淺談2 940 kW多用途拖輪的設(shè)計(jì)

劉曉艷

（浙江省海洋水產(chǎn)研究所 舟山316021）

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淺談2 940 kW多用途拖輪的設(shè)計(jì)

劉曉艷

（浙江省海洋水產(chǎn)研究所 舟山316021）

［摘 要］隨著物流量的不斷增長(zhǎng)以及港口發(fā)展與國(guó)內(nèi)外大噸位船舶進(jìn)出港的實(shí)際需要，迫切需要一些功率大且具有供水、供油、拖帶、消防等多用途的拖輪投入使用；此外，我國(guó)內(nèi)河與沿海大規(guī)?，F(xiàn)代化港口的建設(shè)、疏浚工程以及海洋開(kāi)發(fā)工程的發(fā)展，也急需一批大功率多用途的拖輪及海洋平臺(tái)供應(yīng)船參與配套工作。為此，設(shè)計(jì)了一種尺度適宜、布置合理、設(shè)備節(jié)能、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、發(fā)展前景好的多用途拖輪。文中以某2 940 kW多用途拖輪為例，簡(jiǎn)要介紹該種船型的概況、設(shè)計(jì)優(yōu)化、節(jié)能減排以及船東使用回饋等。

［關(guān)鍵詞］多用途拖輪；優(yōu)化設(shè)計(jì)；拖曳作業(yè)；工程輔助

引 言

近年來(lái)，隨著海上油氣資源的深入發(fā)掘，海洋鉆井平臺(tái)的建造和使用得到了迅猛發(fā)展，與此同時(shí)，為平臺(tái)保障服務(wù)的多用途拖輪也得以快速發(fā)展［1］。面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，如何降低營(yíng)運(yùn)成本、如何提高船舶性價(jià)比并進(jìn)一步占領(lǐng)市場(chǎng)，已成為廣大船東及用戶考慮的首要問(wèn)題。本文所述拖輪為一艘968總噸位、主機(jī)功率1 470 kW（雙機(jī)為2 940 kW）的多用途拖輪。由于小于1 000總噸位［2］且在主機(jī)功率4 080 ps（約3 000 kW）以內(nèi)［3］，因此能充分發(fā)揮該檔次船舶的最大經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。此外，考慮海上鉆井平臺(tái)的發(fā)展需要，該型船還應(yīng)具有對(duì)外供油、供水、消防及為近海石油平臺(tái)供應(yīng)各種物資和拋錨使用等功能。下文將對(duì)此型船的設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。

1　總體概況

1.1船型及用途

該型船為全焊接式鋼質(zhì)、單甲板、中機(jī)型、雙槳、雙導(dǎo)流管舵的2 940 kW多用途拖輪。其航行于近海海域， 按“CCS”有關(guān)規(guī)范入級(jí)、設(shè)計(jì)和建造，主要用于拖帶、起錨、港口作業(yè)、對(duì)外供水、供油及消防等用途。

1.2船舶主尺度及參數(shù)

主尺度及參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　2 940 kW多用途拖輪主尺度及參數(shù)

1.3總體布置

全船主甲板下設(shè)8道水/油密橫艙壁；機(jī)艙設(shè)于船中部，舵機(jī)艙設(shè)于船尾部。由首至尾依次為首尖艙、空艙（P、S應(yīng)急消防泵及側(cè)推艙C）、1號(hào)淡水艙（P、S）、空艙（P、S）、1號(hào)燃油艙（P、S）、機(jī)艙（2號(hào)、3號(hào)燃油艙、柴油艙、滑油艙、空艙、污油水艙等）、4號(hào)燃油艙（P、C、S）、5號(hào)燃油艙（C）、2號(hào)淡水艙（P、S）、3號(hào)淡水艙 （P、S）、舵機(jī)艙（C）、4號(hào)淡水艙（P、S）。

1.4船體結(jié)構(gòu)

船體主要構(gòu)件和船體材料滿足中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（2006）的要求［4］。全船船體結(jié)構(gòu)均采用橫骨架式。在船體強(qiáng)度方面，在船首結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，考慮對(duì)冰區(qū)加強(qiáng)的要求，擴(kuò)大了該船航行于我國(guó)渤海灣以北的航線使用范圍。

1.5穩(wěn) 性

穩(wěn)性滿足中華人民共和國(guó)海事局《船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則》（國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則2004）第四篇“船舶安全”第7章“完整穩(wěn)性”及修改通報(bào)對(duì)近海航區(qū)的要求，運(yùn)用CCS所要求的“COMPASS計(jì)算軟件”，按“拖輪計(jì)算”及“消防船計(jì)算”兩種工作狀態(tài)分別計(jì)算，均應(yīng)滿足對(duì)近海航區(qū)的穩(wěn)性要求。

另外在“完工圖”中，為船東增補(bǔ)船舶無(wú)限航區(qū)的穩(wěn)性計(jì)算，以便用戶掌握，本船雖是按照近海航區(qū)設(shè)計(jì)但還是能滿足無(wú)限航區(qū)的穩(wěn)性要求，船東對(duì)此很滿意。

1.6主要機(jī)電設(shè)備

1.6.1主機(jī)及推進(jìn)裝置

主機(jī)選用廣柴的6320ZCd-6型柴油機(jī)2臺(tái)，額定功率為1 470 kW×2，額定轉(zhuǎn)速為525 r/min。導(dǎo)管螺旋槳2個(gè)，首、尾側(cè)推裝置各1個(gè)，型號(hào)為T(mén)T1000-FP，側(cè)向推力為45.2 kN。螺旋槳為4葉Cu3鎳鋁青銅，直徑為2 400 mm。

1.6.2發(fā)電機(jī)組

本船設(shè)有3個(gè)發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組型號(hào)為CCFJ160J-WD。柴油機(jī)型號(hào)為R6160A-4型，功率為184 kW×3；發(fā)電機(jī)型號(hào)為T(mén)FHX160型，功率為160 kW×3。

停泊發(fā)電機(jī)組1組，型號(hào)為CCFJ50J-WF，柴油機(jī)型號(hào)為4135Acaf，發(fā)電機(jī)型號(hào)為T(mén)FX-50，發(fā)電機(jī)功率為50 kW。

圖1　總布置圖

2　設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1主尺度及船型系數(shù)的選取

船東對(duì)于此船的具體要求為：設(shè)計(jì)的拖輪航區(qū)為近海航區(qū)、能對(duì)外供水（300 t）、供油（450 t）和開(kāi)展消防救助；船舶總長(zhǎng)不超過(guò)58 m、最大吃水4.20 m以內(nèi)；拖輪拖力大于400 kN、主機(jī)能使用重油以及船舶主甲板盡量預(yù)留有一定的載貨面積，以便裝載集裝箱及其他雜貨等。為此，我們參考早先所設(shè)計(jì)的CCS船級(jí)2 942 kW近海拖輪“浙普拖2012”作為該拖輪設(shè)計(jì)的母型船。

2.1.1船長(zhǎng)的確定

根據(jù)船東要求，本船總長(zhǎng)不超過(guò)58 m，取母型船“浙普拖2012” 2 942 kW拖輪的總長(zhǎng)與船長(zhǎng)作為本船的總長(zhǎng)與船長(zhǎng)（即LOA= 57.62 m，Lpp= 49.40 m），可以滿足船東要求。

2.1.2船寬的確定

母型船“浙普拖2012”的穩(wěn)性經(jīng)實(shí)船的運(yùn)營(yíng)使用，當(dāng)拖輪滿載時(shí)，后主甲板上裝載了6～9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱后，經(jīng)計(jì)算該船穩(wěn)性仍然可以滿足遠(yuǎn)海航區(qū)的要求，船東很滿意。為確保本船穩(wěn)性達(dá)到近海航區(qū)的要求，我們就把型寬確定為母型船“浙普拖2012”的型寬，即： B = 12.00 m。

2.1.3吃水的選擇

當(dāng)船長(zhǎng)與型寬確定之后，經(jīng)初步計(jì)算（方型系數(shù)暫取母型船的Cb= 0.723 0）。在吃水4.20 m時(shí)，該船的滿載排水量可以達(dá)到1 852.10 t。除去母型船的空船實(shí)重787.70 t，此時(shí)尚有1 064.40 t的排水量富裕。這樣，除拖輪自身航行所需的燃油供給之外，能滿足船東對(duì)外提供燃油450 t、淡水300 t，并且在主甲板上裝載250 t貨物的要求。為此，我們就把本船滿載吃水d 確定為4.20 m，滿足了船東的使用要求。

2.1.4型深的選擇

型深的選取則考慮當(dāng)滿載吃水4.20 m時(shí)，要滿足海船干舷之要求［2］，因此將型深確定為5.00 m。

2.1.5估算方形系數(shù)

根據(jù)母型船：方形系數(shù)Cb= 0.723 0。

2.2布置優(yōu)化

本船為雙機(jī)、雙槳，2 940 kW近海拖輪。為了增加該船的拖力，采用了活動(dòng)導(dǎo)流管舵，使拖力增加22%～23%。經(jīng)實(shí)船拖樁試驗(yàn)，拖力可達(dá)到550 kN，試航航速達(dá)到14.5 kn。

本船在FR35～FR38船中位置設(shè)有400 kN液壓拖纜機(jī)一臺(tái)。從船尾至FR35拖纜機(jī)后主甲板上留有300 m2（長(zhǎng)25.8 m，寬12.0 m）的載貨甲板，在滿足穩(wěn)性要求的前提下，可裝載890 t的貨物（其中包括對(duì)外供給的油和水與裝載甲板貨物），另外可裝載6～9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱，以供鉆井平臺(tái)運(yùn)輸所需物資或設(shè)備之用。

本船首部FR74～FR75及尾部FR3～FR4各設(shè)置一個(gè)型號(hào)為T(mén)T1000-FP 的側(cè)推器，以達(dá)到減小船舶回轉(zhuǎn)半徑、增強(qiáng)拖輪的靈活性并能滿足鉆井平臺(tái)對(duì)船舶平移靠泊的基本要求。

本船設(shè)置503 t艙容的燃油艙及319 t艙容的淡水艙。除保證本船所需的油水之外，在油泵的配置上，增設(shè)1臺(tái)功率為18.5 kW的燃油輸出泵；在水泵的配置上，配置1臺(tái)功率為22 kW的水泵。實(shí)現(xiàn)了對(duì)外供油及供水的功能。

在居住甲板上增加1艘救助艇，以提高自身的救生和對(duì)外的救助能力。

為更好提高船舶在實(shí)際使用過(guò)程中的實(shí)用性（比如安排停泊施工時(shí)的人員住宿或休息，放置部分施工設(shè)備和材料等），我們調(diào)整了甲板艙室中央空調(diào)艙室的面積和位置，增設(shè)1間備用艙室。

在考慮艙室布置時(shí)，將船員鋪位設(shè)定為14人。這樣既滿足中華人民共和國(guó)海事局有關(guān)該船最低船員配員的要求（12人），也可免設(shè)醫(yī)務(wù)室，有利于降低船舶建造成本。

本船在考慮船舶干舷和設(shè)計(jì)吃水時(shí)，當(dāng)無(wú)貨載運(yùn)、滿載燃油和淡水時(shí)的吃水為3.80 m。滿載設(shè)計(jì)吃水為4.20 m，此時(shí)可另增加250 t載貨量，均滿足《法規(guī)》對(duì)近海航區(qū)的穩(wěn)性要求，使本船具有近海供應(yīng)船的功能［5］。

3　多功能的作業(yè)能力

3.1拖曳功能

本船在井口密集，海底布滿管線和電纜的復(fù)雜海域中為各類作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行移位和就位，并作為鉆、采平臺(tái)或海上其他飄浮物遠(yuǎn)距離拖航的伴航船及距岸200 n mile之內(nèi)航線上的拖航主拖船［6］。

本船在FR35～FR38船中位置設(shè)有400 kN液壓拖纜機(jī)1臺(tái)。拖纜機(jī)設(shè)液壓剎車(chē)裝置（液壓制動(dòng)力達(dá)到1 000 kN），液壓拖纜系統(tǒng)，應(yīng)急釋放，拖纜張力測(cè)試顯示，放纜長(zhǎng)度測(cè)量警報(bào)和控制系統(tǒng)，可分別在駕駛室和機(jī)房進(jìn)行操作。

在船首樓甲板上前方設(shè)1臺(tái)60 kN液壓絞車(chē)，起拋錨作用，亦可供旁拖作業(yè)時(shí)牽引纜索之用。

3.2港口作業(yè)功能

本船首部FR74～FR75及尾部FR3～FR4各設(shè)置一個(gè)型號(hào)為T(mén)T1000-FP的側(cè)推器，以達(dá)到減小船舶回轉(zhuǎn)半徑、增強(qiáng)拖輪的靈活性并能滿足鉆井平臺(tái)對(duì)船舶靠泊的基本要求。在港口作業(yè)時(shí)，由于拖輪的功率大、強(qiáng)度高、穩(wěn)性好、操作靈活，所以中大型船舶進(jìn)出港口或移泊時(shí)，因航道狹窄船舶不能動(dòng)車(chē)，必須使用拖輪引航及協(xié)助靠港。

3.3起錨功能

該船首部設(shè)置起錨架，可協(xié)助大中型非自航工程船舶進(jìn)行起錨、拋錨或移錨作業(yè)。

3.4供應(yīng)功能

此船可為海上作業(yè)的各類工作平臺(tái)或其他工程輔助船舶進(jìn)行油、水供應(yīng)及鉆采器材等物資的運(yùn)輸和平臺(tái)倒班人員的接送等［7］。

3.4.1甲板貨供應(yīng)

在船尾至FR35號(hào)拖纜機(jī)后主甲板上設(shè)有較大的甲板載貨區(qū)，載貨區(qū)總面積為300 m2（長(zhǎng)25.8 m，寬12.0 m）。在滿足穩(wěn)性要求的前提下，可裝載890 t的貨物， 另可裝載6～9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，以供鉆井平臺(tái)運(yùn)輸所需物資或設(shè)備之用。

3.4.2液貨供應(yīng)

此船除保障自給的油、水以外，還可對(duì)外提供450 t燃油和300 t淡水。

3.5對(duì)外消防功能

羅經(jīng)甲板上設(shè)置2門(mén)消防炮，可用于對(duì)外消防。

4　節(jié)能減排

為節(jié)能減排，這次船舶主機(jī)所選用的6320ZCd-6型柴油機(jī)，其排放標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到國(guó)際排放標(biāo)準(zhǔn)-2 。除了船舶停航前后的一小時(shí)是燃用輕柴油，其余時(shí)間均使用重柴油。為此，在船舶機(jī)電設(shè)計(jì)中，較母型船增加了使用重油的配套設(shè)施以及廢氣對(duì)重油的加溫系統(tǒng)，從而提高了船舶的經(jīng)濟(jì)性。

本船雙機(jī)功率較大，續(xù)航力達(dá)到3 000 n mile，所以從降低營(yíng)運(yùn)成本角度考慮，采用1 500～3 000 s重油主機(jī)方案，即選用廣柴的6320ZCd-6型中速機(jī)作為該船的主機(jī)，并且在機(jī)艙棚中增設(shè)2套廢氣鍋爐。經(jīng)過(guò)廢氣加熱的導(dǎo)熱油對(duì)燃油艙、燃油沉淀艙、燃油日用油柜以及燃油管系的重油進(jìn)行加溫和保溫，提高了主機(jī)廢氣能量的利用率，從而降低能耗與營(yíng)運(yùn)成本。為保證重油的正常使用，在燃油系統(tǒng)中，增設(shè)1套燃油供油單元、3臺(tái)燃油、滑油分油機(jī)以及加熱盤(pán)管等設(shè)備。在生活設(shè)施中，由于采用高溫的導(dǎo)熱油對(duì)淡水進(jìn)行加溫以獲得日用熱水并用于廚房、浴室、盥洗室等處，因而可免除熱水壓力柜，降低整船的用電負(fù)荷，從而減小該船舶發(fā)電機(jī)組的總功率。

設(shè)計(jì)時(shí)，總噸位盡量控制在1 000以下，以降低門(mén)、窗設(shè)備的配置等級(jí)和免設(shè)固定CO2滅火系統(tǒng)及設(shè)施的配置，并可降低船員等級(jí)的要求，達(dá)到降低運(yùn)輸成本的目的。

5　結(jié) 論

截止2010年底，我們?cè)O(shè)計(jì)的該船型拖輪已成功建造7艘（4艘CCS和3艘ZC）。經(jīng)實(shí)船拖樁試驗(yàn)，拖力可達(dá)到550 kN，試航航速達(dá)到14.5 kn。該船型深受船東及用戶的好評(píng)。

與母型船相比，這次船舶設(shè)計(jì)的選型與優(yōu)化取得一定成績(jī)。我們主要從以下兩方面予以考慮：

（1）要以船東的需求作為我們的基本設(shè)計(jì)要求，建造用戶所需要和滿意的船舶；

（2）設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在滿足船舶現(xiàn)行法規(guī)和規(guī)范的前提下，在考慮與確定設(shè)計(jì)方案過(guò)程中， 盡可能統(tǒng)籌兼顧，既要降低船舶的建造成本，又要最大化地提高該船舶的技術(shù)性能，拓展其使用功能與使用范圍，同時(shí)又能達(dá)到降低能耗與營(yíng)運(yùn)成本之目的，提高船舶的使用性和經(jīng)濟(jì)性。

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Design of 2 940 kW multi-purpose tug

LIU Xiao-yan
（Marine Fisheries Research Institute of Zhejiang， Zhoushan 316021， China）

Abstract：With the increasing logistic quantity and the development of port， as well as the practical arrival and the departure demand for large-tonnage ships， there is an urgent need for the high-power multi-purpose tug with water and oil supply and fire proofing system. In addition， for the construction of inland and coastal large-scale modernized port， and the development of dredging and ocean development engineering projects， a group of high-power multipurpose tugs and offshore supply vessels are urgently required to be involved in the supporting work. A multi-purpose tug is then designed to be characterized of appropriate dimension， reasonable arrangement， energy-saving equipment，economy and practicability with great development prospect. Taking a 2 940 kW multi-purpose tug for example， this study briefly introduces hull form， design optimization， energy saving， emission reduction and the feedback of ship owners， etc.

Keywords：multi-purpose tug； optimization design； towing operation； project assistant

［中圖分類號(hào)］U662

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號(hào)］1001-9855（2016）03-0039-06

［收稿日期］2015-10-21；［修回日期］2016-01-27

［作者簡(jiǎn)介］劉曉艷（1984-），女，助理工程師，研究方向：船體設(shè)計(jì)。