半潛船及其在海洋運輸業(yè)中的作用與發(fā)展前景

王立峰

（中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

1 半潛船

1.1 半潛船的基本概念

《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》對半潛船的定義為“系指有較大開敞露天載貨甲板，首部或尾部有較高上層建筑或甲板室或浮箱，在裝卸貨作業(yè)過程中呈半潛狀態(tài)的船舶”。同時規(guī)范還對其結(jié)構(gòu)強度和各作業(yè)工況下的穩(wěn)性作出了特殊規(guī)定。

半潛船按其航行方式可分為自航式和非自航式2種類型。一般非自航式的半潛船排水量較小，靠拖輪的動力在近?；蜞徑鼑液Ｓ蛑g從事運輸作業(yè)。而真正意義上的自航半潛船則是側(cè)重遠(yuǎn)洋大件運輸?shù)膶Ｓ么?。在自航類型中按其推進(jìn)方式又可分為常規(guī)推進(jìn)式和全電力驅(qū)動式，近幾年也出現(xiàn)了電力驅(qū)動與常規(guī)舵漿推進(jìn)相結(jié)合的方式。

1.2 半潛船發(fā)展概況

全球擁有半潛船最多、運力最大的公司當(dāng)屬荷蘭的DOCKWISE公司，主力半潛船20多艘，種類包括運輸大件的半潛船和運輸游艇的專用半潛船，其他國家的總量也不過如此。我國早期的半潛船多數(shù)是從日本引進(jìn)的非機(jī)動駁船，排水量不足萬t，主要應(yīng)用于救撈行業(yè)。

半潛船形成的途徑主要有2個，一是根據(jù)不同的用途設(shè)計與建造，二是選擇現(xiàn)有適宜的其他船舶改造。后者由于原船的滿載吃水一般小于半潛船的下潛深度，經(jīng)改造的船舶如不更換部分板材和進(jìn)行局部加強，只能適應(yīng)對岸滾裝貨物的運輸和潛深不大的大件浮體運輸。近些年在廣州遠(yuǎn)洋運輸公司首次引進(jìn)國外技術(shù)建造2艘18 000 t半潛船的基礎(chǔ)上，國內(nèi)有關(guān)企業(yè)利用上述途徑建造和改造了多艘半潛船。

我國進(jìn)入國際特殊貨運市場的策略及成效案例：一是廣州遠(yuǎn)洋運輸公司采取了“交叉運力、互為補充”的策略先建造2艘噸位較小的半潛船進(jìn)入該市場，待取得經(jīng)驗后建造更大噸位和規(guī)模的半潛船擴(kuò)大運輸范圍，目前的運力已初具規(guī)模；二是近年來因上海振華重工有限公司的港機(jī)出口業(yè)務(wù)迅猛發(fā)展，設(shè)備散件到場組裝改為整機(jī)試驗完成后裝船出口，在1998至2006年間改裝了29艘整機(jī)運輸船，其中4艘具備下潛和上浮功能，因而DOCKWISE公司的港口機(jī)械運輸業(yè)務(wù)量大為削減。表1是國內(nèi)外萬噸級以上典型自航半潛船的不完全統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

表1 萬噸級以上典型自航半潛船匯總表

1.3 半潛船的關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 驅(qū)動與推進(jìn)技術(shù)

1.3.1.1 柴油機(jī)驅(qū)動、常規(guī)舵漿推進(jìn)技術(shù)

與現(xiàn)有的遠(yuǎn)洋運輸船舶和后來改造的半潛船相同，不再贅述。

1.3.1.2 電力驅(qū)動與推進(jìn)技術(shù)

采用POD吊艙推進(jìn)機(jī)構(gòu)，共同的特點是：電動機(jī)的軸即是螺旋槳的軸，消除了多級機(jī)械傳動的功率損失；整個推進(jìn)器可以360°旋轉(zhuǎn)，除提供推力外還代替了常用的舵系，并為動力定位提供了良好的條件；可實現(xiàn)模塊化制作和安裝。

目前的單機(jī)功率已達(dá)數(shù)十MW，電力驅(qū)動與推進(jìn)是半潛船設(shè)計與制造的首選方式。以ABB為例其電力驅(qū)動與推進(jìn)系統(tǒng)見圖1。

圖1 ABB電力驅(qū)動與推進(jìn)系統(tǒng)示意圖

POD吊艙推進(jìn)器的簡介如下：

1）Azipod推進(jìn)器。ABB是開發(fā)POD推進(jìn)器最早的公司，其產(chǎn)品（Azipod）經(jīng)過了多艘實船的考驗，占據(jù)著世界POD推進(jìn)器市場的最大份額。典型產(chǎn)品見圖2。

圖2 ABB牽引式的推進(jìn)器

近些年，ABB公司憑借原有產(chǎn)品的開發(fā)經(jīng)驗，通過技術(shù)手段提高了Azipod的安全性、可靠性以及可維護(hù)性，安裝新一代Azipod產(chǎn)品后，船舶無需進(jìn)塢即可完成推進(jìn)系統(tǒng)大部分重要部件的維護(hù)工作。目前單機(jī)功率最大可達(dá)20 MW以上。圖3顯示了XO系列推進(jìn)器轉(zhuǎn)速與軸功率的關(guān)系。

圖3 XO系列推進(jìn)器轉(zhuǎn)速與軸功率關(guān)系圖

2） SSP推進(jìn)器。該推進(jìn)器由德國Siemens公司和Schottel公司聯(lián)合研制，利用Schottel的先進(jìn)舵漿技術(shù)、采用Siemens公司生產(chǎn)的永磁同步電動機(jī)。其特點是采用雙螺旋槳形式，分別裝在永磁電機(jī)軸的兩端，轉(zhuǎn)向相同，典型產(chǎn)品見圖4。圖5顯示了3個級別的SSP推進(jìn)器在不同轉(zhuǎn)速下的功率。

圖4 SSP推進(jìn)器

圖5 SSP推進(jìn)器轉(zhuǎn)速與功率關(guān)系圖

3）Mermaid推進(jìn)器。該推進(jìn)器由瑞典Kamewa公司和法國Alstom公司聯(lián)合開發(fā)，功率范圍為5~25 MW。圖6為典型的Mermaid推進(jìn)器。它具有下述特點：一是電機(jī)的定子繞嵌在吊艙內(nèi)壁上，利用周圍的海水對流來冷卻部件，因此，吊艙裝置尺寸相對空氣冷卻的裝置小、水動力效率高。二是軸封乃至整個吊艙都可以在水下進(jìn)行更換。該推進(jìn)器還分別提供牽引式、頂推式和高推力頂推式3種形式的吊艙，分別適用于高速雙螺旋槳船（如客滾船和豪華游船等）、中速單螺旋槳船和需要最大拉力的低速船（如拖輪、近海工程船和海洋平臺等）。

圖6 Mermaid推進(jìn)器

4） DOLPHIN推進(jìn)器。Dolphin和Azipod采取的都是牽引式推進(jìn)器，使軸向吸入性能得到改善，空泡性能好，低勵磁，低噪音，一般采用交直交變頻器。Dolphin推進(jìn)裝置可提供的功率范圍為5~10 MW。該推進(jìn)器的裝船實物見圖7，螺旋槳轉(zhuǎn)速與軸吸收功率見圖8。

圖7 Dolphin推進(jìn)器

圖8 螺旋漿轉(zhuǎn)速與軸功率關(guān)系圖

1.3.1.3 電力驅(qū)動、常規(guī)舵漿推進(jìn)方式

此方式是在POD吊艙裝置訂貨周期長和改進(jìn)期間的又一種組合方式。即以電力驅(qū)動（多輸出）齒輪箱，由齒輪箱驅(qū)動尾軸和螺旋槳。

在后兩種推進(jìn)方式中，需要配置足夠功率的中壓電站，以變頻方式直接驅(qū)動POD推進(jìn)器或驅(qū)動齒輪箱→尾軸→螺旋槳。電力驅(qū)動的最大好處在于：

1）安全冗余度高?？筛鶕?jù)用電量的大小配備足夠容量的主發(fā)電機(jī)組和備用機(jī)組。一般發(fā)電機(jī)組的配備為二備一，即任意2臺可以并車工作，另一臺備用，在極端情況下一臺工作也可慢速前進(jìn)，相對只有一臺主機(jī)推進(jìn)更為可靠。

2）經(jīng)濟(jì)航速運營。由于半潛船裝載貨物的重量和體積變化較大，幾乎每個航次的推進(jìn)功率需要隨之改變，只有多臺動力單元才能滿足經(jīng)濟(jì)航速的特定需要。

1.3.2 下潛與上浮技術(shù)

半潛船的下潛和上浮功能主要靠壓載系統(tǒng)完成，全船設(shè)置幾十個壓載水艙，超過萬噸壓載水的注入和排除要求在數(shù)小時內(nèi)完成，故系統(tǒng)采用了多臺大功率空壓機(jī)和一定數(shù)量的壓載水泵，船舶下潛時靠負(fù)壓向艙內(nèi)注入壓載水，上浮時靠正壓排水，壓載泵則是針對首尾和甲板以上壓載艙的壓載水注入和排放設(shè)置的。利用空壓機(jī)排水的好處在于最大限度地將艙底水排凈，以減小自由液面對穩(wěn)性的影響。半潛船的下潛和上浮包括了除航行以外的各種作業(yè)工況，并關(guān)聯(lián)到各工況條件下的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)性。

1.3.3 動力定位技術(shù)

半潛船除了常規(guī)的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)外，一般配置動力定位系統(tǒng)以適應(yīng)深海作業(yè)。其動力來源為兩套主推進(jìn)器（全回轉(zhuǎn)的性能最好、常規(guī)推進(jìn)靠舵轉(zhuǎn)向的效果稍差）和首尾側(cè)推器。依靠本船的動力克服風(fēng)、浪和水流的外力使船首維持在一定的方位角內(nèi)、使整船的位移控制在較小范圍內(nèi)，它是現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和自動化控制理論的完美結(jié)合。依據(jù)現(xiàn)在的技術(shù)水平從理論上可以達(dá)到通過有關(guān)參數(shù)的設(shè)定可將半潛船指定在世界任何一個港口自動定位和裝卸貨物。

動力定位的分級，依據(jù)CCS規(guī)范可分為DP-1，DP-2和DP-3三個等級，編號高的冗余性能好、定位準(zhǔn)確性高。

1.4 半潛船開發(fā)實例

結(jié)合“電力驅(qū)動、常規(guī)舵漿推進(jìn)技術(shù)”半潛船“希望之路號”的開發(fā)實例，詳細(xì)介紹其關(guān)鍵配置及其性能。

“希望之路號”是我國獨立設(shè)計和建造的第一艘20 000噸級的大型自航式無限航區(qū)半潛船。 船級符號★CSA/CSM Semi-Submersible Heavy Life Vessel，Ice Class B，DP-1，AUT-0。主要參數(shù)和性能如下。

1.4.1 船舶參數(shù)

總長156.00 m，兩柱間長149.40 m，型寬36.00 m，型深10.00 m，設(shè)計吃水7.45 m，最大潛深19.00 m。甲板載貨面積4 300 m2、舉升甲板最大均布設(shè)計載荷18 t/m2（任意縱骨肋位處舉升甲板的最大點載荷25 t、任意強橫梁上的舉升甲板最大點載荷100 t），設(shè)計航速14 kn、續(xù)航力12 000 n mile。尾部設(shè)2套直徑4 450 mm的定距推進(jìn)螺旋槳，配置2個公稱轉(zhuǎn)矩為300 kN·m的襟翼舵。

1.4.2 動力配置

主柴油發(fā)電機(jī)組3×4 320 kW（原動機(jī)型號 MAN Disel 9L32/40CD-G11，發(fā)電機(jī)型號HSJ7 809-8P、額定電壓6 600 V）；停泊柴油發(fā)電機(jī)組1×800 kW；應(yīng)急發(fā)電機(jī)組1×260 kW；推進(jìn)電動機(jī)2×4 900 kW（型號DKMAF 8028-8 V、額定電壓4 000 V）；艏側(cè)推2×800 kW。

1.4.3 排、壓載系統(tǒng)

該船共設(shè)壓載水艙46個，總?cè)莘e為39 400 m3。配備4臺型號VML60的空壓機(jī)（正壓狀態(tài)下排量及壓力為3 681 m3/h，175 kPa；負(fù)壓下為3 621 m3/h，70 kPa）以完成主船體內(nèi)壓載水的注入或排出。另配2×200 m3/h和2×150 m3/h壓載水泵用于首尖艙、尾部浮箱和位于舉升甲板以上壓載水艙內(nèi)壓載水的注入或排出。全部壓載艙的遙控閥均采用就地式液壓動力單元和干式安裝，不但便于維修和管理，而且大大提高了系統(tǒng)的運行可靠性。該排、壓載系統(tǒng)可分別在4 h內(nèi)完成下潛、3 h內(nèi)完成上浮作業(yè)。

半潛船與常規(guī)船相比有2個特殊的要求：

1）儲備浮力。要求船舶下潛到最大潛深時船舶通過首樓和尾浮箱提供儲備浮力。

2）下潛和上浮穩(wěn)性。CCS規(guī)范對半潛船無論是空載還是滿載，在下潛和上浮之各階段的初穩(wěn)性高度均有明確的規(guī)定。

上述的特殊要求需在設(shè)計過程中給予充分的考慮和計算，適當(dāng)選擇尾浮箱和首樓的大小來保證需要的儲備浮力，通過固定壓載和適當(dāng)?shù)呐撌也贾锰岣咂涑醴€(wěn)性高度，通過浮態(tài)計算、調(diào)整載貨位置以減小對穩(wěn)性的影響（如果發(fā)現(xiàn)在重載情況下、舉升甲板出入水過程中初穩(wěn)性不足時，可適當(dāng)調(diào)整浮態(tài)增加水線面以提高穩(wěn)性）。

1.4.4 電力驅(qū)動系統(tǒng)

該船設(shè)置了兩套電力驅(qū)動系統(tǒng)。每套由鼠籠式感應(yīng)推進(jìn)電動機(jī)（雙繞組系統(tǒng)）、2臺三繞組推進(jìn)變壓器、推進(jìn)變頻器以及附件組成。采用24全脈沖交流-直流-交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，有效隔離了中壓負(fù)荷變化對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。

1.4.5 動力定位系統(tǒng)

配置1套芬蘭Navis Group制造商的NAVISNavDP 4000動力定位系統(tǒng)。包括DP控制站、JOYSTICK控制站、DGPS傳感器、激光雷達(dá)傳感器、MRU傳感器、電羅經(jīng)、風(fēng)速風(fēng)向儀和專用UPS等設(shè)備，與該船的動力配置結(jié)合，達(dá)到DP-1級動力定位級別。該系統(tǒng)經(jīng)實船驗證達(dá)到了設(shè)計精度，且在最大潛深19 m工況下運轉(zhuǎn)可靠。如果增加尾側(cè)推配置，可進(jìn)一步改善動力定位的效果。

1.4.6 全數(shù)字功率管理系統(tǒng)

功率管理系統(tǒng)用于該船發(fā)、用電設(shè)備的控制和管理，確保船舶在所有工況下不間斷供電。此全集成系統(tǒng)同時為電站功率管理提供了完善的可視化功能。系統(tǒng)對并聯(lián)發(fā)電機(jī)的負(fù)荷分配具有恒頻和降壓2種控制模式，其中恒頻模式為主要運行模式，降壓模式為備用模式。當(dāng)恒頻模式出現(xiàn)報警時，系統(tǒng)將自動轉(zhuǎn)換到降壓模式，同時系統(tǒng)面板上也設(shè)有2種模式的轉(zhuǎn)換開關(guān)。

1.4.7 集中監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括了各相關(guān)設(shè)備的集中報警、重要設(shè)備的運行時間統(tǒng)計、全船失電后的順序起動、能耗管理和性能監(jiān)視、數(shù)據(jù)歸檔和導(dǎo)出以及為其他系統(tǒng)提供必要的數(shù)據(jù)接口等多種功能?；赪CC組態(tài)技術(shù)的畫面顯示，每幅視圖大約可提供50個變量（50%開關(guān)量顯示，10%柱狀圖顯示，40%圖形數(shù)據(jù)）。

1.4.8 多媒體綜合數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

該系統(tǒng)利用先進(jìn)的應(yīng)用集成技術(shù)將電子海圖數(shù)據(jù)、船舶航行數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、機(jī)艙工況數(shù)據(jù)、AIS數(shù)據(jù)、船舶作業(yè)數(shù)據(jù)、可視化多媒體數(shù)據(jù)及衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)等信息整合為統(tǒng)一平臺，在船岸之間實現(xiàn)無間斷實時數(shù)據(jù)傳輸和全部網(wǎng)絡(luò)通信功能。通過該系統(tǒng)的智能化和可視化人機(jī)界面，可實現(xiàn)對設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)的實時遠(yuǎn)程觀察和監(jiān)測，同時可實現(xiàn)岸基部門對船舶遠(yuǎn)程調(diào)度、遠(yuǎn)程指揮和遠(yuǎn)程管理功能。

2 半潛船在海洋運輸業(yè)中的作用與發(fā)展前景

2.1 半潛船在海洋運輸業(yè)中的作用

半潛船主要用于裝運超大、超重且不可分割的特殊物體，如：鉆井平臺及生活模塊、大型混凝土構(gòu)筑物和大型艦船與機(jī)械設(shè)備等。也可利用半潛船預(yù)制、運輸和沉放萬t以上的巨型沉箱。

近些年，我國在境外承攬了大量的施工項目，所需船機(jī)裝備也用半潛船運輸。以中交集團(tuán)為例，工程業(yè)務(wù)范圍遍及世界多個國家和地區(qū)，其疏浚和港口建設(shè)中的主要施工設(shè)備諸如打樁船、挖泥船等大型船機(jī)設(shè)備在國際間調(diào)遣頻繁。國際間的濕拖因航行距離長、氣候風(fēng)險大往往無法完成；如果租用半潛船，經(jīng)常受到外界船期的制約。因此中交集團(tuán)建造了“希望之路”號20 000 t半潛船，改造了“發(fā)展之路”號25 000 t半潛船，既避免外界船期及運價的制約，又為國際間的船機(jī)和物資調(diào)遣提供了有力的保障。

2.2 半潛船的發(fā)展前景

1）供需平衡初見失調(diào)。隨著深海資源的不斷開發(fā)和國際間施工合作項目的日益增多，大量的石油鉆井平臺和生活模塊投入建造和使用，眾多的工程船舶和施工機(jī)械需要在世界范圍內(nèi)頻繁調(diào)遣，特別是超重、超大且不可分割的海上漂浮物件的調(diào)遣，更是半潛船以外其他運輸方式不可替代的，因此半潛船的需求量必然增大。

2）貨物本身功能的提高對半潛船提出的特殊要求。一是由于深海資源的開發(fā)技術(shù)不斷提高，石油平臺的功能更加齊全、質(zhì)量和體積更加龐大，半潛船將進(jìn)一步向大型化、智能化發(fā)展；二是因為被運物體的價值在多數(shù)情況下遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于半潛船的價值，貨主對半潛船的運輸能力、營運經(jīng)驗以及提供服務(wù)的及時性等要求將會越來越高。半潛船的發(fā)展可謂“前景光明、道路曲折”。

3 結(jié)語

目前，全球半潛船的資源相對運量顯然偏少，可觀的獲利空間和特殊的運輸需要必定引起更多投資者的關(guān)注。因此要求半潛船的技術(shù)含量更高，使得設(shè)計難度更大，一次性投資更大，而適宜的制造企業(yè)更少，擁有半潛船的航運公司的管理水平和半潛船操作技術(shù)要求更高。所以安全可靠、讓貨主放心的運力短期內(nèi)難以大幅度擴(kuò)張。只有仔細(xì)分析市場，敢于高額投資，高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計與建造，擁有高素質(zhì)、有經(jīng)驗的管理隊伍和操作人員的企業(yè)才能在半潛船航運領(lǐng)域創(chuàng)造出佳績。

[1]中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2010.

[2] Azipod Propulsion System Features[R/OL].2010[2011-07-15].http：//www05.abb.com/global/scot/scot293.nsf/veritydisplay/9a895 bfb278ac959c1257833003a9093/$file/azipod%20xo%20basic.pdf.

[3] 上海船舶研究設(shè)計院.“希望之路”號半潛船設(shè)計資料[R].上海：上海船舶研究設(shè)計院，2008.