深水半潛式起重鋪管船船型優(yōu)化方法

彭小佳， 宋安科， 何　寧， 趙　潔

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

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深水半潛式起重鋪管船船型優(yōu)化方法

彭小佳， 宋安科， 何寧， 趙潔

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

摘要：半潛式起重鋪管船是一種柱穩(wěn)式的移動(dòng)平臺(tái)，具備大型起重及深水鋪管功能，由于水線(xiàn)面小，該類(lèi)船型的耐波性能大幅優(yōu)于傳統(tǒng)船型船，具有更好的作業(yè)天氣窗口。半潛船船型優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷循環(huán)，持續(xù)改進(jìn)的過(guò)程，整體主尺度及下浮體、立柱、上浮體等各組成部分的尺度、形狀選定既要滿(mǎn)足作業(yè)設(shè)備和不同艙室的布置需求，還要滿(mǎn)足船舶穩(wěn)性、浮力及壓載的要求，并且還是決定船舶運(yùn)動(dòng)性能的關(guān)鍵。合理的優(yōu)化船型是半潛船設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，該文對(duì)該類(lèi)船型的優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：半潛式起重鋪管船；船型優(yōu)化；柱穩(wěn)式平臺(tái)

0引言

半潛式起重鋪管船(SSCV)是一種柱穩(wěn)式的移動(dòng)平臺(tái)，分為上浮體、立柱、下浮體三部分，具備大型起重及深水鋪管能力。由于水線(xiàn)面小，該類(lèi)船型的耐波性能大幅優(yōu)于傳統(tǒng)船型船，具有更好的作業(yè)天氣窗口。近年來(lái)，中海油正在加快深水船隊(duì)的建設(shè)步伐，但在半潛式起重鋪管船這一領(lǐng)域仍然空缺，在深水項(xiàng)目中仍然受制于人。為了持續(xù)提高我國(guó)深水海洋工程裝備能力，打破國(guó)外公司在該領(lǐng)域的壟斷，海油工程公司正在進(jìn)行半潛式起重鋪管船的前期研究，海工設(shè)計(jì)公司也自主完成了概念設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)大部分設(shè)計(jì)人員暫未掌握該類(lèi)船型的優(yōu)化方法，在設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)反復(fù)優(yōu)化后船舶性能仍達(dá)不到作業(yè)要求的情況。該文對(duì)該類(lèi)船型的主尺度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了總結(jié)，為國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步的研究提供參考。

1主尺度優(yōu)化

半潛船主尺度的確定主要考慮以下5個(gè)方面[1]：(1) 空船重量與浮力；(2) 耐波性能及氣隙；(3)穩(wěn)性(失荷穩(wěn)性、完整穩(wěn)性、破艙穩(wěn)性、冗余浮力)；(4)建造船廠、設(shè)備尺寸等限制；(5)壓載能力需求。

1.1空船重量與浮力

空船重量和浮力需求根據(jù)船東的要求不同差距較大，以該船為例，經(jīng)初步重量統(tǒng)計(jì)，估算空船重量在90 000 t左右，考慮空船配平所需的壓載水量以及一定的安全余量，估計(jì)該船在10 m空船吃水出塢時(shí)所需的浮力需求為100 000 t左右；考慮航行時(shí)需將重油、輕柴油的油艙加滿(mǎn)，將淡水艙加滿(mǎn)，主甲板上再裝載部分海管及作業(yè)設(shè)備，12 m吃水航行時(shí)所需的浮力需求在125 000 t左右；考慮起重作業(yè)時(shí)的起吊物重量和鋪管作業(yè)時(shí)的儲(chǔ)管重量，25 m吃水作業(yè)時(shí)的浮力需求在140 000 t左右。該部分?jǐn)?shù)據(jù)隨設(shè)計(jì)深入，應(yīng)根據(jù)重量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，初始設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留有余量。

同時(shí)，主尺度優(yōu)化應(yīng)盡量使浮心位置和重心位置接近，降低配平所需的壓載水量，提高航行工況的可變載荷。

1.2耐波性能及氣隙

半潛船的橫搖性能一般都較好，主尺度優(yōu)化的目標(biāo)是在保證穩(wěn)性、設(shè)備尺寸和壓載需求等前提下，盡可能的增大垂蕩、縱搖固有周期，避開(kāi)波譜能量集中區(qū)域，使船舶具備最優(yōu)的耐波性能，同時(shí)保證氣隙滿(mǎn)足規(guī)范要求。

垂蕩固有周期計(jì)算公式見(jiàn)式(1)[2]，主要由三個(gè)因素決定：水線(xiàn)面面積、排水量和垂蕩附加質(zhì)量。該船排水體積較大，排水量的變化對(duì)垂蕩的影響幅度有限，垂蕩附加質(zhì)量主要受下浮體的橫截面寬高比影響，因此通過(guò)調(diào)節(jié)水線(xiàn)面面積和下浮體寬高比來(lái)優(yōu)化垂蕩性能效果較明顯。

(1)

式中：T3為垂蕩固有周期；M為質(zhì)量；A33為垂蕩附加質(zhì)量；S為水線(xiàn)面面積。

縱搖固有周期計(jì)算公式見(jiàn)式(2)[2]，主要由四個(gè)因素決定：排水量、附加質(zhì)量、回轉(zhuǎn)半徑和縱穩(wěn)性高。排水量的可變化幅度有限，附加質(zhì)量主要受水下部分形狀影響，增加回轉(zhuǎn)半徑可以減小縱搖，但是增加回轉(zhuǎn)半徑的同時(shí)會(huì)增大結(jié)構(gòu)總縱彎矩，且影響幅度不大；縱穩(wěn)心高GML=KM-KG，KM=KB+BM，BM主要由水線(xiàn)面慣性矩決定，因此通過(guò)減小水線(xiàn)面慣性矩來(lái)優(yōu)化縱搖性能效果較明顯。

(2)

式中：T5為縱搖固有周期；M為質(zhì)量；r55為回轉(zhuǎn)半徑，A55為縱搖附加質(zhì)量；GML為縱穩(wěn)心高。

規(guī)范對(duì)氣隙的要求較嚴(yán)格，需保證在百年一遇環(huán)境條件下氣隙值為正，主尺度優(yōu)化時(shí)應(yīng)盡可能增大船舶的靜氣隙值。為保證氣隙計(jì)算的準(zhǔn)確性，氣隙參考點(diǎn)應(yīng)距離立柱結(jié)構(gòu)有一定距離，盡量完整地覆蓋上浮體底部甲板及主甲板救生艇等關(guān)鍵位置。

1.3穩(wěn)性

水線(xiàn)面的減小在改善運(yùn)動(dòng)性能的同時(shí)，會(huì)使穩(wěn)心高降低，對(duì)穩(wěn)性不利，需考慮穩(wěn)性對(duì)水線(xiàn)面面積的限制。SSCV的穩(wěn)性計(jì)算要考慮不同工況的完整穩(wěn)性、破艙穩(wěn)性、失荷穩(wěn)性、冗余浮力等內(nèi)容。對(duì)于該類(lèi)船型，起重工況是穩(wěn)性計(jì)算的控制工況，經(jīng)計(jì)算后可得到保證穩(wěn)性要求的最小水線(xiàn)面面積。

當(dāng)穩(wěn)性計(jì)算要求的水線(xiàn)面面積不能滿(mǎn)足作業(yè)對(duì)運(yùn)動(dòng)性能的要求時(shí)，可以通過(guò)增加船寬來(lái)減小穩(wěn)性對(duì)水線(xiàn)面面積的需求。

1.4建造船廠、設(shè)備尺寸等限制

船廠對(duì)船舶主尺度的限制主要是船塢尺寸及碼頭吃水，船長(zhǎng)和船寬不宜過(guò)大，需滿(mǎn)足船塢建造的要求，船舶的空船吃水和航行吃水需要考慮建造船廠的碼頭及航道水深。

上浮體的長(zhǎng)度需考慮鋪管作業(yè)線(xiàn)長(zhǎng)度和主吊機(jī)吊臂長(zhǎng)度的需求，上浮體寬度需考慮主吊機(jī)底座和J-Lay塔的尺寸，上浮體高度需考慮主機(jī)、配電盤(pán)、變壓器等設(shè)備的尺寸；下浮體的寬度和高度需考慮推進(jìn)器的尺寸。

1.5壓載能力需求

初步確定主尺度和艙室劃分后應(yīng)進(jìn)行壓載分析，壓載艙要能滿(mǎn)足不同吃水的壓載水需求。同時(shí)，艏艉兩端的壓載艙要能滿(mǎn)足主吊機(jī)回轉(zhuǎn)的壓載水調(diào)載量需求。

2J-Lay塔布置優(yōu)化

J-Lay塔的布置位置對(duì)于船型設(shè)計(jì)影響非常大，需要在設(shè)計(jì)初期確定。目前世界同類(lèi)船型中，J-Lay塔的布置位置一共有四種：船首、船尾、舷側(cè)、船中月池。該文對(duì)四種布置方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。

2.1J-Lay塔布置在船艉

圖1為J-Lay塔布置在船艉的方案圖。

圖1　J-Lay塔布置在船艉方案

優(yōu)點(diǎn):生活區(qū)作業(yè)區(qū)分開(kāi)；能夠使用自帶吊機(jī)進(jìn)行J-lay塔拆卸；鋪管作業(yè)操作方便。

缺點(diǎn):尾部重量過(guò)于集中，不利于船舶總體強(qiáng)度，且船艏需要占用大量壓載艙與之平衡，降低航行工況的可變載荷能力；尾部既布置J塔，又布置主吊機(jī)，兩種設(shè)備存在干涉的風(fēng)險(xiǎn)；主吊機(jī)作業(yè)時(shí)需拆除J-Lay塔。

2.2J-Lay塔布置在船艏

圖2為J-Lay塔布置在船艏的方案圖。

圖2　J-Lay塔布置在船艏方案

優(yōu)點(diǎn):全船重量分布均衡，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利；方便鋪管作業(yè)線(xiàn)布置。

缺點(diǎn):生活區(qū)作業(yè)區(qū)重疊，存在較大安全隱患；無(wú)法用自帶吊機(jī)進(jìn)行J-Lay塔安裝、拆卸；生活樓須分成兩棟獨(dú)立小樓，實(shí)際使用不方便。

2.3J-Lay塔布置在船側(cè)

圖3為J-Lay塔布置在船側(cè)的方案圖。

圖3　J-Lay塔布置在船側(cè)方案

優(yōu)點(diǎn):主甲板能夠同時(shí)布置兩條作業(yè)線(xiàn)(J-Lay和S-Lay)；鋪管作業(yè)操作方便；能夠使用自帶吊機(jī)進(jìn)行安裝和拆卸。

缺點(diǎn):左舷無(wú)法進(jìn)行駁船靠泊，堆管區(qū)上管不方便；上浮體舷側(cè)局部結(jié)構(gòu)難度較大；由于鋪管水平張力的存在，布置在舷側(cè)相對(duì)于船中增加了一個(gè)艏搖力矩，導(dǎo)致對(duì)推進(jìn)器的需求增加；增加船寬后，對(duì)建造船廠船塢的要求更高；兩舷重量分布不均，需進(jìn)行配重布置。

2.4J-Lay塔布置在船中月池上方

圖4為J-Lay塔布置在船中月池的方案圖。

圖4　J-Lay塔布置在船中月池方案

優(yōu)點(diǎn):方便布置兩套作業(yè)線(xiàn)，J-Lay和S-Lay能夠共用部分作業(yè)線(xiàn);生活區(qū)作業(yè)區(qū)分開(kāi)；能夠使用自帶吊機(jī)進(jìn)行J-Lay塔安裝和拆卸。

缺點(diǎn): 船中月池部分影響主甲板作業(yè)線(xiàn)布置；J-lay預(yù)制線(xiàn)短，預(yù)制效率低；船中月池影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；鋪管作業(yè)時(shí)立管安裝等操作不方便。

3船型優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程

船型優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷循環(huán)、持續(xù)改進(jìn)的過(guò)程，在實(shí)際船型設(shè)計(jì)過(guò)程中共有四版設(shè)計(jì)方案。

第一版設(shè)計(jì)方案中J-Lay塔布置在船尾，水線(xiàn)面面積約6 000 m2，下浮體高14.5 m，下浮體寬29.4 m，主甲板高45 m。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，下浮體提供浮力不足，穩(wěn)性富余較大，船舶垂蕩及縱搖運(yùn)動(dòng)幅值不滿(mǎn)足要求，總縱強(qiáng)度較大，需對(duì)船型進(jìn)行優(yōu)化。

第二版設(shè)計(jì)方案中J-Lay塔布置在船尾，水線(xiàn)面面積減小至5 500 m2，下浮體高度降低至13.5 m，下浮體寬增至32.2 m，主甲板高45 m。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)穩(wěn)性富余仍較大，船舶垂蕩明顯改善，但縱搖運(yùn)動(dòng)幅值仍不滿(mǎn)足要求，由于J-Lay塔布置在舷側(cè)，增加的艏搖力矩使船舶的DP定位能力降低，仍需對(duì)船型進(jìn)行優(yōu)化。

第三版設(shè)計(jì)方案中J-Lay塔布置在船中月池，水線(xiàn)面面積減小至5 100 m2，其它參數(shù)不變，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)船舶垂蕩及縱搖運(yùn)動(dòng)幅值均已滿(mǎn)足要求，穩(wěn)性計(jì)算滿(mǎn)足規(guī)范要求，水線(xiàn)面面積已經(jīng)接近穩(wěn)性極限，但是氣隙計(jì)算不滿(mǎn)足規(guī)范要求，仍需對(duì)船型進(jìn)行優(yōu)化。

第四版設(shè)計(jì)方案中J-Lay塔布置在船中月池，將上浮體整體提升2 m，主甲板高度增加至47 m，其它參數(shù)不變。經(jīng)計(jì)算，船舶各項(xiàng)性能均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖5　船型設(shè)計(jì)循環(huán)過(guò)程示意圖

該文根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)半潛式起重鋪管船優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程給出了建議，船型設(shè)計(jì)循環(huán)過(guò)程示意圖如圖5所示。

(1) 設(shè)計(jì)方首先應(yīng)根據(jù)船東的功能需求，對(duì)主要設(shè)備的尺寸、重量等參數(shù)進(jìn)行調(diào)研。

(2) 確定J-Lay塔布置位置，初步完成主甲板布置，參考母型船或類(lèi)似船型完成第一版船型設(shè)計(jì)。

(3) 計(jì)算得到空船重量重心、質(zhì)量回轉(zhuǎn)半徑等基本參數(shù)。

(4) 核算船舶在空船吃水、航行吃水、作業(yè)吃水的排水量是否能滿(mǎn)足浮力需求。

(5) 進(jìn)行穩(wěn)性計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定最小水線(xiàn)面面積，并對(duì)立柱尺寸進(jìn)行調(diào)整。

(6) 對(duì)船舶的固有周期、運(yùn)動(dòng)幅值、氣隙等進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果并結(jié)合該文所述的優(yōu)化方法對(duì)船型進(jìn)行修正。

(7) 對(duì)壓載艙和抗橫傾艙的艙容進(jìn)行校核，確保能夠滿(mǎn)足壓載和吊機(jī)回轉(zhuǎn)的要求。

(8) 綜合考慮各方面因素，對(duì)船型及艙室布置進(jìn)行調(diào)整，直至各方面性能都滿(mǎn)足規(guī)范和船東要求。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)中海油此次半潛式起重鋪管船概念設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐，已經(jīng)基本掌握該類(lèi)船型設(shè)計(jì)優(yōu)化的相關(guān)技術(shù)。該文根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)船型優(yōu)化方法以及優(yōu)化過(guò)程中應(yīng)該重點(diǎn)考慮的因素、J-Lay塔的布置、船型優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程等方面進(jìn)行了總結(jié)，為今后國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)人員的進(jìn)一步研究提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]John H. Design of floating structures [J]. Elsevier Science, 2006,8(1),51-52.

[2]DNV-RP-C205. Environmental conditions and environmental loads [S].2014.

Hull Optimization for Deepwater Semi-submersible Crane Vessel

PENG Xiao-jia, SONG An-ke, HE Ning, ZHAO Jie

(Offshore Oil Engineering Co.， Ltd, Tianjin 300451)

Abstract：Semi-submersible Crane Vessel(SSCV) is a kind of column stabilized unit,the main function for this kind of vessel are heavy lifting and pipe-laying.SSCV 's seakeeping performance and weather windows are much better than normal vessel type because of its minimized water plane area. The hull optimization of semi-submersible vessel is a continuous cycle.To finally determine the dimension and shape of the whole vessel and each components ,the designer have to meet the arrangement requirements of equipments and various compartments, also have to meet the needs of stability, buoyancy and ballast, the most important thing is to consider the motion performance. Experience in the hull optimization of SSCV is summarized in this paper.

Keywords：semi-submersible crane vessel; hull optimization; column stabilized unit

基金項(xiàng)目：工業(yè)和信息化部海洋工程裝備科研項(xiàng)目“水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)(一期)”(E-0813C003)。

收稿日期：2015-03-27

中圖分類(lèi)號(hào):U69

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-4500(2015)06-0020-05

作者簡(jiǎn)介：彭小佳(1985-)，男，工程師。