半潛運(yùn)輸船的自主研究開發(fā)

仲偉東，王忠復(fù)

（708研究所，上海 200011）

0 前 言

半潛運(yùn)輸船（以下簡稱半潛船）是一種以裝運(yùn)超長、超重、且不可分離的超大件特殊貨物運(yùn)輸、裝卸的特種工程船，它擁有巨大的作業(yè)甲板面積，利用自身的調(diào)載系統(tǒng)，使船體的裝載甲板在較短時(shí)間內(nèi)沉入水中，將承載物拖至甲板上方，再通過調(diào)載系統(tǒng)使船體上浮，將承載物托舉出水面并系固；當(dāng)承載物運(yùn)達(dá)目的地后，帶著承載物下沉，解開系固，待承載物浮起與半潛船分離后，半潛船撤離、自行浮起，承載過程即告完成。半潛船還是水下救撈工程不可或缺的重要裝備，配合大型起重船進(jìn)行起重打撈較之常規(guī)的浮筒打撈具有快速、安全等優(yōu)勢。

我國自1990年代開始，由708所設(shè)計(jì)研發(fā)用于水工作業(yè)的非自航半潛船。目前世界各國不少海洋石油平臺(tái)已處于保修期，急需用半潛船將這些平臺(tái)拖運(yùn)到基地維修，在轉(zhuǎn)移井位時(shí)也需使用半潛船。其市場前景看好，租金價(jià)格高昂，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。

1 708所開發(fā)設(shè)計(jì)半潛船的歷史

1990年代初，708所承擔(dān)了兩型用于大型水工作業(yè)的非自航半潛船——半潛駁的開發(fā)設(shè)計(jì)，這是國內(nèi)首次涉足這種新船型的自主開發(fā)。

1994年建成使用的 2500t半潛駁采用舊船改裝，一次成功完成2450t的電廠冷卻水取水頭的制作、拖運(yùn)和沉放作業(yè)，節(jié)省施工投資上百萬元。隨后在3000t半潛駁建造中，先后完成了幾十個(gè)砼沉箱的制作及沉放，較大地降低了預(yù)算的投資額。該船的鋼材用料中新舊料比例為 1:5，整船造價(jià)約為進(jìn)口二手船的50%，全新船的25%。3000t半潛駁于1996年建成。

2000年初，708所又承接了將一艘17萬t的“南海希望”號(hào)生產(chǎn)儲(chǔ)油輪改裝成5萬t半潛駁“重任3”號(hào)的設(shè)計(jì)任務(wù)。將該輪的船艏及部分船體結(jié)構(gòu)作為主體，利用原卸貨管路作為壓載系統(tǒng)，改進(jìn)原船錨泊系統(tǒng)的相應(yīng)機(jī)械，重新安裝甲板載荷為 15t/m2的全新舉升甲板等。2001年交船后至2005年9月間，該船充分發(fā)揮其特長承運(yùn)重大貨物包括半潛平臺(tái)38次[1]，見圖1，創(chuàng)造了很大的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 “重任3”號(hào)裝運(yùn)Spar平臺(tái)立柱

此后，708所又設(shè)計(jì)開發(fā)了1.5～5萬t的半潛船、自航半潛船等，積累了成熟的半潛船設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

2 國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

半潛船型產(chǎn)生之初是沒有動(dòng)力的半潛駁船，世界上第一艘建造的具有開敞甲板型的自航半潛船是 1979 年交付的“Super Servant 1”[2]。1980 年代開始，半潛船逐步建造和發(fā)展起來，至今具有開敞甲板型的新建半潛船有20余艘，近5年得到了快速的發(fā)展。目前世界上最大的半潛船營運(yùn)商是荷蘭的Dockwise 公司。我國中遠(yuǎn)航運(yùn)2002年擁有了當(dāng)時(shí)技術(shù)先進(jìn)的2艘1.8萬t半潛船后，也逐步成為一家主要的營運(yùn)公司。 典型半潛船主要參數(shù)見表1，部分參數(shù)摘自網(wǎng)絡(luò)公開信息[3]。

表1 典型半潛船主要參數(shù)表

續(xù) 表 1

半潛船外型有普通貨船改造的開敞甲板型（二島式或三島式）、浮塢式或新建造的三島或四島式。動(dòng)力裝置由早期駁船僅供壓載泵及移定位絞車等設(shè)備的電站，發(fā)展到依靠自身動(dòng)力推進(jìn)的自航式半潛船。航速也由最初的5～8km/h增加到10～15km/h，進(jìn)入 21世紀(jì)后，更是出現(xiàn)了具有動(dòng)力定位能力的半潛船，使船型適應(yīng)范圍更廣，作業(yè)能力更強(qiáng)。

3 半潛船型總體設(shè)計(jì)技術(shù)

3.1 技術(shù)關(guān)鍵

研發(fā)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一艘同時(shí)滿足現(xiàn)行國內(nèi)外有關(guān)法規(guī)、公約、規(guī)范條件下，布置合理，強(qiáng)度足夠，浮力富余，浮態(tài)合適，穩(wěn)性可靠，耐波性好，定位迅速，操縱方便的安全、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的大型半潛作業(yè)工程船。其技術(shù)關(guān)鍵包括：

1)優(yōu)化主要尺度及線型，在載重量舉力、作業(yè)面積、續(xù)航力等主要性能滿足技術(shù)任務(wù)書的要求下，控制船體尺度、降低初投資；

2)權(quán)衡各種作業(yè)方式(上浮下沉、滑上滑下等)，對(duì)船舶調(diào)載能力的要求，選用合適可靠的裝置與系統(tǒng)。使之快速沉浮，同時(shí)與成本相結(jié)合，減少運(yùn)營費(fèi)用；

3)針對(duì)船舶作業(yè)快速沉浮及滿載遠(yuǎn)洋航行的兩種重要工況的船體總縱、總橫強(qiáng)度及局部強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，確保船體在足夠安全的情況下控制自重，降低造價(jià)；

4)選用先進(jìn)、穩(wěn)定的動(dòng)力裝置及電力系統(tǒng)，使船舶各項(xiàng)操縱可靠方便。同時(shí)又經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。論證并確定功率，既要滿足限定海況的作業(yè)要求，又要達(dá)到必要的航速，控制好運(yùn)營成本。

3.2 研發(fā)內(nèi)容

1)大型半潛船船型及總體性能研究：收集國內(nèi)外船型資料、分析研究，選擇合適的主尺度、線型，應(yīng)用船模試驗(yàn)和計(jì)算研究其作業(yè)和航行兩種工況下的運(yùn)動(dòng)性能和快速性能；

2)主船體結(jié)構(gòu)研究：以有限元分析計(jì)算為基礎(chǔ)，對(duì)半潛船的主體、艏體、艉浮箱以及各重大節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)多工況下的船體抗彎、抗扭強(qiáng)度及疲勞分析；

3)定位系統(tǒng)研究：應(yīng)用計(jì)算及模型試驗(yàn)確定半潛船在風(fēng)、浪、流作用下的環(huán)境外力，作為錨系統(tǒng)定位或動(dòng)力定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度研究其適用水深的合理性。對(duì)不同推進(jìn)器配置的動(dòng)力定位性能分析計(jì)算，優(yōu)化推進(jìn)器配置，尋求滿足同等環(huán)境條件和定位能力情況下的優(yōu)化配置；

4)大功率電站系統(tǒng)配置研究：進(jìn)行大型半潛船電力負(fù)荷及電站優(yōu)化配置研究。結(jié)合目標(biāo)船型研究滿足相應(yīng)動(dòng)力定位要求的船舶電氣系統(tǒng)，并對(duì)配電系統(tǒng)采用分段或環(huán)形電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)研究，包括短路電流計(jì)算，繼電保護(hù)的設(shè)計(jì)研究；

5)壓載、調(diào)載系統(tǒng)研究：通過各種壓載系統(tǒng)技術(shù)性能或目標(biāo)裝載操作流程的比較分析，提出適合半潛船的壓載系統(tǒng)配置方案，確定滿足半潛裝載及調(diào)遣航行時(shí)的壓載與調(diào)載系統(tǒng)的形式，壓載泵或空壓機(jī)等的數(shù)量以及參數(shù)的選定。

3.3 實(shí)例分析

現(xiàn)給出708所為廣州打撈局開發(fā)設(shè)計(jì)的3萬t自航半潛船的總體技術(shù)分析和關(guān)鍵參數(shù)選擇：

3.3.1 型船統(tǒng)計(jì)

分析任務(wù)書要求，在世界上同類船舶中選取部分船舶作為本船的尺度分析母型，建立參數(shù)表格。分析同類船舶的參數(shù)，統(tǒng)計(jì)該船型的主要尺度范圍。鑒于半潛船本身數(shù)量有限，統(tǒng)計(jì)范圍相應(yīng)放大。本方案統(tǒng)計(jì)的參數(shù)范圍如下：

載重量 8300～76000t；船長 120～224m；船寬29～63m；航行吃水5～11m；下潛吃水19～28.4m。

再通過對(duì)半潛船長寬比，寬度吃水比，寬度型深比，甲板作業(yè)面積/載重量，載重量與船長、船寬之間的比例關(guān)系深入分析，大致確定本船的尺度規(guī)劃。

3.3.2 船級(jí)社規(guī)范

目前，國際上有關(guān)半潛船的規(guī)范并不完善，多數(shù)船級(jí)社都未對(duì)半潛船勘劃半潛吃水標(biāo)記，使得半潛船盡管滿足半潛吃水下的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)性安全，但卻得不到半潛船的附加標(biāo)志。一些相對(duì)具有審查半潛船經(jīng)驗(yàn)的船級(jí)社（如DNV）尚在對(duì)半潛船的穩(wěn)性、抗沉性、結(jié)構(gòu)和設(shè)備等進(jìn)行研究之中。中國船級(jí)社率先提出了半潛船的附加標(biāo)志為：Semi-Submersible Heavy lift Vessel，并在《國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》2006修改通報(bào)中規(guī)定了對(duì)半潛船的特殊穩(wěn)性要求，在《國際航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》2008的載重線浸沒說明中重申了對(duì)半潛船半潛作業(yè)狀態(tài)下的要求。同時(shí)在《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范（2006）》第15章規(guī)定了對(duì)半潛船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。

3.3.3 主尺度

從不同角度來確定船長、下潛深度、船寬、型深及吃水等。如：從同類船船長、載重噸及航行的阻力波峰來選擇垂線間長；從最大下潛深度和載重噸的要求，對(duì)壓載水設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化；船寬是滿足最大下潛起浮狀態(tài)臨界穩(wěn)性要求的關(guān)鍵；型深主要與總強(qiáng)度、機(jī)艙的布置等有關(guān)，同時(shí)兼顧干舷計(jì)算、或特定作業(yè)水域的吃水要求等。

3.3.4 空船重量重心

半潛船空船重量的要求不同于常規(guī)運(yùn)輸船，重量預(yù)估不能過重也不能過輕。過重，影響裝載能力；過輕，在滿載壓載水情況下達(dá)不到最大下潛深度。此外，重心高度也必須嚴(yán)格控制，它直接影響特殊貨物的裝載能力。

3.3.5 完整穩(wěn)性

半潛船的完整穩(wěn)性按不同作業(yè)工況劃分，應(yīng)用不同的衡準(zhǔn)。通過與船級(jí)社溝通確認(rèn)最終選用的衡準(zhǔn)要求。同時(shí)對(duì)不同的貨品，又分為有浮力貨和無浮力貨兩類，因有浮力貨可以計(jì)及貨品提供的水線面積、復(fù)原力臂、排水體積等，對(duì)船舶的初穩(wěn)性和大傾角穩(wěn)性發(fā)揮作用。顯然，計(jì)及貨品浮力時(shí)的半潛船可以裝載重量更大、重心更高的貨物，國際上實(shí)際運(yùn)營的半潛船也多數(shù)承載的是這類貨品，但因重量分布、外形尺寸的差異，穩(wěn)性計(jì)算不能像常規(guī)船那樣用一套裝載手冊涵蓋基本的工況。目前通行的方式是通過專業(yè)認(rèn)可的公司對(duì)每一次貨品進(jìn)行穩(wěn)性安全分析計(jì)算，并對(duì)貨品裝卸全過程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，并制定詳細(xì)的裝載、綁扎、運(yùn)輸、拆卸作業(yè)手冊，然后通過專業(yè)的保險(xiǎn)公司對(duì)每次運(yùn)輸過程進(jìn)行投保，以保證其對(duì)承運(yùn)的貴重貨品的安全。

對(duì)于下潛、起浮工況，目前CCS和DNV在規(guī)范或指導(dǎo)通則中的要求并不相同，選用的時(shí)候要予以區(qū)別。但對(duì)作業(yè)過程中的危險(xiǎn)工況均給予了高度重視。如在穩(wěn)性最難滿足的入水后瞬間，此時(shí)若不計(jì)入甲板貨的水線面積（CCS規(guī)范要求無浮力貨不能計(jì)入貨品在主甲板處的水線面積），半潛船本身的水線面積在主甲板入水后迅速減小，造成經(jīng)自由液面修正后的最小初穩(wěn)心高度多數(shù)接近甚至小于零。因此設(shè)計(jì)人員要制定安全的操作說明。理想的半潛船下潛、起浮過程，可通過艏傾（或艉傾）的方式，使得入水或出水的水線面積逐步減小或增加，在跨過危險(xiǎn)的瞬間后，要么由裝載貨物水線面積頂替上來，要么通過更大吃水處傾斜船身后相對(duì)較大的水線面積獲得更大的橫穩(wěn)心半徑，以得到足夠的初穩(wěn)心高度。

3.3.6 干舷和破艙穩(wěn)性

半潛船可按1966《載重線公約》中載重線對(duì)B型、B-60型、B-100型船舶的規(guī)定核算干舷。滿足B型干舷的船舶，只需針對(duì)航行工況按照 SOLAS Ch.II-1 Part B-1章節(jié)的有關(guān)要求進(jìn)行核算。滿足B-60或B-100型干舷的船，還需對(duì)一艙段或二艙段用確定性方法進(jìn)行校核。DNV還提出了一些針對(duì)下潛工況破損安全布置方面的建議，在選用時(shí)應(yīng)給予重視。

3.3.7 推進(jìn)形式與動(dòng)力定位能力

新建半潛船大多采用全電力推進(jìn)形式，主推進(jìn)器可選用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和常規(guī)槳形式，從性能分析，相同功率情況下，動(dòng)力定位用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的推進(jìn)效率要優(yōu)于常規(guī)舵槳形式；從使用角度來說，常規(guī)舵槳形式更適用于航行工況，且維護(hù)保養(yǎng)簡單；還可從造價(jià)、設(shè)備的供貨周期等方面比較。動(dòng)力定位能力分析要按照作業(yè)海況條件進(jìn)行分析計(jì)算，按船級(jí)社規(guī)定的動(dòng)力定位等級(jí)要求進(jìn)行配置和布置。

3.3.8 主尺度方案

建立多方案模型比較來確定半潛船的最終主尺度。在充分研究船型資料、載重量以及壓載艙容等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)船長、船寬、型深、重量、重心高度的變化進(jìn)行敏感度分析，確定最終的主尺度方案。3萬t自航半潛船的最終主尺度方案如下：

總長 182.2m

垂線間長 170.4m

型寬 43.6m

型深 11.0m

設(shè)計(jì)吃水 7.8m

半潛吃水 23m

壓載艙容積 75000m3

4 結(jié) 語

回顧708所自主開發(fā)半潛船型近20年的歷程，舉力從幾千噸到數(shù)萬噸。如今，3萬t自航大沉深打撈半潛船已建造過半，3.8萬t、5萬t自航半潛船已開工建造，可以預(yù)期半潛運(yùn)輸船的自主研發(fā)必將開創(chuàng)我國研制該船型的新局面。

[1] 交通部上海打撈局網(wǎng)站新聞.重大拖航業(yè)績[EB/OL].

[2] Frank van Hoorn, Semi-submersible heavy lift ships in operation[M].SenW57STEJAARGANG NR8, P448-453.

[3] www.dockwise.com; www.fairstar.com;www.vuykrotterdam.com[OL].