一型海上支持/維護(hù)船安裝深水多波束的可行性研究

殷憲峰

摘 要：本文就深水多波束探測系統(tǒng)在一型海上支持/維護(hù)船可能的安裝形式、安裝位置、改裝施工工程、對原船影響、需要采取的相關(guān)措施及加裝總成本等方面進(jìn)行可行性分析，并提出安裝建議方案。

關(guān)鍵詞：試海上支持/維護(hù)船;深水多波束;導(dǎo)流罩

1基本情況

近年來受國際低迷油價對海工市場的沖擊影響，國際海工市場普遍存在船東撤單、改單以及“交付難”現(xiàn)象，交不出去的海工船與日俱增并不斷挑戰(zhàn)“庫存”高壓線。在國家有關(guān)部委倡議帶動下，把現(xiàn)有海工船通過主甲板面加裝調(diào)查設(shè)備、水下加裝聲學(xué)設(shè)備改造成具備科考能力的一型鉆探保障船，為“冰窟”中掙扎的海工船企探索出盤活資源、消化庫存、充分利用資源的新模式。探討在一艘85米海上支持/維護(hù)船（簡稱：原船）加裝深水多波束探測系統(tǒng)可行性為例，踐行改造成科考船的先河。

經(jīng)對原船改造后，可作為保障船輔助大洋鉆探船開展各項保障作業(yè);可作為調(diào)查船獨立開展海上科學(xué)考察;保留原船海工作業(yè)、物資運輸、應(yīng)急救援等作業(yè)能力。所以該船現(xiàn)有的功能艙室及設(shè)備如月池、水泥罐、定位錨等均保留。原船體主甲板以下部分水密艙壁也基本保持不變。同時再通過增加科考設(shè)備及系統(tǒng)、提高吊機(jī)配置（從原船100噸提高到150噸）等來滿足支持保障、環(huán)境監(jiān)測等需求。

2深水多波束探測系統(tǒng)基本組成與安裝要求

2.1系統(tǒng)基本組成

深水多波束探測系統(tǒng)通常由水上和水下兩部分組成。

水上部分由聲納主機(jī)機(jī)柜、聲納主機(jī)電源機(jī)柜，前放機(jī)柜、2個發(fā)射接線箱、服務(wù)器組件、3臺計算機(jī)、打印機(jī)、繪圖儀和幾個傳感器組成。水上部分可以增設(shè)聲學(xué)設(shè)備間或與主甲板實驗室進(jìn)行設(shè)備及作業(yè)操作空間共用。

水下部分主要包括水下發(fā)射聲基陣（包含一個框架和若干個發(fā)射換能器模塊，每個發(fā)射換能器模塊引出一根電纜）、水下接收聲基陣（包含一個框架和若干個接收水聽器模塊，每個接收水聽器模塊引出一根電纜）和聲速計三部分組成。水下部分的布置及安裝方案應(yīng)根據(jù)原船實際情況，做慎重考慮。

2.2系統(tǒng)基本安裝要求

（1）保持足夠的平直度和準(zhǔn)確的相對角度：接收聲納陣垂直于船龍骨方向（即沿船寬方向）安裝，發(fā)射聲納陣平行于船龍骨方向（即沿船長方向）安裝。兩聲納陣互相垂直，盡量平分。兩聲納陣陣面要求位于同一水平面上，陣面緊鄰。

（2）避免氣泡振動或噪聲干擾：由于深水多波束探測系統(tǒng)為水下聲學(xué)設(shè)備，水下氣泡或船體振動、噪聲都可能對深水多波束探測系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此，對于該系統(tǒng)的基本安裝環(huán)境要求是：盡量避免受到水下氣泡或船體振動、噪聲的干擾。

（3）自帶結(jié)構(gòu)框架：水下發(fā)射聲基陣和水下接收聲基陣出廠時一般自帶結(jié)構(gòu)框架，方便船底安裝和設(shè)備的自我保護(hù)。

（4）大致尺寸范圍：目前可提供國內(nèi)外發(fā)射和接收角度為1度*1度的萬米深水多波束探測系統(tǒng)，接收聲納陣、發(fā)射聲納陣的尺寸大致有6m*6m，8m*8m等長度。如果發(fā)射角和接收角變小，則相對尺寸進(jìn)一步加大;反之則尺寸變小。

3系統(tǒng)船底安裝形式基本分析

3.1基本安裝形式

深水多波束探測系統(tǒng)安裝一般采用船底安裝形式，基本為三種方案，如圖1-3所示：

一般情況下，從阻力角度看：內(nèi)嵌式平底安裝，附體阻力沒有增加。導(dǎo)流罩式的凸出船底安裝，凸出高度從450mm到600mm不等（一般由多波束換能器陣的尺寸確定），在設(shè)計航速段增加的附體阻力一般在8%～15%之間，設(shè)計航速下降約0.3～0.5節(jié)不等。貢多拉吊艙式（GONDOLAS）安裝，吊艙體突出船底高度從1300mm到1600mm不等，在設(shè)計航速段增加的附體阻力一般在18%～25%之間，設(shè)計航速下降約0.5～1.0節(jié)不等。所以，從阻力角度首選內(nèi)嵌式平船底安裝。

從多波束探測效果看，一般設(shè)備商首推貢多拉吊艙式（GONDOLAS）安裝方案，該方案對多波束探測效果最好。而從船模試驗數(shù)據(jù)和實際裝船統(tǒng)計結(jié)果看，導(dǎo)流罩式的凸出船底安裝形式，同樣可以取得良好的多波束探測效果。關(guān)鍵在于，船廠安裝的質(zhì)量和對于安裝方式的設(shè)計把控。

一般設(shè)備商會對其多波束產(chǎn)品的安裝環(huán)境提出具體要求，在施工允許的條件下，應(yīng)尊重設(shè)備商的意見。

3.2原船多波束的限制條件

由于被改造原船系為海工船型，船首較寬大，航行期間易產(chǎn)生興波干擾，而興波產(chǎn)生的氣泡易下滑至多波束安裝區(qū)域的船底。

另外船首的2套首側(cè)推裝置和1套升縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器工作時，也易產(chǎn)生氣泡下滑至多波束安裝區(qū)域的船底。但伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的工作時段可以避開多波束的運行，影響較小。

其次，從原船發(fā)電機(jī)組底座前艙壁到船首升縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器之間，僅有的一段機(jī)械振動干擾較小的船底區(qū)域為14檔肋位，從94#～108#肋位如選擇更長的肋位間距段安裝，則應(yīng)充分考慮、評估機(jī)械振動的影響因素，先做現(xiàn)場振動和噪聲值的實測。

以上因素，對于多波束規(guī)格的選擇和安裝將產(chǎn)生一定的限制。而且一旦船底結(jié)構(gòu)施工處理不當(dāng)，則多波束的使用效果將受到影響。因此，在確定安裝方案之前，強(qiáng)調(diào)應(yīng)對船底的噪聲、振動情況作出實測評估。在此基礎(chǔ)上，再做出較合理的安裝方案。

3.3安裝施工方案比較

內(nèi)嵌式平底安裝方案，船體開孔尺寸較大，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)難度大，施工質(zhì)量要求高;導(dǎo)流罩式的凸出船底安裝，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)相對容易，施工簡便，對船體破壞較小;貢多拉吊艙式（GONDOLAS）安裝，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積和阻力大，吃水增加較大。

就改造船而言，綜合考慮安裝和施工因素，應(yīng)選擇導(dǎo)流罩式的凸出船底安裝和貢多拉吊艙式（GONDOLAS）安裝方式，當(dāng)然導(dǎo)流罩凸出船底安裝方式是首選。

3.4理論分析與船模試驗

基于設(shè)計院已有較多科考船及其各類多波束和其它聲學(xué)設(shè)備的設(shè)計安裝經(jīng)歷，也對氣泡的形成原理及其水下走向做過較多的船模試驗，了解氣泡沿船體運動的基本性狀。因此，對于解決多波束避免氣泡干擾問題有自己的獨特理解，并針對性地形成一些設(shè)計專利。這些分析、試驗和專利結(jié)果，已經(jīng)應(yīng)用到近期即將交付使用的“蛟龍”號載人潛水器支持母船“深海一號”船首的形式中。

從船模試驗結(jié)果看，支持我們對導(dǎo)流罩凸出船底安裝方式的判斷：有效的設(shè)計形式可以避免船底氣泡對多波束的干擾。

3.5實船安裝案例

“探索一號”原船也是一艘近海海工船，而且推進(jìn)方式和發(fā)電機(jī)組安裝位置與本船相似。經(jīng)當(dāng)時分析論證了四種安裝形式（包括在船首安裝的考慮），最終選擇的也是導(dǎo)流罩凸出船底安裝形式。近期交付使用的“大洋號”綜合科學(xué)考察船，多波束探測系統(tǒng)采用了導(dǎo)流罩凸出船底安裝形式。前幾年加裝多波束的“海洋四號”船，采用了導(dǎo)流罩凸出船底安裝形式。

從近幾年的實船使用結(jié)果表明，其安裝的深水多波束探測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可以滿足其執(zhí)行各類海洋科學(xué)考察時，對地形探測的使用要求。

4多波束安裝有關(guān)建議

4.1導(dǎo)流罩安裝方式

綜上分析，導(dǎo)流罩凸出船底安裝方式已可以較好地解決船底結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和氣泡干擾問題。所以，建議鉆探保障船深水多波束探測系統(tǒng)，首選導(dǎo)流罩凸出船底安裝形式。如果設(shè)備商對安裝環(huán)境提出明確使用要求，則在施工允許的條件下，應(yīng)充分尊重設(shè)備商的意見。

4.2安裝工程內(nèi)容

水下部件的安裝以及相應(yīng)結(jié)構(gòu)的加裝、船體開孔、局部加強(qiáng)、涂裝施工等工作，整個工作應(yīng)在船塢內(nèi)進(jìn)行。多波束尺寸及其安裝位置，最好選擇在原船船首1/3范圍（94#～108#肋位）內(nèi)船底。如果考慮選擇多波束發(fā)射聲納陣（即沿船長方向）的尺寸較大，則原船測深計程儀艙（在船首93#～94#肋位范圍內(nèi)）的位置需要后移一至二檔肋位?；蛘?，將測深計程儀艙移動到側(cè)面位置。

一般而言，更長的多波束接收聲納陣的尺寸則會伸展到發(fā)電機(jī)組下方。如果安裝，應(yīng)先實測、評估振動噪聲的情況。便于做出合理的多波束安裝方案選擇。

深水多波束探測系統(tǒng)水上系統(tǒng)安裝。主要包括放置聲納主機(jī)各機(jī)柜專用艙室的改造、其它甲板部件安裝以及電纜的走線等工作。建議在中間甲板增設(shè)一間聲學(xué)設(shè)備間。

4.3對安裝環(huán)境的評估

建議對作業(yè)航速下安裝位置的振動與環(huán)境輻射噪聲進(jìn)行測量評估。

測量評估方法：測評人員隨船出航，主機(jī)和發(fā)電機(jī)組啟動后，現(xiàn)場實測振動值和噪聲值，提交評估報告。如有必要，則應(yīng)考慮對原船船體或設(shè)備基座采取一定減震降噪措施，提出建議加強(qiáng)的具體措施方案。

評估工作可委托有測量評估能力的單位進(jìn)行。也可以提請多波束設(shè)備供應(yīng)商提出判斷。

4.4其它考慮

安裝深水多波束探測系統(tǒng)的施工階段選擇，可以與鉆探保障船近期的改造工程同步進(jìn)行;也可以在統(tǒng)籌考慮的基礎(chǔ)上做出安裝預(yù)留。

由于原船兩套首側(cè)推的開口直徑較大，且位置偏低。鉆探保障船在多波束作業(yè)航行階段，首側(cè)推開口附近可能產(chǎn)生部分氣泡下泄，影響多波束探測作業(yè)。因此，可以在船舶運行一段時間后，對首側(cè)推開口的影響程度和是否加裝首側(cè)推封蓋作出判斷。

改造完成后如果船首產(chǎn)生較多氣泡，還可以通過在船首加裝經(jīng)濟(jì)、簡易型非水密斧型首，以達(dá)到減阻和消泡的性能目的。

5多波束安裝成本估算

多波束安裝費用因船廠工藝、成本的不同而有所不同。一般嵌入式安裝施工費用比凸出式安裝費用高約40%至50%。

首側(cè)推孔加封蓋約180萬/1套，2套共計360萬。

如涉及對原船船體或設(shè)備基座采取一定減震降噪措施，則費用另算。

6結(jié)論

（1）鉆探保障船加裝多波束系統(tǒng)，建議安裝方式首選導(dǎo)流罩形式安裝，次選貢多拉吊艙式（GONDOLAS）安裝。如果多波束設(shè)備商有明確的要求，以設(shè)備商的要求為準(zhǔn)。

（2）加裝多波束探測系統(tǒng)后，全船總體性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仍可滿足船級社規(guī)范要求;布置空間可以滿足其設(shè)備安裝及測量作業(yè)的使用需求。

（3）由于多波束系統(tǒng)作業(yè)對背景噪聲及外部振動干擾等要求較高，尚需對本船現(xiàn)有主機(jī)在作業(yè)航速下多波束水下系統(tǒng)所處船體外板附近及關(guān)聯(lián)區(qū)域做振動噪聲測量評估，在獲取有關(guān)數(shù)據(jù)及評估報告后對方案進(jìn)行細(xì)化及完善。

（4）凸出式安裝船體施工費用以船廠的報價為準(zhǔn);首側(cè)推孔加封蓋2套共計360萬。

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