大型起重鋪管船船型開發(fā)

程維杰

（1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 上海200240；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

大型起重鋪管船船型開發(fā)

程維杰1，2

（1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 上海200240；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

［摘 要］文章對開發(fā)新一代5 000 t起重鋪管船的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，總結(jié)了起重鋪管船新的發(fā)展趨勢，提出一種新的平衡穩(wěn)性、快速性和耐波性的船體多吃水變船寬的設(shè)計(jì)思路，為進(jìn)一步提高單船體起重鋪管船的總體性能以及拓展單船體的應(yīng)用范圍提供方向，并對其他海工船型的開發(fā)也提供一定的參考依據(jù)。

［關(guān)鍵詞］起重船；鋪管；耐波性；快速性；動力定位能力

引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著陸地資源的日益枯竭，世界各國都不約而同地將海洋作為資源開發(fā)的重點(diǎn)方向。海洋石油及天然氣產(chǎn)量占全球油氣產(chǎn)量的份額越來越高，海上風(fēng)電方興未艾，潮汐能和海底錳結(jié)核等新資源的開發(fā)利用也初露端倪，海洋工程建設(shè)的數(shù)量急劇增加。作為海洋工程開發(fā)的核心裝備，大型起重鋪管船的應(yīng)用前景十分廣闊。

1 大型起重鋪管船發(fā)展概況

起重船屬于工程船，主要承擔(dān)海上結(jié)構(gòu)物的起吊工作，按用途可分為用于海上吊裝、拆卸的大型起重船，用于鋪設(shè)海底油氣管線的起重鋪管船（裝有回轉(zhuǎn)式起重機(jī)），以及用于大型水上工程吊裝的起重船（大多裝設(shè)固定臂架式起重機(jī)）［1］。

起重鋪管船按回轉(zhuǎn)式起重機(jī)的能力大小，又分為常規(guī)起重鋪管船和大型起重鋪管船。對于常規(guī)起重鋪管船，其起重機(jī)的能力以滿足本船鋪管作業(yè)要求為極限（如安裝鋪管系統(tǒng)的托管架等），典型的船型如“海洋石油202”號起重鋪管船，其起重機(jī)的最大起重量約1 200 t，其他類似船型的起重能力也大致相當(dāng)。本文所指的大型起重鋪管船，是以起重作業(yè)為主，兼具較強(qiáng)鋪管作業(yè)能力（或具備相關(guān)的改造潛力），起重量在3 000 t以上的起重鋪管船。

按照載體型式的不同，大型起重鋪管船又可分為單船體式（Mono Hull Crane Vessel）和半潛式（Semi-Submersible Crane Vessel）兩種型式。單船體是主流和常見的型式，發(fā)展歷史最長。根據(jù)所裝備的起重機(jī)型式不同，又可分為桅桿式或全回轉(zhuǎn)式。大型桅桿式起重機(jī)自重較輕，但設(shè)計(jì)、制造及裝配工藝要求較高，價(jià)格也較昂貴；大型全回轉(zhuǎn)式起重機(jī)應(yīng)用較廣，但其自重稍大、質(zhì)心稍高，對載體限制稍多。不過，無論是裝配桅桿式還是全回轉(zhuǎn)式起重機(jī)，單船體起重船的起重能力都受到船寬的限制。雖然目前已有7 500噸級 “藍(lán)鯨號”起重船投入使用，但其實(shí)際的最大起重能力也僅為5 000 t左右?？偟膩碚f，目前一般單體船大型起重鋪管船的船寬不超過50 m，起重能力不超過5 000 t［2-3］。

半潛式突破單船體寬對穩(wěn)性的限制，最大起重能力達(dá)到14 200 t（如1985年建成的“Thiaf”號）。該船型在20世紀(jì)70和80年代發(fā)展達(dá)到高潮，有5艘同類型平臺投入使用。但由于建造和營運(yùn)的成本均十分高昂，且細(xì)分市場有限，近年來雖時(shí)有建造方案推出，但迄今為止均未能再有同類型平臺投入使用。

2 大型起重鋪管船發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

隨著全球性海洋油氣工程大量開發(fā)的需要，作業(yè)水域全球化發(fā)展，跨海域使用和長距離調(diào)遣也日益普遍，因而對航速的要求也越來越高。早期建造的起重船以非自航為主，即便有推進(jìn)動力，也僅考慮到近距離移船的需要，一般航速在5～8 kn（如2006年建成的“華天龍”號和2008年建成的“Sapura 3000”號）。但近年來，新開發(fā)建造的大型起重船航速要求越來越高，一般都不低于11 kn（如2011建成的“威力”號和“海洋石油201”號），有些更是達(dá)到了14 kn（如2011年建成的“Oleg Strahnov”號和2012年建成的 “Borealis”號）。與此同時(shí)，起重船的作業(yè)能力也迅速提高，主尺度也隨之大型化。如3 000噸級自航起重船“威力”號，船長約為140 m、船寬達(dá)到40 m；4 000噸級“華天龍”號，船長約為165 m、船寬達(dá)到48 m；4 000噸級 “海洋石油201”號，船長達(dá)到205 m、船寬達(dá)到39.2 m；5 000噸級 “Oleg Strahnov”號和“Borealis”號，船長均超過180 m、船寬分別達(dá)到47 m和46.2 m。隨著船舶尺度增大和航速提高，需配置的動力也成幾何級數(shù)增長，穩(wěn)性以及建造和使用的經(jīng)濟(jì)性矛盾越來越突出。

海洋開發(fā)向近海和外海延伸，裝備功能的多樣化趨勢明顯，這就要求盡可能做到一船多能、一船多用，由起重和鋪管功能結(jié)合而成的起重鋪管船最為典型。海上大型結(jié)構(gòu)物的吊裝作業(yè)對船舶穩(wěn)性的要求，導(dǎo)致船寬增加、橫搖周期變短、耐波性變差，而耐波性的優(yōu)劣直接關(guān)系到鋪管作業(yè)的全年海上可作業(yè)天數(shù)，對其整個(gè)生命周期的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生重大影響。因此大型起重鋪管船的穩(wěn)性與快速性和耐波性的矛盾尤為顯著。

3 新型起重鋪管船船型開發(fā)

起重鋪管船在重載起重作業(yè)時(shí)，重心高度極高，并且吊著重物旋轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生巨大的傾側(cè)力矩。為確保穩(wěn)性安全，此類船舶應(yīng)具有很大的初穩(wěn)性高度（GM）和復(fù)原力矩，因此船寬比常規(guī)船大得多。然而船寬增大，航行時(shí)的阻力必然大，所以在同樣功率下的航速較低。此外，GM高則船舶的橫搖固有周期短，在波浪中劇烈搖擺則限制了船舶鋪管的作業(yè)效率。

因此，新型起重鋪管船型需要解決的技術(shù)問題在于：克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種由光順曲面構(gòu)成船體的海洋作業(yè)工程船。其航行和作業(yè)吃水由淺到深、覆蓋較大的范圍，船體的舯橫剖面呈倒置時(shí)鐘形。在較淺吃水處寬度較小，隨吃水的增加寬度逐漸增大，直至最大船寬。在較淺吃水狀態(tài)（如航行、起重準(zhǔn)備或其他作業(yè)工況），船的水線面較窄，因而阻力小，可達(dá)到較高的航速，同時(shí)具有較好的橫搖性能。當(dāng)船舶進(jìn)行起重作業(yè)或其他可能嚴(yán)重危及船舶穩(wěn)性的工程作業(yè)時(shí)，通過壓載水艙的注水，使船達(dá)到較大吃水，此時(shí)船寬達(dá)到最大，從而確保船舶具有適度的穩(wěn)性安全。

3.1 多吃水變船寬船型方案

目標(biāo)船型是具有DP3動力定位和錨泊定位功能的自航大型全回轉(zhuǎn)起重鋪管船，用于全球主要海區(qū)，具備進(jìn)行大型組塊、平臺模塊、導(dǎo)管架的起重吊裝、提供平臺作業(yè)支持、潛水作業(yè)支持和鋪管作業(yè)等需求，最大作業(yè)水深3 000 m。該船總布置圖及三維仰視圖如圖1至圖3所示。

圖1 總布置圖——首視圖

圖2 總布置圖——側(cè)視圖

圖3 線型的三維仰視圖

船上設(shè)置一臺全回轉(zhuǎn)起重機(jī)，其最大固定起重能力為5 000 t，全回轉(zhuǎn)起重能力為4 000 t。該船航速不低于13 kn，流線型首尾、舭部有圓角、設(shè)舭龍骨。船上設(shè)兩層連續(xù)甲板，主甲板為干舷甲板。作為鋪管作業(yè)船，船中心附近設(shè)兩道縱艙壁，中間為S型鋪管主作業(yè)線，管道經(jīng)過起重機(jī)基座的下部，從尾封板的開口伸出船體，左右兩側(cè)為雙節(jié)管預(yù)制和管道輸送作業(yè)區(qū)。露天甲板為作業(yè)甲板，作業(yè)面積不少于5 000 m2，可運(yùn)載吊裝作業(yè)的大型結(jié)構(gòu)物。鋪管作業(yè)時(shí)，可儲存管子，最大存儲能力約為12 000 t。

該船主要參數(shù)如下：

船體總長 約190 m

水線長 180 m

型寬 48 m

型深（干舷甲板） 16 m

設(shè)計(jì)吃水（起重作業(yè)） 11.50 m

設(shè)計(jì)吃水（鋪管作業(yè)） 10.45 m

航行吃水 8.50 m

動力定位 DP-3

錨泊定位 10點(diǎn)

定員 398 人

自持力 60 天

續(xù)航力 12 000 n mile

最大排水量 約70 000 t

多吃水變船寬船型設(shè)計(jì)方案見表1。

3.2 常規(guī)設(shè)計(jì)船型

起重鋪管船船型為肥大性船舶。為了簡化施工工藝、降低造價(jià)，傳統(tǒng)起重鋪管船的平行中體一般采用圓舭部直壁型。其中剖面設(shè)計(jì)如圖4所示，線型設(shè)計(jì)如圖5所示。

表1 多吃水變船寬船型的設(shè)計(jì)方案

圖4 常規(guī)起重鋪管船型的中剖面設(shè)計(jì)

圖5 常規(guī)起重鋪管船型的型線圖

常規(guī)船型設(shè)計(jì)方案見表2。

4 快速性

使用Holtrop方法，對兩個(gè)方案的快速性進(jìn)行初步評估，考慮到快速性僅與航行吃水有關(guān)，故只對兩個(gè)方案在滿載航行吃水時(shí)進(jìn)行評估。傳統(tǒng)船型（方案1）的滿載航行吃水為7.1 m，而多吃水變船寬船型（方案2）的滿載航行吃水為8.5 m。兩個(gè)方案的滿載航行有效功率計(jì)算結(jié)果及對比如表3所示。在10 ～14 kn的航速范圍內(nèi)，相差均為8%。

表2 常規(guī)船型的設(shè)計(jì)方案

表3 滿載航行工況下的有效功率比較

由于在同等排水量情況下，多吃水變船寬船型方案吃水約增加1.4 m，因此可采用槳徑更大的全回轉(zhuǎn)舵槳。在螺旋槳收到功率相等的情況下，螺旋槳設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速可適當(dāng)降低，螺旋槳效率也能獲得一定的提升?？傊?，多吃水變船寬船型方案在快速性方面優(yōu)勢顯著。

5 耐波性

5.1 耐波性與橫搖周期

耐波性是船舶在波浪中運(yùn)動特性的統(tǒng)稱，包括橫搖、縱搖、首搖、橫蕩、縱蕩和垂蕩，以及由這些運(yùn)動引起的航行阻力增加、上浪、甲板加速度變化等性能，直接影響船舶在風(fēng)浪作用下維持其正常作業(yè)能力。其中的橫搖運(yùn)動最容易發(fā)生且幅度最大，是耐波性研究的核心內(nèi)容。

根據(jù)橫搖頻率響應(yīng)函數(shù)的線性理論，橫搖既取決于波浪能量的大小，也取決于譜密度曲線與放大因數(shù)曲線的關(guān)系。若根據(jù)后者，可將船舶在不規(guī)則波中的橫搖狀態(tài)作如下劃分為亞臨界狀態(tài)、臨界狀態(tài)和超臨界狀態(tài)。亞臨界狀態(tài)為諧搖波長小于2倍船寬時(shí)，船舶橫搖運(yùn)動非常小，但在較高的海況下，稍大尺度的船舶難以做到這一點(diǎn)。當(dāng)諧波波長位于主成分波區(qū)間以內(nèi)時(shí)，橫搖運(yùn)動最嚴(yán)重，稱為臨界狀態(tài)；當(dāng)諧波波長大于最大有義波長時(shí)，橫搖運(yùn)動比較緩和，稱為超臨界狀態(tài)。設(shè)計(jì)中通常希望船舶處于超臨界狀態(tài)，為此需要增加橫搖固有周期T?。而常規(guī)的起重鋪管船船型橫搖周期T?僅為10 s左右，橫搖諧波波長λ = 1.56×T?2= 156（m）。

當(dāng)有義波高HS為2.5 m時(shí)，最大有義波長為150 m，可以認(rèn)為船舶處于超臨界狀態(tài)，橫搖不嚴(yán)重；但當(dāng)有義波高HS提高為3.0 m時(shí)，最大有義波長為180 m，船舶進(jìn)入臨界狀態(tài)，會產(chǎn)生較嚴(yán)重的橫搖。換言之，對于常規(guī)起重鋪管船船型，2.5 m有義波高HS是極限的作業(yè)海況。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，類似的參數(shù)也極為常見，這也從另一方面驗(yàn)證了傳統(tǒng)船型在耐波性方面已面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

通過開發(fā)多吃水變船寬船型，將船舶橫搖周期提高到12 s以上，這時(shí)橫搖諧波長度可達(dá)到225 m，可以將船舶最大作業(yè)海況的有義波高HS提高到3 m以上，而船舶仍能較安全地處于超臨界狀態(tài)。

5.2 耐波性模型試驗(yàn)

考慮到船舶水動力分析的復(fù)雜性，我們?nèi)匀徊捎幂^可靠的模型試驗(yàn)方法。通過船模不同狀態(tài)靜水自由橫搖衰減試驗(yàn)獲得衰減曲線，確定其橫搖固有周期；進(jìn)行零航速下的迎浪、斜浪和橫浪規(guī)則波模型試驗(yàn)，根據(jù)線性迭加原理把試驗(yàn)結(jié)果換算為不規(guī)則波（波譜取JONSWAP譜）；對不同吃水下的縱搖、橫搖、加速度和垂蕩的結(jié)果預(yù)報(bào)等。

通過安裝于船模上的陀螺測量船模的橫搖角時(shí)歷，獲得衰減曲線和固有周期。結(jié)果如表4和圖6 -圖8所示［8］。

表4 橫搖自由衰減周期匯總

圖6 吃水8.5 m橫搖自由衰減時(shí)歷（橫搖周期17.15 s）

圖7 吃水10.45 m橫搖自由衰減時(shí)歷（橫搖周期13.05 s）

圖8 吃水11.5 m橫搖自由衰減時(shí)歷（橫搖周期25.55 s）

在有義波高HS= 3.0 m（平均跨零周期T2= 8.0 s）時(shí)的縱搖、橫搖、加速度和垂蕩結(jié)果預(yù)報(bào)如表5-表7所示［8］。

表5 吃水8.5 m（滿載航行）時(shí)，不規(guī)則波　預(yù)報(bào)結(jié)果（HS= 3 m，T2= 8.0 s）

表6 吃水10.45 m（鋪管作業(yè)）時(shí)，不規(guī)則波　預(yù)報(bào)結(jié)果（HS= 3 m，T2= 8.0 s）

表7 吃水11.5 m（起重作業(yè)）時(shí)，不規(guī)則波　預(yù)報(bào)結(jié)果（HS= 3 m，T2= 8.0 s）

5.3 耐波性歸納總結(jié)

1.2.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。采用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件，對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性分析，符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以（x-±s）表示，計(jì)數(shù)資料用率表示。計(jì)量資料兩組間差異檢驗(yàn)采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料兩組間差異檢驗(yàn)采用非參數(shù)秩和檢驗(yàn)和χ2檢驗(yàn)，采用二元Logistic回歸，進(jìn)一步研究影響血腫增大的危險(xiǎn)因素，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

從以上結(jié)果獲知，在滿載航行工況時(shí)，由于水線面較窄而船舶重心位置相對較高，橫搖周期超過17 s，不規(guī)則波中的運(yùn)動幅值較小，耐波性表現(xiàn)非常突出。而最大起吊作業(yè)時(shí)，由于起重機(jī)及吊重的關(guān)系，船舶重心較高、橫搖周期較長（超過25 s）、船舶運(yùn)動幅值較小，有利于控制起重機(jī)的動載荷因子，增加起重機(jī)實(shí)際可利用的起吊能力。

在鋪管作業(yè)的最大吃水時(shí)，橫搖周期超過了13 s，雖然較常規(guī)的起重鋪管船船型已大為改善，但仍未遠(yuǎn)離平均跨零周期T2= 8.0 s，不規(guī)則波中的運(yùn)動幅值較大。起重鋪管作業(yè)時(shí)的耐波性衡準(zhǔn)為：橫搖單幅最大值小于2.5°，縱搖單幅最大值小于2°［10］。由表6可知，多吃水變船寬船型在3 m有義波高下，艏斜浪（45°）情況下，橫搖角稍微超過鋪管作業(yè)耐波性衡準(zhǔn)，即在艏向正負(fù)40°范圍內(nèi)，能滿足鋪管作業(yè)耐波性標(biāo)準(zhǔn)。考慮到本文較為保守的耐波性試驗(yàn)，選取鋪管作業(yè)工況的最大吃水，此時(shí)露天甲板裝載著12 000 t管子，同時(shí)還攜帶100%的油水。若適當(dāng)降低吃水，即控制船舶燃油淡水的裝載率（如50%）、調(diào)節(jié)壓載艙的裝載以及調(diào)整甲板上管子數(shù)量，水線寬將可減窄，同時(shí)重心增高，能顯著改善船舶的耐波性能，其極限就是航行工況（吃水8.5 m）時(shí)的情況，即燃油淡水裝載率為50%，甲板上裝載的管子質(zhì)量仍能達(dá)到6 000 t左右，能夠覆蓋絕大多數(shù)的作業(yè)情況。

這就是說，多吃水變船寬起重鋪管船船型實(shí)際上可以在很大的氣象窗口內(nèi)實(shí)施鋪管作業(yè)，作業(yè)效率比常規(guī)起重鋪管船大大提高。

6 結(jié) 論

經(jīng)過比較分析，本文推薦的起重鋪管船船型采用多吃水變船寬方案，在滿足穩(wěn)性要求的前提下，顯著改善了起重鋪管船航行時(shí)快速性和鋪管作業(yè)時(shí)耐波性；使大型起重鋪管船在提高起重能力的同時(shí)，又能以較低的推進(jìn)功率達(dá)到較高航速，從而拓展了船舶的可作業(yè)范圍；而耐波性的改善，大大增加了鋪管作業(yè)的氣象窗口，改善了大型起重鋪管船的經(jīng)濟(jì)性能。與傳統(tǒng)船型相比，多吃水變船寬的船型，其吃水自然稍有增加，但考慮到大型起重鋪管船的作業(yè)海域絕大部分為深水和遠(yuǎn)海，因此并不會對該船型的應(yīng)用產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響。

隨著深海、遠(yuǎn)海油氣田等資源開發(fā)逐步進(jìn)入實(shí)施階段，不僅是起重鋪管船船型面臨穩(wěn)性與快速性、耐波性的矛盾，其他海洋工程船型（如鉆井船）的可變載荷在不斷加大，且作業(yè)設(shè)備的能力日益增強(qiáng)、船體尺度越來越大，從而形成波浪載荷大、運(yùn)動性能差、對環(huán)境載荷敏感等現(xiàn)狀［11］，正面臨與起重鋪管船船型相類似的挑戰(zhàn)。

本文僅以起重鋪管船船型為例，闡述了多吃水變船寬的基本原理、主要特征和優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用范圍還可以有各種變化和改進(jìn)，例如不設(shè)置起重機(jī)而是設(shè)置鉆井井架，即應(yīng)用鉆井船。因此，多吃水變船寬的船型實(shí)際上是一種新型的海洋工程船船型，可以在深水、遠(yuǎn)海的海洋工程開發(fā)中廣泛應(yīng)用。

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［中圖分類號］U674.34

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號］1001-9855（2015）03-0028-07

［收稿日期］2014-10-11；［修回日期］2014-10-17

［作者簡介］程維杰（1982-），男，碩士，高級工程師，研究方向：船舶總體設(shè)計(jì)。

Development of hull line for huge crane and pipe-laying vessels

CHENG Wei-jie1,2

(1. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University Shanghai 200240, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Abstract：This paper presents a research on the key technologies involved in the general design of a new generation of 5 000 t crane and pipe-laying vessels. Through summarizing latest development tendency of huge crane and pipe-laying vessels， it proposes a new solution for balancing its seakeeping capacity， power performance and stability. It provides a scientific basis for improving the overall performance and expanding the operating scope of mono-hull crane and pipe-laying vessels， and also a reference for the design of other types of offshore vessels.

Keywords：crane vessel； pipe-laying； seakeeping capacity； power performance； DP capability