18/05/2016

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Intro Cutter Suction Dredge

Prof. Dr. Ir. C. (Cees) van Rhee

D dgi g E gi i gDredging Engineering

Delft University of Technology

Contents

• Intro

• General lay‐out

• Working Method

18 May 2016 2

• Cutter head

• Intro Cutting Theory (Sand and Rock)

• Mixing in cutter – spillage

• Operational Limits

Small < 250 kW

Cutter Cutter SSuction uction DDredgerredgerss

Large > 2500 kWMedium, 1500 kW

Components

• Pontoon

• Ladder

– Cutter head + drive system

S i li

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– Suction line

– Support system + winch

• Spuds

• Pumps + discharge system

• Side wires + winches

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LadderSpud system

Pump + suction line

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pontoon Cutter head

Sidewires

service crane

control room

stepping spud service platform

working spud

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cutterhead

main engine + pump room

laddermain engine + pump room anchor

booms

anchor wire

Working principle

• Cutter disintegrates or dislodges the material 

mechanically by rotating cutter head

• Swinging around working spud

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• Swinging around working spud

• Progress by successive steps

• Material sucked up and transported through 

pipeline by use of centrifugal dredge pumps

CSD Work Method  (1)

Swing to starboard

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CSD Work Method (2)

Stop at starboard, push dredger forward

CSD Work Method (3)

Start swing to portside

CSD Work Method  (4)

Continue swing to portside

CSD Work Method (5)

Stop at portside, push dredger forward to next starboard cut

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CSD Work Method (6)

Start swing tostarboard

CSD Work Method (7)

Stop in centre line

CSD Work Method (8)

Auxiliairy spud is lowered

CSD Work Method (9)

Main spud is hoisted up

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CSD Work Method (10)

The spud‐carrier with the hoisted main spud is moved forward

CSD Work Method (11)

Main spud is lowered

CSD Work Method (12)

Auxiliairy spud is hoisted up

CSD Work Method (13)

Dredger starts swinging / dredging

to starboard

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CSD Work Method (14)

Continuation of starboard swing 

Under and over cuttingforce balance

Side winch: pullingVert: lifting force needed

Side winch: breakingVert: pushing force needed

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DsDs

Under cutting mode Over cutting mode

Discharge Methods

• Pipeline

• Barge loading

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Discharge by pipeline

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7

Barge loading

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Cutter Head

• General 

• Teeth systems

• Cutting process

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• Mixing process

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Clay cutter Rock cutter

• Moviehouder mes

getand mes

snijtand

houder tweezijdige bevestiging

borg

pen

punttand

houder vollas

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getand mes

'serrated' mes

glad mes

houder tweezijdige bevestiging

beiteltand

houder enkel

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Vosta

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Bucket wheels

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Ellicott wheel

Cutting Theory

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Basic failure modes

Flow Type

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Shear Type Tear Type

Cutting in Sand

• Effect of pore pressure

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Forces on the blade

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TS

F

F=G tan(phi)

phi = friction angle

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G

G tan(phi)

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Dilatancy

•Dilatancy explained

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Negative pore pressure(under pressure)

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Forces on layer – effect of dilatancyT=S’ tan(phi)       Coulomb

S’=S‐u

S’   : effective stress S    : Total Stressu    : Pore water pressure

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S   0   :  S’=‐uPore water pressure is negativeIncrease in effective stressIncrease in Shear stress

u::v h/k

u pore pressure

h i d h

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h cutting depth

v cutting velocity

k permeability

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Cutting Sand:

• Larger Cutting forces with

– Lower permeability (finer sand)

– Increase cutting depth & velocity

Increase water depth

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– Increase water depth

Under and over cuttingforce balance

Side winch: pullingVert: lifting force needed

Side winch: breakingVert: pushing force needed

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DsDs

Under cutting mode Over cutting mode

Rock Cutting

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Failure modes duringCutting

Chip

Tensile crack

hShear crack

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Tool

Crushed zone

Shear plane

Shear zone

Plastic deformation

Brittle-ductile transition

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Forces during cutting

B r i t t l e & D u c t i l e C u t t i n g

8 0

1 0 0

1 2 0

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0

2 0

4 0

6 0

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0

T i m e

For

ce B r i t t l eD u c t i le

Rock cutting

• Large cutting forces

– Strength Cutter and teeth

– Teeth placement important

Tooth wear

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– Tooth wear

Spillage

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spill

Spillage 

Low cutterRev.

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High cutterRev.

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Cutter head production processin rock or gravel

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Cutter head productions c.q. Spillage

•The rotational speed of the cutter head causes spillage.

–Cutter acts as a pump

•The productivity c.q. spillage depends on the ratio:

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The productivity c.q. spillage depends on the ratio:

•For sand the productivity is:

•For rock the productivity is much lower

32.5 pump

rcutter

QP

R

Influence of waves on operation

• CSD is a floating object

• Response due to wave loading as with other floating structures, but ….

T i l t f t ith l dd

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– Typical geometry of pontoon with ladder

– Interaction with soil

• Spud – Spud carriage system

• Cutter head

• Numerical prediction still not satisfactory

Wave influence

• CSD not only decisive

– Aux. Equipment

– Coupling, de‐coupling of floating pipeline

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Application of CSD

• Nearly all kinds of soils (sand, clay, rock <30 MPa)

• Sensitive to wave conditions

• Stationary dredger (vulnerable for shipping)

• Some are self‐propelled for mobilisation

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• Max. dredging depth 30 m

Limiting Factors

Excavation

Soil characteristics

Available power on cutter

Side winches (max. power and velocity)

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Thickness and width of the layer to be dredged

Dredging depth (ladder angle, spuds, vacuum limit)

Pumping distance (pump‐ and pump drive characteristics)

Shipping

???

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• September 14  2016

• 14:00 – 15:00 CEST