新型極地模塊運輸船總體設(shè)計綜述

夏討飯

（中遠海運重工技術(shù)研發(fā)中心，遼寧大連 116600）

0 引言

隨著世界經(jīng)濟快速發(fā)展，區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的不平衡也逐漸顯現(xiàn)。在工業(yè)產(chǎn)品方面，基于中國工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)能力的快速提高和亞非拉落后國家的發(fā)展需求，以及全球“個性化”工業(yè)生產(chǎn)的推廣促進了整體貨物的運輸需求，能夠裝運大型貨物的甲板運輸船需求進一步上升。另一方面，石油天然氣開發(fā)在陸地和淺海水域已過度開發(fā)，人們的目光已逐漸從淺海到深海，以及近年在北極地區(qū)開發(fā)的大型天然氣項目，在這些深海和極地區(qū)域由于無法進行深度施工，要求油氣平臺的建設(shè)需要在陸地工廠進行組裝并整體運至目的地，可以高效、安全地載運這些特種模塊設(shè)備的模塊運輸船迎來了快速發(fā)展的契機。

模塊運輸船主要用于裝載大型海工、油氣模塊、發(fā)電設(shè)備、化工和煉油設(shè)備、重大基建設(shè)備等重大件整體貨物，具有全通無障礙型載貨甲板，可以采用滾裝或滑裝等不同的裝卸方式的特種船舶。本文介紹的21 000 DWT項目是中遠海運重工為荷蘭船東設(shè)計建造的適合于極地航行的模塊運輸船總體設(shè)計研究。

1 主要參數(shù)

模塊運輸船是典型布置地位型船舶，主尺度的確定主要是依據(jù)載貨甲板的面積所決定，本船主要服務(wù)于俄羅斯北部亞馬爾地區(qū)天然氣項目的開發(fā)，承擔(dān)大型模塊運輸任務(wù)，根據(jù)主要模塊的尺度要求，結(jié)合滿足規(guī)范和公約等要求進行設(shè)計，主尺度參數(shù)如表1所示。

表1 主要參數(shù)

本船入級 LR船級社，主要入級符號包括：Strengthened for heavy cargoes, Submersible to a depth of 1.5 m below cargo deck in harbor only, Ice-class 1A FS, Winterization H (-55oC), NAV1, CCS等。

2 總布置介紹

本船根據(jù)載運貨物屬性，要求具有滾裝、滑裝和吊裝3種不同裝卸方式的能力，載貨甲板要求具有全通無障礙形式，為了實現(xiàn)該功能，本船采用的是雙層甲板形式，甲板之間為1.5 m高的空艙，用于布置壓載艙室的透氣、溢流管系等。雙層甲板設(shè)計更適合裝卸貨物在甲板上反復(fù)焊接和切割而不會破壞壓載水艙。載貨甲板區(qū)域的系泊設(shè)備均采用凹入甲板下的方式進行布置，欄桿和艉部桅桿為可拆卸式。

在載貨甲板下全船設(shè)置有12道水密橫艙壁，3道水密縱艙壁。除了布置機艙、泵艙、推進器艙等必要的功能艙室外，剩余大部分空間主要布置為壓載水艙，總計有51個，大量充足的壓載水艙可以根據(jù)碼頭壓載及穩(wěn)性計算的要求對船舶浮態(tài)進行合理調(diào)節(jié)。

上層建筑（包含駕駛室）位于船首，優(yōu)勢是駕駛室視線不會因為裝載大件貨物而受影響。為了防止船舶在低溫環(huán)境中，甲板機械設(shè)備被冰雪覆蓋、冷凍，本船首部采用封閉式上層建筑，吊機和救生設(shè)備布置在艏樓甲板。詳細總布置如圖1所示。

圖1 總布置圖

3 線型設(shè)計優(yōu)化

模塊運輸船的主尺度參數(shù)比較特殊，具有長寬比較小，寬度型深比較大，給線型優(yōu)化帶來很大困難。而本船除了尺度比特殊性以外，同時還需要考慮1A級冰區(qū)航行船舶最小功率要求對型線設(shè)計的影響，加大了線型優(yōu)化設(shè)計的難度。

首先，考慮是滿足浮態(tài)要求，本船的載貨甲板位于尾部，在滿載時重心靠后，所以相對于常規(guī)貨船浮心在中前位置不同，模塊運輸船的浮心位置位于船中之后。在中前部分采用平直型線型設(shè)計，確保船舶在冰區(qū)航行時的浮冰可以阻力更小，同時控制在設(shè)計水線面3/4船寬處的進流角，因為該角度對于最小功率的要求影響比較大，整個進流段長度設(shè)計1/2垂線間長。

其次，船首形式的選擇，在設(shè)計初期，采用的是垂直型艏（圖2），經(jīng)過船模阻力快速性能試驗后，通過分析實驗結(jié)果以及同水池工作人員的研討，認為增加了一個小球艏后，可以得到更好的阻力性能。最終經(jīng)CFD分析，減少阻力值為總阻力的5%～8%。

最后，對于在冰區(qū)航行船舶，本船在艏艉部考慮增加了冰刀等附體，以保護球鼻艏、舵和軸系等突出船體的部分，這些附體設(shè)置也導(dǎo)致船舶阻力略有增加。

圖2 線型優(yōu)化對比

4 穩(wěn)性計算

模塊裝備由于其尺寸大，質(zhì)量重等貨物性質(zhì)，使其在船舶載貨時整船的重心高度和受風(fēng)面積變化很大，因此本船穩(wěn)性計算主要考慮的滿載貨物狀態(tài)，設(shè)計難點包括以下幾點：

1）重心高度。在裝載大件貨物時，重心高度由于貨物的影響大幅增加，約為裝貨前的3倍。同時受風(fēng)面積也隨之增加1倍左右，且型心高度增加3倍，貨物尺寸和重心高度對船舶穩(wěn)性具有決定性的影響。

2）受風(fēng)面積。除了重心高，貨物的受風(fēng)面積大，型心高也是甲板運輸船貨物的特點，對穩(wěn)性產(chǎn)生的不利影響非常明顯。在氣象衡準(zhǔn)要求中，受風(fēng)面積的不同計算結(jié)果差異很大。所以在設(shè)計初期考慮穩(wěn)性對主尺度影響時，需要了解潛在貨物典型受風(fēng)面積尺寸，確保裝載貨物后穩(wěn)性計算滿足要求。

3）穩(wěn)性衡準(zhǔn)。由于本船特殊尺度特性（型寬大，型深?。霸谳^小橫傾角時甲板已開始入水，進而復(fù)原力臂很快達到最大值，這一橫傾角小于25°，無法滿足常規(guī)船舶“最大復(fù)原力臂對應(yīng)橫傾角大于25°”的要求。因此根據(jù)IS CODE（2008）的要求，采用另外一個衡準(zhǔn)“長寬比大于2.5的船舶，上述角度可調(diào)整為 15°”對本船進行穩(wěn)性計算，實際工況計算總結(jié)發(fā)現(xiàn)，最大復(fù)原力臂對應(yīng)角都在 20°左右。

5 壓載系統(tǒng)

本船壓載系統(tǒng)設(shè)計極其復(fù)雜，主要原因是相對于常規(guī)船舶，除了考慮常規(guī)船舶的要求外，還需要重點考慮采用滾裝或滑裝方式裝卸貨時，壓載水對浮態(tài)的快速調(diào)節(jié)能力，其主要特點如下：

1）艙室數(shù)量多。均勻布置大量壓載水艙，在裝卸貨物時根據(jù)載貨甲板與碼頭匹配情況對船舶吃水和橫傾狀態(tài)進行大范圍調(diào)整。本船壓載艙數(shù)量為51個。

2）管路設(shè)計復(fù)雜。除了配置常規(guī)的壓載系統(tǒng)外，為了防止船舶進行滾裝或滑裝作業(yè)時產(chǎn)生快速橫傾和縱傾，甲板運輸船的壓載系統(tǒng)還設(shè)計成左右任意2個壓載艙直接調(diào)駁，實現(xiàn)快速、靈活多變的調(diào)載。

3）壓載艙容量大。全船采用4臺壓載泵，每臺容量3 000 m3/h，壓載系統(tǒng)主管管徑最大設(shè)計為DN 1 000。

具體參數(shù)設(shè)計比較見表2。

表2 具體參數(shù)設(shè)計比較

6 冰區(qū)加強結(jié)構(gòu)設(shè)計

本船結(jié)構(gòu)設(shè)計需要同時滿足LR船級社1A和Winterization H兩個船級符號的要求。對于冰區(qū)加強船舶，根據(jù)規(guī)范要求，首先確定上冰帶水線（UIWL）和下冰帶水線（LIWL）。在確定冰帶水線后，依據(jù)本船選擇的1A冰級的要求，確定冰帶外板和冰帶肋骨的垂向范圍。其次，沿船長方向劃分整船縱向的冰帶范圍，根據(jù)規(guī)范要求，沿船長應(yīng)分為艉部冰帶、舯部冰帶和艏部冰帶。根據(jù)不同冰帶區(qū)域的實際情況，考慮到船體梁的總縱強度對剖面模數(shù)的要求，對舯部冰帶和艉部冰帶范圍內(nèi)采用縱骨架式的結(jié)構(gòu)，冰帶縱骨間距為正常縱骨間距的一半。對艏部冰帶則采用橫骨架式的結(jié)構(gòu)，冰帶肋骨間距為正常肋骨間距的一半。

圖3 冰帶設(shè)計圖（單位：mm）

7 防寒防凍措施介紹

7.1 船體材料

在低溫水線（cold waterline）以上的外板、與外板連接的強框架、艙壁以及扶強材，按照Winterization H的要求，根據(jù)結(jié)構(gòu)類型，分為主要構(gòu)件、次要構(gòu)件以及特殊構(gòu)件3個等級，針對不同等級，分別有材料厚度與材質(zhì)的對應(yīng)表格。為滿足本船極限溫度為?55℃的條件下，船體結(jié)構(gòu)能夠正常使用，對上述區(qū)域結(jié)構(gòu)的材質(zhì)進行了重新設(shè)計，相應(yīng)位置的材質(zhì)較常規(guī)船舶至少提高了一個等級。據(jù)統(tǒng)計，約1 600 t的鋼結(jié)構(gòu)增加材料等級，約占全船鋼結(jié)構(gòu)重量的18%。

7.2 壓載艙的防凍措施

壓載艙的防凍措施一般有3種：加熱盤管、持續(xù)循環(huán)攪動系統(tǒng)和壓載艙空氣吹泡系統(tǒng)。該船壓載艙提供吹泡管。壓縮空氣經(jīng)過減壓閥組減壓后，吹入壓載艙底部，帶動壓載水循環(huán)，從而實現(xiàn)壓載艙的防凍目的。同時，經(jīng)過船廠的設(shè)計優(yōu)化，在滿足設(shè)計工況的情況下，艙內(nèi)吹泡管的總長得以大幅減少。

7.3 透氣和溢流管的防凍措施

原方案考慮船舶偶爾在低氣溫環(huán)境運行，壓載艙的空氣頭選用的是常規(guī)不帶加熱，后來經(jīng)過分析船舶的運行溫度，為防止低溫環(huán)境下由于水霧結(jié)冰導(dǎo)致空氣頭阻塞，從而危害到艙室的透氣，所有空氣頭選用電加熱型，同時布置在夾層中的壓載溢流管線增加電伴熱，以保證管路的暢通。

7.4 露天環(huán)境設(shè)備系統(tǒng)的防凍措施

位于露天環(huán)境的管系，為防止設(shè)備系統(tǒng)冰凍，本船根據(jù)設(shè)備系統(tǒng)的不同功能要求，分別通過采用保護罩，增設(shè)圍壁處所，采取電伴熱系統(tǒng)等措施，確保船舶在低溫環(huán)境中露天設(shè)備可以正常運行。

7.5 舵系及甲板機械設(shè)備

本船舵的設(shè)計及其潤滑方面，通過特殊設(shè)計，滿足冰區(qū)航行及低溫的要求。吊機的筒體基座材質(zhì)為耐低溫的高強鋼，根據(jù)低溫和板厚的要求，選擇采用 EH36。甲板上的救生艇、絞車等機械設(shè)備加裝了防寒防凍的保護罩及加熱器，滿足全船低溫環(huán)境航行和操作要求。

圖4 電加熱型空氣頭典型圖

8 結(jié)論

21 000 DWT模塊運輸船采用綠色、節(jié)能、環(huán)保、雙層全通無障礙載貨甲板設(shè)計方案，成功解決多項低溫環(huán)境船舶的設(shè)計難題，填補了國內(nèi)極地航行模塊運輸船的技術(shù)空白。目前該系列船共4條已全部交付使用，并多次往返與亞馬爾氣田，船舶性能良好。該系列船型的成功設(shè)計和建造，打破了日本和韓國在模塊運輸船的壟斷地位，為中遠海運重工在特種船舶設(shè)計和建造方面積累了寶貴經(jīng)驗。隨著模塊化工廠在能源、化工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，模塊運輸船將迎來新的快速發(fā)展機遇。