepkop (zuigkop) gaat op verschillende manieren tegelijk bodem
ontgraven:
Ten eerste zal de onderdruk gecreëerd door de baggerpomp een grond-
water mengsel opzuigen.
Ten tweede is de sleepkop uitgerust met jetnozzles 3 om zeewater onder
druk in te spuiten in de bodem. 4
Daarnaast zijn op de meeste sleepkoppen pickpoints 5 of beitels
geïnstalleerd. Zij graven de bovenste laag af en geleiden het losgemaakte
materiaal in de kop naar binnen.
Daarnaast ziet men heel vaak een stenenrooster of bommenrooster. Dit is
een rooster geplaatst na de ingang van de sleepkop. Het houdt stenen en
andere voorwerpen tegen, die te groot zijn om door de pomp te geraken.
De maat van de opening in het rooster wordt bepaald door de diameter
van de grootste bol die nog door een impeller van de baggerpomp kan.
Deze waarde wordt aangegeven door de fabrikant van de pomp (sphere
passage).
3 Enkele oudere schepen zijn niet uitgerust met jetnozzles, maar alle moderne TSHD's hebben deze optie wel.
4 Sleepkoppen zonder jetwater bestaan ook, maar zijn minder productief.
5 Pickpoints zijn bodem afgravende tanden, die gemonteerd worden op de sleepkop.
11

Een bommenrooster is een soortgelijk rooster met kleinere openingen om
te voorkomen dat opgezogen explosieven tot bij de pomp kunnen
geraken. De grootte van de openingen wordt hier meestal bepaald door
lokale kennis, door verzekering of door lokale wetgeving.
3.2 Soorten sleepkoppen
Er bestaan veel verschillende soorten sleepkoppen die verschillen per
schip, leverancier of rederij. Elk hebben ze hun eigen design.
De belangrijkste te onderscheiden soorten sleepkoppen zijn:
Actieve kop versus passieve kop
Eroderende sleepkoppen( vb: California-type) versus ontgravende
sleepkoppen uitgerust met messen of beitels.
De passieve en de actieve kop zijn vaak gelijkaardig van bouw.
Echter kan men bij de actieve kop de stand en kracht van het vizier
'realtime' regelen met behulp van op afstand bedienbare hydraulische
cilinders, idem voor de eventueel aangebrachte waterflap of waterinlaat-
afsluiter.
Fig. 3: Actieve sleepkop.
12
De keuze van
sleepkop is een
strategische keuze,
die vaak wordt
genomen voor men
aan een nieuw
project begint .

De eroderende koppen (vb. California-sleepkop) worden steeds minder
gebruikt, gezien dit type enkel optimaal kan produceren in losgepakt
(niet-cohesief) materiaal in het bijzonder grof zand.
Hier zullen we enkel de actieve kop bespreken, want dit is het meest
gangbare en moderne type, het zorgt doorgaans voor de hoogste
productie en is naar optimalisatie toe veruit de interessantste.
Bij de actieve kop kan de pijpman direct de stand van het vizier en de
waterflap regelen. Op de sleepkop wordt dit mogelijk gemaakt door
middel van hydraulische pistons die gemonteerd staan tussen de helm en
het vizier en tussen het vizier en de waterflappen (zie Fig. 3).
3.3 Vizier
Het actieve vizier kan men instellen op 3 verschillende manieren:
1. Los: Het vizier wordt met een ingestelde kracht 6 naar beneden
geduwd, ongeacht de stand van het vizier blijft deze kracht dezelfde.
Het vizier zal het bodemprofiel volgen. Bij harde ondergrond zal het
vizier het bodemprofiel volgen, bij zachte bodem kan het vizier ver
penetreren.
Als deze kracht te hoog wordt
ingesteld, dan zal het vizier de hele
sleepkop van de grond tillen, dit heet
'op zijn teen lopen'. Als de kop op zijn
teen loopt, dan heeft enkel de teen
contact met de bodem en zal hij enkel
zeewater aanzuigen.
6 Dit komt overeen met een bepaalde druk op de viziercilinders.
13
Fig. 4: Sleepkop loopt op de teen

Dit fenomeen is sterk afhankelijk van het gewicht van de kop op de
bodem en dus de deico-druk. De kleinste kracht waarbij de kop op
zijn teen begint te lopen is ook afhankelijk van de cohesie van de
bodem; cohesieve bodemsoorten hebben meer kracht nodig om te
penetreren.
2. Vaste hoek: Het vizier wordt onder een constante hoek gehouden
met het vaste deel van de kop. Het vizier zal niet meebewegen met
het bodemprofiel. Het systeem zal automatisch meer of minder
kracht uitoefenen op het vizier om het in de ingestelde stand te
houden.
Het gevaar schuilt erin dat de sleepkop over een rots wordt
getrokken en dat het vizier hierachter blijft haken en schade
berokkent. Bovendien wordt het vizier met onnodig veel kracht in de
bodem geduwd, met veel slijtage tot gevolg.
3. Vaste laagdikte: Het systeem regelt zelf de hoek van het vizier om
een bepaalde laagdikte af te graven, de pijpman stelt zelf de dikte
van de laag in.
Met andere woorden, het systeem zal de horizontale afstand tussen
teen en hiel bewaren. Deze modus laat toe de baggerdiepte heel
precies te controleren.
Als het vizier dieper in de grond penetreert, dan zal de sleepweerstand
verhogen. M.a.w. de propulsie van het schip zal meer vermogen vragen
om dezelfde snelheid aan te houden of bij eenzelfde vermogensverdeling
zal het schip trager varen.
Als het schip sneller vaart, dan zal het vizier een hogere tegendruk
ondervinden en zal er bijgevolg meer kracht nodig zijn om het vizier in
14

een bepaalde stand aan te houden . Een te grote snelheid betekent ook
dat er grotere trekkrachten komen te staan op de kop en onderpijp.
Scheepsnelheid is dus een belangrijke factor bij het instellen van de
actieve kop.
Breedte x laagdikte x scheepsnelheid (in m/s) geeft ons het volume
bodemmateriaal dat de sleepkop afgraaft per seconde. Naast dit volume
wordt ook water 7 opgezogen Een bredere kop op een sneller schip geeft
dus een hogere productie, mits de pomp en de beun deze hoeveelheid
bodemmateriaal kunnen verwerken!
3.4 Messen, beitels en pickpoints
Op een vizier kunnen één of meerdere rijen pickpoints gemonteerd
worden op een beitelbalk.
Er zijn verschillende soorten pickpoints:
Beitels of messen; zij graven de meeste bodem weg, maar geven
ook de meeste sleepweerstand. (Fig. 4 : Rechts op de foto)
Fig. 5: Pickpoint en beitel
7 Het gaat hier over water van jetsnozzles, water intredend door waterflappen, water in de poriën van de
zandkorrels, water wat intreedt doorheen de spelingen van vast huis en vizier, ...
15

Pickpoints; zij graven minder bodem weg en hebben minder
weertsand, maar zijn beter geschikt om hardgepakte en harde
bodemsoorten open te rijten. (Fig. 4 : Links op de foto)
Rippers; dit zijn pickpoints tot ongeveer een halve meter lang, die
voorwaarts gemonteerd worden op de hiel van de kop. Ze zijn niet
zo talrijk op een zuigkop en dienen om hard en stenig materiaal dat
voor de kop ligt te breken. Ze worden zelden ingezet tenzij voor
offshore projecten of voor het weghalen van 'zachte' rots.
Dragon teeth; deze soort pickpoints zijn speciaal ontworpen voor de
Dragon®-sleepkop van IHC. Ze zijn gelijk aan de 'normale'
pickpoints behalve dat er een kanaal in zit om jetwater in de bodem
in te spuiten.
De hoek waaronder de pickpoints zijn gemonteerd is ook van belang.
Als de hoek tussen vizier en pickpoint vermeerdert, zal ook de
sleepweerstand toenemen.
Vermindert deze hoek,dan zullen de messen minder bodemmateriaal
afgraven 8 of bodem openbreken; dus bijgevolg minder productie.
8 Dit geldt vooral bij beitels.
16

3.5 Waterflap
De water flap ('water admission valve') is een regelbare opening op de
sleepkop om zeewater al dan niet toe te laten in de zuigkop.
Het sluiten (=opening wordt verkleind) van deze klep heeft enkele
gevolgen:
1. Het vacuum 9 van de baggerpomp stijgt; er wordt meer weerstand
ondervonden aan de zuigzijde van de pomp.
2. De densiteit stijgt meestal, want er wordt minder water aangezogen
en dus meer bodemmateriaal. Dit komt omdat water door de porien
van het zand omhoog dringt en zo materiaal losmaakt. Dit geldt niet
op voor hard opeengepakte bodemsoorten zoals klei, dan creëert
men gewoon meer vacuüm.
3. De mengselsnelheid zal dalen aangezien er meer zuigkracht wordt
aangewend om bodemmateriaal op te zuigen i.p.v. water; maar
bodemmateriaal is zwaarder en cohesiever dan water en geeft dus
meer zuigweerstand voor de pomp.
4. De sleepweerstand vergroot, de kop heeft meer de neiging om
zichzelf vast te zuigen.
9 De onderdruk aan de zuigzijde van de pomp.
17

3.6 Jetwater
Het jetsysteem op de sleepkop dient om kinetische energie in te brengen
in de bodem. Dit gebeurt door water onder hoge druk in te spuiten in de
bodem om zo de ondergrond in suspensie te brengen en te fluïdiseren.
Zo kan het bodemmateriaal makkelijker worden losgewoeld en verpompt.
Het bodemmateriaal bestaat uit opeengepakte deeltjes met weinig of geen
water tussen. De bodem is hard en opeengepakt. Door injecteren van
water in de bodem zullen de poriën vergroten, met een
volumeverandering tot gevolg. Het bodemmateriaal kan nu makkelijker
worden losgemaakt en verpompt.
De bedoeling van het jetsysteem is om een volumeverandering teweeg te
brengen in de grond. Hoe meer bodemmateriaal deze volumeverandering
ondergaat, hoe meer er kan losgemaakt en tenslotte ook opgepompt
worden.
Naast zijn hoge drukkracht hebben we er alle belang bij dat het jetwater
zo diep mogelijk penetreert.
De hoge jetdruk verwerft men door de jetpompen in serie te plaatsen.
Meer jetdruk –en dit onder de juiste hoek- impliceert bijgevolg ook een
diepere penetratie in de bodem.
Om deze optimale inspuiting van jetwater in de bodem te verkrijgen staat
de onderbuis best onder een hoek van 27,5 graden 10 met de bodem.
Onder deze hoek kunnen de jetstralen het diepste in de bodem dringen.
De jetnozzles op de sleepkop kunnen aangepast worden in diameter en
aantal met een verschillende leidingskarakteristiek (Q-H) als gevolg (Zie
Fig. 6).
10 Deze hoek is meestal ongeveer 27 graden, maar kan verschillen naar gelang het design van de sleepkop.
18

Fig. 6: Studie jets
Het toerental van jetpompen is meestal regelbaar, ze kunnen in serie of
parallel geschakeld worden en men kan zelfs een verschillende impeller
plaatsen. Zo zal een impeller met meerdere bladen hogere drukken
kunnen realiseren dan impellers met minder bladen. Alle ingrepen aan
jetpompen zullen hun pompkarakteristiek wijzigen.
Voor wat sleepzuigen betreft moeten de jetpompen een zo hoog mogelijke
energie-input leveren aan het systeem ter hoogte van de jetnozzles in de
sleepkop. Het wijzigen van diameter van de jetnozzles zal tot doel hebben
aan de grondsoort aangepaste jetstralen te geven, maximum debiet of
maximum druk.
19

3.7 Conclusie
Op de sleepkop kan men volgende parameters wijzigen:
Vizier
1. Kracht op vizier
2. Stand vizier
Waterflap: stand
Pickpoints
1. Pickpoints
2. Beitels (messen)
3. Combinatie
4. Geen pickpoint of beitels
Stand onderpijp
1. Onderknik
2. Bovenknik
3. Rechte pijp
Sleepsnelheid
Jetdruk
Keuze sleepkop
Elk van deze keuzes zal een andere invloed hebben op de productie, maar
het is vooral de samenhang van deze ingrepen die van belang is.
De operator zal zelf moeten uitzoeken welke configuratie de beste is voor
zijn specifieke situatie.
20

4 Deiningscompensator
4.1 Waartoe dient een deico 11
De deiningscompensator is een systeem dat de spanning op een draad
houdt. In dit geval hebben we het over een deiningscompensator (deico)
aan boord van sleephopperzuigers. Dit systeem houdt de spanning
constant op de zuigdraad van de sleepkop .
De deico heeft twee doelen:
Het moet de spanning op de kopdraad houden . Als de kopdraad
ontspant kan hij van de schijven aan dek vallen, en ontstaat tevens
kans op draadbreuk 12 als de sleepkop een oneffen bodemprofiel
volgt.
De sleepkop steeds aan de grond houden met bepaalde druk, de
sleepkop wordt met gelijke kracht op de grond gezet (voor een
zelfde uitslag van de deico-cilinder).
De deico staat tussen de kopwinch en de zuigbuisbok van de sleepkop, de
kopdraad loopt over de deico.
De deico-installatie bestaat uit een drukvat 13 gevuld met lucht of stikstof.
Stikstof heeft als voordeel geen water te bevatten en is bijgevolg minder
corrosief voor de accumulator. Het onderste deel van het drukvat bevat
hydraulische olie. Het drukvat is door een olieleiding verbonden met een
hydraulische cilinder en fungeert als buffer en veer. Op het uiteinde van de
deico-cilinder staan één of meerdere draadschijven 14 waarover de
zuigdraad van de sleepkop loopt.
11 Deico is de gangbare afkorting voor deiningcompensator.
12 De kracht in de sleepdraad kan ontoelaatbaar groot worden als de sleepkop plots naar beneden valt en de
zuigdraad strak trekt. Een deico voorkomt deze situatie.
13 De druk in het drukvat kan vaak 'realtime' worden aangepast door de pijpman, hiermee kan hij direct het
proces beïnvloeden.
14 De draadschijf is vaak geschilderd in verschillende kleuren zodat men van op de baggerlessenaar
gemakkelijk kan zien of deze draait of niet.
21

Fig. 7: Schematische opstelling deiningscompensator
Op enkele schepen is er ook een deiningscompensator aan de knikdraad
en de draad van de onderwaterpomp geïnstalleerd.
4.2 Hoe gebruikt men optimaal een deiningscompensator
De bewegingen van het schip én de veranderingen in het bodemprofiel
worden opgevangen door de deico, zodat de sleepkop steeds
(gedeeltelijk) op de bodem rust en gelijkmatig materiaal opzuigt. Op die
manier wordt een continu productieproces verzekerd.
22

4.2.1 Slaglengte van de deico
De slag van de deico-cilinder is beperkt. Een deico-cilinder die
bijvoorbeeld maar 2 meter verticaal kan bewegen, kan geen
scheepsbewegingen opvangen van die grootorde op de plaats van de
sleepkop. Als gevolg daarvan zal een sleephopper niet veilig meer kunnen
baggeren als het schip teveel stampt, dompt of rolt. Als de deico de
scheepsbewegingen niet kan opvangen, bestaat het gevaar dat de
sleepkop van de bodem wordt getild en daarna met grote kracht op de
bodem neerkomt; dit kan schade berokkenen aan de sleepkop en onderste
delen van de zuigbuis. Ook kan dit gevaar opleveren als de deico met
kracht op zijn laagste of hoogste stand neerkomt, kan dit ernstige ravage
veroorzaken aan de fundatie van de piston.
Een goede pijpman kan deze scheepsbewegingen voorzien door tijdig de
kopwinch te laten vieren of hijsen, om zo het stampen, rollen of dompen
van het schip te compenseren. Deze laatste optie kan de werkbaarheid in
slecht weer een stuk vergroten, maar is niet zonder risico’s.
De slag van de deico-cilinder is dus bepalend voor de werkbaarheid van de
sleephopperzuiger in golven en/of deining.
In slecht weer met grote scheepsbewegingen willen we dat de sleepkop
lichter aan de grond staat, ook willen we zekerheid dat de zuigdraad
steeds strak blijft. Als de zuigdraad even slap komt te staan en daarna
snel strak komt, dan wordt de kracht op de zuigdraad oneindig groot met
draadbreuk tot gevolg.
Er bestaan ook deiningscompensatoren die uitgerust zijn met een dubbele
draadschijf. De zuigdraad zal dan ook dubbel ingeschoren worden; hieruit
volgt dat bij een deico-verandering van 1 meter, de uitstaande
draadlengte 2 meter wijzigt.
23

De druk in de accumulator zal ook verdubbeld moeten worden, want de
zuigdraad zal 2 maal een neerwaartse kracht uitoefenen op de cilinder. Zo
kan met een zelfde deico-cilinder de werkbaarheid van een sleephopper in
slecht weer verhoogd worden.
Dus:
Verticale scheepsbeweging > maximale slag van de deico
= gevaar op schade aan deico of sleepkop.
4.2.2 Deico-druk
De druk in het drukvat van de accumulator is een belangrijke en
onderschatte
parameter in het baggerproces.
Als de druk niet 'realtime' vanuit de baggerlessenaar kan worden
veranderd, kan men de deico een stuk verder laten uitkomen. Hierdoor
zakt het oliepeil in de accumulator (dus het volume lucht daalt) en de
luchtdruk zal zakken in de accumulator.
Meer deicodruk heeft als gevolg dat de piston meer spanning op de
kopdraad zal houden. Dit zorgt er voor dat het gewicht van de sleepkop
minder rust op de bodem; 'de kop staat minder zwaar aan de grond'. Dit
zorgt er op zijn beurt voor dat de bodem-ontgravende delen van de
sleepkop (cf.: tanden, messen, beitels) minder penetreren in de bodem en
er dus per tijdseenheid een kleinere laag wordt afgegraven.
De aanpassing van de druk in het drukvat heeft niet bij elk deico-systeem
hetzelfde effect. Er moet rekening gehouden worden met de oppervlakte
van de piston in de deiningcompensator.
24

Bijvoorbeeld: Boring van de zuiger in de cilinder is 400mm.
Dit geeft een pistonoppervlakte van 0,1256 m² . (=A)
We verhogen de druk van 20 bar naar 21 bar. (=p)
F=p.A
Dit zal een verhoging van 12566 Newton geven op de kopdraad.
F=m.g (g=9,81 m/s²)
De zuigdraad zal dan extra compenseren voor een gewicht 1280,3
kg (ruwweg 1,3ton).
De sleepkop zal dus minder op de bodem rusten dan voordien, en wel met
1,3 ton minder gewicht. De invloed hiervan is natuurlijk relatief ten
opzichte van het gewicht van de sleepkop; met een grote sleepkop van 40
ton zal hiervan weinig merkbaar zijn in de productie.
Als de zuigbuis zeer steil staat dan loopt de zuigdraad niet loodrecht naar
beneden en zal de krachten verdeling anders zijn.
Bij baggeren op grotere dieptes is men genoodzaakt om te werken met
een zuigbuis die zeer steil staat; op dat moment staat de zuigdraad schuin
naar achteren gericht.
De trekkracht van de zuigdraad resulteert in een stuk naar achteren en
een stuk naar boven.
Bijvoorbeeld: Stel een zuigbuis waarop een zuigdraad is bevestigd met een
spanning (Fz) van 25 ton. Deze zuigdraad staat niet loodrecht, maar maakt een
hoek naar achteren van 20 graden. We willen weten met welke kracht (Fo) de
zuigbuis omhoog wordt getrokken(=x).
cos( Ө)
= x/25
x = cos( Ө).25
De kracht (Fo) waarmee de sleepkop omhoog wordt gehouden is 23,5 ton.
Een deel van de kracht van de zuigdraad gaat verloren in een horizontale
component naar achteren gericht. Deze wordt gegeven door:
x = sin( Ө).25
De sleepkop wordt dan met 8,5 ton (Fa) naar achteren getrokken, deze laatste
kracht zal enkel de zuigbuis en vooral de bocht 15 belasten.
15 De bocht is het deel van de zuigbuis dat aangrijpt op de scheepsromp.
25

Fig. 8: Schematische configuratie onderpijp
4.2.3 Slibzuigen 16
Bij slibzuigen staat de deico niet uit. De sleepkop zinkt dan in de
bodemlaag en wordt dan volledig gedragen door het slib. Om te
voorkomen dat de sleepkop te diep zou wegzakken, zal de deicodruk
hoger staan dan bij zwaardere grondsoorten.
16 Slib is bodemmateriaal met een gemiddelde korrlediameter tussen 2 µm en 60 µm.
26

4.3 Conclusie
De parameter 'deicodruk' kan best verhoogd worden als
de densiteit van het opgezogen mengsel te hoog wordt; de
sleepkop rust minder op de bodem en zuigt minder materiaal op.
de snelheid van het opgezogen mengsel te laag wordt; de sleepkop
rust minder op de bodem en zuigt meer water in het mengsel mee.
door slechte weersomstandigheden het schip teveel stampt of
dompt. De verhoogde deico-druk zal zorgen dat de kop minder
tegen de bodem aandrukt en dus minder snel kan beschadigd
worden als deze met kracht tegen de bodem wordt gezet.
een zwaardere sleepkop of onderpijp wordt gemonteerd. Een
zwaardere zuigbuis zal door zijn eigen gewicht meer op de grond
rusten.
er op een grotere diepte wordt gezogen, want dan zal de zuigbuis
steiler staan en de horizontale component op de onderpijp kleiner
worden.
men een zeer licht sediment moet baggeren; de sleepkop wordt
gedragen door verschillende bodemlaagjes op verschillende dieptes
en door de zuigdraad.
27

5 Hopper
De hopper of de beun is de laadruimte van de sleephopperzuiger. Hierin wordt
het grond-watermengsel geladen. Het is de bedoeling dat het mengsel in de
beun optimaal bezinkt. Daartoe moet het baggermengsel zo langzaam mogelijk
stromen. Een mengsel met grof bodemmateriaal zal sneller bezinken dan een
fijne bodemsoort in suspensie (cf. slib) Dit wordt allemaal duidelijk aan de
hand van het Hjulstrøm-diagram (zie Fig. 9). In de beun proberen we de
horizontale mengselsnelheid zodanig laag te houden, opdat het
bezinkingsproces zich in het onderste deel van het diagram afspeelt
('deposition', ofwel sedimentatie, afzetting). Hoe lager de horizontale
mengselsnelheid, hoe hoger de bezinkingssnelheid van de individuele deeltjes
(korrels). Merk op dat dit quasi onmogelijk is bij heel fijn materiaal (slib en
klei).
Het is dus van primordiaal belang om de
snelheid in de beun zo laag mogelijk te
houden, zodat zoveel mogelijk materiaal
kan bezinken.
Het is belangrijk om in te zien dat
intredend mengsel steeds sneller zal
stromen naarmate de hopper voller
raakt. De vrije vloeibare sectie waar het
mengsel door moet wordt steeds kleiner.
Het zand zal sneller stromen in een
kleiner vrije sectie. En als het sneller
stroomt zal er minder materiaal
bezinken.
28
Fig. 9: Hopper sedimentatie

Fig. 10: Diagram van Hjulstrom
29

Men kan berekenen hoe snel een deeltje zal stromen in de hopper aan de hand
van een eenvoudige berekening.
Bijvoorbeeld: Stel een vierkant beun met lengte 60 m en breedte 22 m en diepte 18 meter.
Het mengsel komt binnen via 2 pijpen met diameter 1100 mm en met een
snelheid van 5 m/s.
Q= v. A
Het debiet wordt dan 4,75 m³/s per pijp of 9,5 m³/s die de beun binnenkomt.
Als de beun volledig leeg is, dan moet het mengsel door een sectie stromen van
18 meter bij 22 m en dit over een lengte van 60 meter.
A= 60 m . 22 m
v = Q / A
Mengselsnelheid (v) in de beun is dan 0,72 cm/s. Uit het diagram van Hjulstrøm
kunnen we dan afleiden dat deze snelheid voldoende laag is om korrels met
diameter 0,1 mm of groter te doen bezinken.
Dit verhaal gaat enkel op als de bezinkingsweg de volledige afstand van de beun
bedraagt, helaas is dit zelden het geval 17 .
Naarmate er meer bezonken lading in de hopper ligt, zal er minder vrije ruimte
zijn waarin het mengsel kan stromen en bezinken. Daarom berekenen we de
'beunbelasting', dit is het aantal seconden dat een deeltje verblijft in de beun.
Beunbelasting = Debiet / Volume vrije sectie
Waarbij de vrije sectie gedefiniëerd wordt als: vrije vloeibare laag boven de
bezonken lading. Deze laag is moeilijk af te lijnen aangezien de densiteit dieper
in de hopper geleidelijk toeneemt. Het is dan ook moeilijk te zeggen op welke
diepte de lading niet meer vloeibaar is.
De stromingen in de hopper zijn een zeer complex begrip en zijn door de
wetenschap nog steeds niet gevat in een passend wiskundig model.
De modellen waarop men zich baseert zijn (nog) niet sluitend om het
bezinkingsproces te weer te geven.
17 Men kan niet steeds de verste laadbak gebruiken en de overvloeien staan niet steeds op het uiterste punt van de beun
opgesteld.
30

Als de beunbelasting te hoog wordt kan men volgende ingrepen toepassen:
Op korte termijn:
1. De actieve sleepkop instellen zodat hij materiaal levert aan een lagere
snelheid en hogere densiteit (zie hoofdstuk sleepkop).
2. Steeds een laadklep gebruiken die zo ver mogelijk van de overvloei
zit. Op die manier zal de bezinkingsweg zo lang mogelijk zijn en dus
zal ook meer materiaal bezinken.
3. Het toerental van de pomp verlagen om zo het debiet te beperken.
4. De milieuklep (zie verder) gedeeltelijk sluiten en/of de overflow in een
hogere stand zetten. Hiermee zal de waterstand in de hopper iets
verhogen, dus meer vrije sectie creëren. Dit heeft een positieve
invloed op bezinkingsgraad.
Ook zal het knijpen van de milieuklep de luchtbellen in het water rond
het schip verminderen, met als gevolg minder luchtbellen in de
schroeven en dus minder verlies op propulsievermogen.
Op lange termijn:
1. Afgravende elementen op de zuigkop aanpassen. Bijvoorbeeld
pickpoints monteren i.p.v. beitels.
2. Een kleinere sleepkop monteren, de kleinere breedte zal er voor
zorgen dat de kop minder debiet aan bodemmateriaal afgraaft.
Dit kleinere debiet zal de beun wel kunnen verwerken.
3. Eén zuigbuis i.p.v. twee zuigbuizen gebruiken; het debiet en dus de
snelheid zal halveren. Deze aanpak zal ook de productie kelderen en
is daarom niet populair.
31

5.1 Overvloei
Dit systeem zal de pijpman in staat stellen om de waterlaag te controleren op
een minder nauwkeurige manier. De overvloei of overloop kan op ongeveer 10
cm nauwkeurig verticaal gepositioneerd worden. Het dient om de bovenste
waterlaag 'af te romen' van het mengsel in de beun. In het begin van het
zuigproces wordt er zolang mogelijk gewacht met overvloeien om de snelheid
van de deeltjes zo laag mogelijk te houden. 18
Fig. 11: Overvloei Alexander Von Humboldt
18 In het begin van het zuigproces is overvloeien zelfs onmogelijk, want het waterniveau komt onder de rand van de
overvloei(en).
32

Overvloeien van water heeft verschillende voordelen 19 :
1. Het verhoogt de nuttige lading, bezonken partikels blijven aan boord
terwijl het water wordt afgevoerd. Na de zuigcyclus heeft het schip meer
nuttige (droge) lading (Constant Tonnage Systeem).
2. De baggerspecie kan ruwweg gesorteerd worden; kleinere korrels krijgen
geen tijd om te bezinken en vloeien mee overboord, terwijl de grotere
korrels aan boord blijven. Na het zuigen heeft het schip een lading met
een gemiddeld grovere korrel dan wat oorspronkelijk was opgezogen. Dit
is nuttig als er enkel grof zand gewenst is.
Er zijn ook nadelen verbonden aan overvloeien, zo gaat veel materiaal verloren
bij het overvloeien. Dit noemt men de overloopverliezen. Zij zijn een
limiterende factor in het zuigproces; een baggerschip zal stoppen met
baggeren als de overloopverliezen te hoog worden om nog economisch te
kunnen verantwoorden.
Bij slibzuigen wordt gestopt met laden als het schip op zijn baggermerk ligt en
er wordt bijna nooit overgevloeid. Dit is omdat slib zeer langzaam bezinkt.
Het opgebaggerde slib zou voor bijna 100% overvloeien.
Hoe trager een mengsel bezinkt, hoe langer de weg die het nodig heeft om ten
volle te bezinken. Dit noemen we de bezinkingsweg. De operator kan zelf de
bezinkingsweg optimaliseren door steeds de laadkleppen te gebruiken die zich
het verst bevinden van de overvloeien. Zo krijgt het zand meer tijd om te
bezinken. Dit is in de praktijk niet haalbaar, als men bijvoorbeeld steeds de
achterste laadklep zou gebruiken, dan zal het schip een grote trim krijgen en
wordt niet al het draagvermogen van het schip gebruikt.
19 Er zijn nog andere voordelen aan overvloeien zoals veiligheid- en stabiliteitsvoordelen, maar zij hebben weinig te
maken met optimalisatie van de productie.
33

5.2 Milieuklep
De milieuklep of smoorklep (Eng: 'turbidity valve' of nog 'environmental
throttle valve') is een vlinderklep in de overvloeikoker die de hoogte van de
waterkolom kan regelen in de overvloeikoker. De milieuklep is de fijnregelaar
van de overflow. Als deze smoorklep teveel wordt toegeknepen,bestaat het
gevaar dat de klep verzandt en zelfs blokkeert. Zo'n situatie is potentieëel
gevaarlijk; het water kan niet meer weg en de beun kan overlopen aan dek
met stabiliteitsvermindering tot gevolg. Bovendien zal de diepgang van het
schip drastisch toenemen !
Fig. 12: Overvloei met milieuklep
34

5.3 AMOB
AMOB staat voor Arm Mengsel Overboord. Dit
is een alternatieve afsluiter configuratie, om
mengsel van een lage densiteit direct
overboord te pompen en niet in de beun te
laden.
Bij het starten van de pompen of als de pijpen
even gelicht worden, zuigt de pomp enkel
zeewater aan. Op die momenten wordt AMOB
ingeschakeld.
Dit heeft als direct voordeel dat de horizontale mengselsnelheid in de beun niet
zal stijgen als er even geen zand wordt opgezogen.
5.4 Conclusie
De hoogste productie wordt behaald door zoveel mogelijk specie te laten
bezinken in de beun.
Dit gebeurt op verschillende manieren:
1. Door de bezinkingsweg zo lang mogelijk te houden.
2. Door de beunbelasting zo laag mogelijk te houden.
3. Door de horizontale deeltjessnelheid in de hopper laag te houden.
4. Door de densiteit van het inkomend mengsel hoog te houden.
35
Fig. 13: AMOB

6 Besluit
Om productief te baggeren, moet men steeds de drie hoofdelementen in het
achterhoofd houden:
1. Sleepkop: De sleepkop graaft een bepaalde hoeveelheid bodemmateriaal
af die we kunnen beïnvloeden.
Het jetsysteem, zal op zich een sterke invloed hebben op wat de sleepkop
kan afgraven en opzuigen.
Ook geeft de sleepkop een weerstand aan het schip,de sleepweerstand,
dit zal de propulsie van het schip tegenwerken.
Ten slotte zal de sleepkop zorgen voor een bepaalde tegendruk voor de
pomp, die tegendruk zal het debiet en druk van de pomp wijzigen.
2. Pomp: De baggerpomp bepaalt in grote mate de capaciteit van het
systeem, het geeft het materiaal door van kop naar beun.
3. Beun: Hier wordt het materiaal 'verwerkt', vaste deeltjes bezinken en
water vloeit over.
De beunbelasting is de hoofdparameter die hier in de gaten moet worden
gehouden, een hoge beunbelasting geeft aanleiding tot grote
overvloeiverliezen.
Het is zéér belangrijk om de productie-capaciteit van
beun, pomp en sleepkop met elkaar overeen te stemmen,
in functie van een optimale bezinking in de hopper.
36

7 Bibliografie
Alkema , J. e.a. (1988), Voortgezette Opleiding Uitvoering Baggerwerken
Hfdstk 1,2,5, Leidschendam, VBKO, derde versie
Braaksma, J. (2008) Model-Based control of Hopper dredgers, Delft, Jelmer
Braaksma, Doctoraatsthesis TUD
Bray, R.N. (2001), Dredging a Handbook for Engineers, Tweede editie,
Butterworth-Heinemann, Oxford
Cohen, M. e.a. (1999) From hand-drag to Jumbo: A Millenium of Dredging,
Terra et Aqua, nr. 77, dec. 1999.
Cotteleer, B. (2004), De baggerinstallatie bij moderne sleephopperzuigers,
Hogere Zeevaartschool Antwerpen, Eindverhandeling Nautische
Wetenschappen
IHC Holland (1991) Optimal loading of trailing dredgers, Ports and Dredging
137
IHC Systems (1994) Pearl River, Efficient Dredging, PU94PD, Reprint Ports
and Dredging, p.21-26
Jan De Nul(2000) http://www.jandenul.be/, mei 2009
Miedema, S.A., Vlasblom, W.J. (1995) THEORY FOR HOPPER
SEDIMENTATION, Delft, WODCON XIV
Paris, C., Martinez, I. (1996) Calculation of Sand Losses during Hopper
Loading Proces in Trailers, Terra et Aqua, nr. 64, pp. 3-9
Ports an Dredging, tweemaandelijks tijdschrift, IHC Holland
San and Gravel (1999)http://www.sandandgravel.com/, februari 2009
Terra et Aqua (1998) http://www.terra-et-aqua.com/, mei 2009
TheArtOfDredging(2008) http://www.theartofdredging.com/, maart 2009
van Rhee, C. (2002) On the sedimentation process in a Trailing Suction
Hopper dredger, Delft, Cornelis van Rhee, Doctoraatsthesis TUD
Vosta LMG (2000) http://www.vostalmg.com/, januari 2009
37