鋪管船水密月池底蓋可行性研究

曾憲博　張傳論

摘 要：在造船市場(chǎng)不景氣背景下，為更好處理與船東的關(guān)系，在設(shè)計(jì)和建造中船東的一些超技術(shù)規(guī)格書超規(guī)范的要求比以往市場(chǎng)景氣時(shí)相比更容易被重視，船廠也會(huì)根據(jù)船東要求去做一些額外研究。其中水密月池底蓋就是一個(gè)典型的案例。

關(guān)鍵詞：鋪管船；月池；月池底蓋

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.039

1 引言

目前造船市場(chǎng)不景氣，尤其是海工市場(chǎng)，船東審圖較以往更加嚴(yán)格，往往會(huì)給出很多超出技術(shù)規(guī)格書要求的意見，船廠為了處理好與船東的關(guān)系，部分意見會(huì)花很多時(shí)間和精力去研究。以工作遇到的一個(gè)項(xiàng)目（稱為P項(xiàng)目）為例，技術(shù)規(guī)格書要求的月池底部關(guān)閉裝置是非水密結(jié)構(gòu)，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)和執(zhí)行中客戶根據(jù)水池試驗(yàn)結(jié)果，要求升級(jí)為水密結(jié)構(gòu)。

2 鋪管船基本介紹

2.1 鋪管船介紹

鋪管船是用于海底管道專用的大型設(shè)備，多用于海底輸油、輸氣管道或者輸水管道的鋪設(shè)。目前參與建造的多為深水鋪管船，具有自航能力，DP3定位。

2.2 月池介紹

月池是指海工船和一些特種船在船體中央或一側(cè)開的一個(gè)通海的孔，用于水下作業(yè)，對(duì)于具有J-LAY鋪管作業(yè)的船舶，月池主要用于鋪管作業(yè)時(shí)管道的下放，同時(shí)月池對(duì)于船體阻力和耐波性能有至關(guān)重要的影響。

2.3 月池底蓋

月池底蓋是月池底部的一種關(guān)閉裝置，在船舶航行時(shí)可以對(duì)月池內(nèi)波浪運(yùn)動(dòng)起到抑制作用，同時(shí)也可以減小航行阻力，增加船速。

2.4 船模水池試驗(yàn)

海工船尤其是較為復(fù)雜的船舶，設(shè)計(jì)前期為了驗(yàn)證船舶航行性能，一般會(huì)采用水池試驗(yàn)方法模擬和預(yù)測(cè)船舶航行時(shí)的阻力和船速等。

3 實(shí)例分析

以參與的一個(gè)鋪管起重船項(xiàng)目為例，主要分析月池底蓋由非水密升級(jí)為水密后的可行性。

3.1 P項(xiàng)目簡(jiǎn)要概況

3.1.1 項(xiàng)目主要參數(shù)

船長(zhǎng)215.88m，型寬49m，型深22.4m，設(shè)計(jì)吃水11.8m。

月池位于船右舷，肋位FR.26-FR.37之間，月池寬度9.8m，長(zhǎng)度25.2m，月池在船底部開孔最大長(zhǎng)度為30.8m。

3.1.2 項(xiàng)目主要功能

P項(xiàng)目是我參與的一艏具有鋪管起重能力的海工船項(xiàng)目，具備主起重機(jī)5000噸40米全回轉(zhuǎn)、S-LAY+J-LAY鋪管，DP3定位能力，水下建造和安裝等功能。

3.2 P項(xiàng)目水池試驗(yàn)

此項(xiàng)目水池試驗(yàn)配有兩套船模，一套是大小比例為1：66用于阻力，操縱性能和耐波性能試驗(yàn)；另外一套是大小比例1：26.163用于阻力，自航能力和艉部流向的試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明在裝載工況1（TR-4攜帶98%消耗品航行狀態(tài)）下，航速12節(jié)時(shí)，水密月池底蓋比開放式或非水密底蓋能效提高約35%；在裝載工況2（TR-3攜帶10%消耗品航行狀態(tài)）下，航速12節(jié)時(shí)，采用水密月池底蓋比采用開放式或非水密底蓋能效提高約48%，同時(shí)試驗(yàn)顯示采用非水密月池底蓋時(shí)推進(jìn)性能滿足設(shè)計(jì)航速（12節(jié)）要求。依據(jù)船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)，船東要求將非水密月池底蓋換為水密月池底蓋。

3.3 P項(xiàng)目水密月池底蓋方案設(shè)計(jì)

根據(jù)船東要求P項(xiàng)目進(jìn)行水密月池底蓋設(shè)計(jì)，下圖1為總布置圖，中間底部為壓載水艙，兩側(cè)底部和凸起部位為空艙設(shè)計(jì)。鋼結(jié)構(gòu)重量約368噸，浮力大小約660噸，壓載艙能力約330噸，配有壓載水裝置和船底塞，月池底蓋配有吊運(yùn)眼板、固定眼板、導(dǎo)向定位裝置、柔性墊塊、唇形密封等。

3.3.1 月池底蓋水密設(shè)計(jì)

月池底蓋和月池周邊結(jié)構(gòu)的連接可以分為兩部分，一部分是密封連接部分，主要是采用彈性唇密封；另外一部分連接是采用柔性墊塊（共布置112塊，間距為700mm，每塊大小為L(zhǎng)=400mm，B=300mm，H=75mm），將力通過墊塊傳遞給月池周圍結(jié)構(gòu)。詳細(xì)節(jié)點(diǎn)樣式見圖2。安裝時(shí)柔性墊塊的垂向位置要定位準(zhǔn)確，以便使彈性唇型密封裝置能更好的與月池結(jié)構(gòu)正確接觸，達(dá)到放防水效果。

根據(jù)船模試驗(yàn)，月池底部的動(dòng)態(tài)吃水最大會(huì)達(dá)到16m，外部面積約311㎡壓強(qiáng)為0.16MPa，故等效重量大小為311x0.16x106/9.8=5078噸，設(shè)計(jì)的月池底蓋重量約368噸，考慮垂向加速度為0.3g，則受向上的總壓力大小為5078-368+368x0.3=4820噸。每個(gè)柔性墊塊承受約4820/112=43噸的壓力。考慮變形和波浪等不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上每塊承受為不平衡的負(fù)載，但我們將其作為一個(gè)整體考慮。

3.3.2 月池底蓋安裝

整個(gè)水密底蓋較大，可相當(dāng)于一艏小駁船，考慮到底座安裝定位，我們?cè)O(shè)置了定位和導(dǎo)向設(shè)計(jì)，并在月池壁上設(shè)置了起重絞車。整個(gè)安裝借助船自帶主吊機(jī)，為防止吊運(yùn)變形，配備專用吊運(yùn)工裝，將水密底蓋潛入海里，潛水員固定鋼絲繩，借助起重絞車將月池底蓋拉起，借助導(dǎo)向和定位塊將月池底蓋準(zhǔn)確定位。根據(jù)計(jì)算所需拉力為：自重+壓載-浮力=38噸，配備兩臺(tái)25噸的起重絞車就能滿足。如存在建造重量誤差，可通過配備固定壓載的方式調(diào)整所需拉力，使其控制在50噸以內(nèi)。

3.3.3 月池底蓋的固定裝置

月池底蓋作為一個(gè)龐大的結(jié)構(gòu)單元，當(dāng)船舶運(yùn)行在惡劣的海況時(shí)，要確保底蓋和船體間的適當(dāng)接觸，月池底蓋不至于脫離船體。這就需要設(shè)計(jì)一套在垂直方向和水平方向限制月池底蓋移動(dòng)的固定裝置。

垂向固定裝置（見圖2）設(shè)計(jì)時(shí)考慮狀態(tài)為：在波谷時(shí)，月池底蓋壓載艙因泄露存在10%的壓載水（重量約32噸），月池內(nèi)最大吃水為1.4米（重量約296噸），垂直向下加速度為1.3g，船底龍骨吃水

局部在1.13米（根據(jù)船模試驗(yàn)）；計(jì)算得到動(dòng)載荷大小為（368+32+296）x1.3=905噸，吃水1.13米時(shí)的浮力大小約350噸，故垂向拉桿承受的拉力大小為905-350=555噸。垂向固定裝置設(shè)計(jì)為8根拉桿（7根常用，1根備用），拉桿的屈服應(yīng)力為670Mpa。如遇到特別惡劣的海況，為保證拉桿不被破壞建議加大船舶吃水，以減少因船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生低水位的可能性。

水平固定裝置（見圖2）的設(shè)置前提是假設(shè)月池和底蓋間的接觸面摩擦力為零，由于船舶在惡劣海況運(yùn)行時(shí)水平方向上因水平加速度會(huì)產(chǎn)生慣性載荷，加速度分為橫向加速度和縱向加速度，設(shè)計(jì)水平固定裝置時(shí)同等設(shè)計(jì)狀態(tài)下，根據(jù)船模試驗(yàn)橫向加速度為0.26g，縱向加速度是0.14g，相應(yīng)的橫向載荷為（368+32）x0.26=104噸，縱向載荷為400x0.14=56噸。水平固定裝置設(shè)計(jì)為兩根橫向，兩根縱向（其中1根為備用），拉桿及其連接面的屈服強(qiáng)度同樣為670Mpa?？紤]到日后維修和更換，以上所選零件應(yīng)能很容易的從市場(chǎng)上獲得。

3.3.4 水密底蓋的難點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)成本分析

水密底蓋因體積較大，在實(shí)際使用中存在很多限制條件，比如水密月池底蓋的安裝要求海深至少30米，且低海況下借助船舶自身吊機(jī)進(jìn)行，同時(shí)要配備一定的水下安裝和作業(yè)；當(dāng)鋪管設(shè)備工作時(shí)，月池底蓋的存放和日常檢查、保養(yǎng)仍需要用船方特殊考慮；目前類似大小的水密月池底蓋還未有成熟設(shè)計(jì)，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案其實(shí)用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證；從成本角度考慮，水密底蓋能從日常航行中降低能效節(jié)約成本，但前期的設(shè)計(jì)和建造成本以及日后的維修保養(yǎng)成本也相對(duì)較大，其總體經(jīng)濟(jì)性有待進(jìn)一步探討。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)方案經(jīng)論證，理論上可行，設(shè)計(jì)中不但從強(qiáng)度和力學(xué)角度考慮了其安全性，也從吊運(yùn)和安裝角度以及使用角度考慮了其可操作性，除此之外還配有獨(dú)立的壓載、防腐蝕系統(tǒng)。其中密封材料的性能和使用壽命需要材料廠家提供后才能綜合分析其經(jīng)濟(jì)性，整體設(shè)計(jì)方案還有待實(shí)際操作的驗(yàn)證，需要從操作中發(fā)現(xiàn)問題不斷改進(jìn)。方案的整體經(jīng)濟(jì)性同樣需要結(jié)合船舶運(yùn)營(yíng)，從實(shí)際操作中獲得數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：曾憲博（1983-），男，湖北潛江人，工學(xué)學(xué)士，理學(xué)學(xué)士，工程師，研究方向：船體結(jié)構(gòu)及總體性能。