雙體式工程船壓載調撥系統(tǒng)設計

姚堂毅，梁玉鑫，黃秋云，蔣勇剛，彭秀清

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715）

0 引言

近年來，海洋資源的大力開發(fā)和利用為各種海洋工程裝備的設計和制造創(chuàng)造了有利條件。雖然不同海洋工程裝備的功能各不相同，但為應對復雜的海洋環(huán)境，都采用壓載技術。在船舶航行過程中，設計優(yōu)良的壓載系統(tǒng)能有效保證船舶處于良好的航行狀態(tài)，延長其使用壽命，削減海水對其產(chǎn)生的不利影響，如防止船體受力不均，防止船體結構出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象或撓曲變形現(xiàn)象等。在建造船舶時會在其內部設置一些壓載艙，并在航行過程中對其進行壓載，使其達到一定的吃水狀態(tài)，提高其在航行狀態(tài)下的抗風浪能力，以及在復雜海況下的生存能力[1]。此外，在船舶航行過程中，還需隨時對其狀態(tài)進行監(jiān)測，對各艙內的壓載水進行互動調撥，保證船體處于平衡狀態(tài)。

1 壓載水系統(tǒng)布置方式

壓載水系統(tǒng)通常分為常規(guī)壓載水系統(tǒng)和專業(yè)壓載水系統(tǒng)2類。常用的壓載水系統(tǒng)布置方式主要有支管式、總管式、環(huán)形總管式、管隧式和半管隧式等5種。壓載水系統(tǒng)的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 適應各種壓載狀況，保持適當?shù)呐潘?、吃水深度、縱傾和橫傾，保證船舶具有一定的航行性能；

2) 保持適當?shù)姆€(wěn)性，獲得適當?shù)膹驮Γ?/p>

3) 減小過大的彎矩和剪切力[1]。

各種常用壓載水系統(tǒng)布置方式的優(yōu)缺點對比見表1[1]。在設計壓載水系統(tǒng)布置方式時，應結合表1，根據(jù)實際設計船型的特點進行選擇。

表1 各種常用壓載水系統(tǒng)布置方式的優(yōu)缺點對比

2 雙體船的結構特點

2.1 結構形式設計

本文所述雙體船為全焊接鋼質船，主船體采用雙體船設計形式，結構見圖1，兩側單體通過中間的4個箱型跨梁結構連接。該船長190.4m，型寬75.0m；單體高約14.7m，寬9.1m。機艙布置在艉部，壓載艙和輔機艙布置在舯部，側推艙布置在艏部。在浮運標準沉管（深水航道）工況下，要求航速不低于5kn，且具備 DP-1 動力定位功能。上層建筑布置在艏部第二個跨梁上。該船主要用于在“深中通道”工程中對水下隧道沉管構件進行運輸和安裝，具有攜帶沉管出塢，并將其浮運到施工水域進行沉放和安裝的功能。

圖1 船體結構示意

2.2 壓載艙布置特點

該船每個單體寬9.1m，兩端各有2臺側推裝置。每個單體內有12個壓載艙，成2層結構布置，分別布置在雙層底和2100甲板層，底層壓載艙布置見圖2，上層壓載艙布置見圖3。雙層底內從艏部到艉部依次布置有1～7號壓載艙；上層2100甲板從艏部到艉部依次布置有8～12號壓載艙。壓載艙的容量具有上層大、下層小、中間大和兩端小的特點，有利于保持船舶在工作過程中的穩(wěn)定性。

圖2 底層壓載艙布置圖

圖3 上層壓載艙布置圖

3 壓載方式選擇和設計

3.1 壓載方式選擇

該船的總壓載艙容約為18070m3。考慮到單片船體的結構空間有限和各壓載艙的布置位置距離較大，輔機艙布置在中部，并處在大壓載艙之間，距離兩端較遠。根據(jù)自動化需求和集中控制需要，考慮到在輔機艙對壓載控制閥進行集中控制和保養(yǎng)比較方便，對比各壓載布置方式的特點，選定該船壓載水系統(tǒng)的壓載方式為支管式，控制閥集中在輔機艙調控。該船的壓載艙較多，作業(yè)環(huán)境復雜，作業(yè)精度要求較高，除了配備壓載泵以外，還需配備掃艙泵和側推系統(tǒng)，以提高吸干能力和定位精度。壓載泵的排量取決于注排水所需時間，一般取

排水時間根據(jù)不同船型進行選擇[2]。掃艙泵的排量主要取決于剩余壓載水量，一般取

式(1)和式(2)中：Q為泵總排量；A為總壓載水量；T為所需排水時間；q為掃艙泵排量；t一般取0.1～0.2。

3.2 壓載水系統(tǒng)設計

3.2.1 壓載管路

該船具有自航功能，根據(jù)設計要求，輕載吃水為6.6m，浮運吃水為7.1m，結構吃水為7.5m，能在浮運沉管工況下抵抗速度為1.6kn的橫流。根據(jù)設計參數(shù)和要求，該船的壓載水系統(tǒng)結構由壓載水艙、壓載水泵和遙控閥集控箱等部件組成。左右船體系統(tǒng)對稱布置，其中左側壓載管路設計見圖4。

在左右單體輔機艙內各布置3臺壓載泵，每臺泵的排量為600m3/h。在控制室內對各壓載泵進行啟/?？刂啤ＴO計壓載管路采用支管式系統(tǒng)，各壓載艙注/排口通過支管與總管相連，各壓載水艙的吸口安裝在靠艉側的最佳位置處。根據(jù)艙容和注/排的時間要求，設計注/排管路通徑為DN300，并對沉浸在壓載艙內的壓載管路進行加厚處理。設計時，將上層壓載艙的注/排口巧妙地安裝在壓載艙底部，注/排管路從底部開孔，以便所有的壓載水都能排出，從而減少上層壓載艙的掃艙管路布置，優(yōu)化系統(tǒng)。所有壓載管路都巧妙地設計在上層較大的壓載艙內，緊湊排列，方便安裝和后期檢修維護；管路設計平直，斷管位置較少，以優(yōu)化管路布局[2]。

3.2.2 掃艙管路

雖然掃艙管路不是必須的設計，但該船的壓載管徑較大，無法使壓載水徹底排除，因此在為該船設計壓載系統(tǒng)時，同時設計掃艙管路系統(tǒng)。結合壓載艙的上下布置結構特點，只有下層壓載艙會產(chǎn)生積液，因此該船的掃艙管路系統(tǒng)設計在下層的壓載艙內，每臺掃艙噴射泵的排量為100m3/h，掃艙系統(tǒng)管路采用管徑為DN125的無縫鋼管。由于該船作業(yè)的特殊性，自動控制要求較高，因此該支管式壓載水系統(tǒng)控制閥均采用液壓式遙控蝶閥。該船的平衡調節(jié)可通過利用壓載泵和相關壓載艙的遙控液動蝶閥控制排水或注入來完成。

圖4 壓載管路設計圖（左）

4 壓載調撥和控制

4.1 空載整體調控

該船設計輕載吃水6.6m，需進行沉管浮運和安裝下放連續(xù)作業(yè)，設計浮運吃水7.1m。在輕載狀態(tài)下，向左右船體對稱布置的壓載艙同時注入壓載水，以保證船體平衡。下面以左舷壓載艙注水為例說明具體的壓載工作流程（見圖5）。在輕載吃水狀態(tài)下，壓載水艙的注水過程分為上、下2個階段。

圖5 壓載順序流程圖1

1) 第一階段為下層壓載艙注水。調整注水順序為：先是No.6壓載艙和No.7壓載艙（左），然后是No.5壓載艙（左）、No.3壓載艙（左）、No.4壓載艙（左）、No.2壓載艙（左）和No.1壓載艙（左）。No.5壓載艙（左）和No.2壓載艙（左）兼具船舶縱傾狀態(tài)調整功能，因此應通過改變相應的壓載注/排管路遙控閥的開度來控制并調節(jié)注水的速度和壓載水量。

2) 第二階段為上層壓載艙注水。調整注水順序為：先是No.12壓載艙（左），然后是No.10壓載艙（左）、No.11壓載艙（左）、No.9壓載艙（左）和No.8壓載艙（左）。No.12壓載艙（左）和No.8壓載艙（左）兼具船舶縱傾狀態(tài)和橫傾狀態(tài)微調整功能，因此這2個壓載艙可通過調控相應的壓載注/排管路的閥門來控制并調節(jié)注水的速度和壓載水量。

由于上層壓載艙比較大，且艏、艉各有2臺側推裝置，因此在輕載狀態(tài)下，各艙壓載在滿足船舶設計的輕載吃水深度要求的情況下，需同時使各側推裝置完全浸沒在水中，保證側推系統(tǒng)的性能和船舶的整體調控狀態(tài)。滿足壓載狀態(tài)要求之后，輸出壓載艙均留有自由液面，處于未滿狀態(tài)，應隨時監(jiān)控液面的狀態(tài)，動態(tài)調控船舶的整體狀態(tài)，使其滿足定位和浮運工況的要求[3]。該船壓載水系統(tǒng)的不足之處是只能實現(xiàn)單片船體內壓載艙前后調撥。雖然2個片體之間的壓載水無法實現(xiàn)互相調撥，但在沉管作業(yè)過程中會選擇有利的水文條件，船體受大面積橫流影響的情況不多，同時可通過艏部和艉部的側推系統(tǒng)及絞車定位系統(tǒng)進行平衡，因此該壓載系統(tǒng)能滿足使用要求，對作業(yè)要求的影響不大。

4.2 負載狀態(tài)調控

該船在浮運狀態(tài)下的吃水為7.1m。在準備浮運沉管時，需根據(jù)沉管的位置調整船舶的吃水狀態(tài)和位置，定位到合適的位置并與沉管接駁。接駁沉管之后，將沉管運送到施工地點進行沉放安裝作業(yè)。在浮運沉管過程中，由于沉管兩端是密封的，巨大的橫截面會在水下與水流產(chǎn)生對流阻力，在這種狀態(tài)下，船體艏部會產(chǎn)生向下的不均衡力，導致艏部下沉較多，因此需時刻監(jiān)測船體的吃水狀態(tài)，及時調整各艙的壓載狀況，以平衡不均衡載荷的作用，從而保證船舶安全運行。在負載狀態(tài)下，下層壓載艙的容量較小，基本上處于滿壓載狀態(tài)，只能通過上層壓載艙實現(xiàn)對船舶浮運航行狀態(tài)的調控。

各壓載艙的壓載調節(jié)應左右同時進行，壓載流程見圖6，仍以左舷壓載艙為例。在負載吃水狀態(tài)下，壓載艙的整體調整注水順序為：先是No.12壓載艙（左），然后是No.10壓載艙（左）、No.11壓載艙（左）、No.9壓載艙（左）和No.8壓載艙（左），其中No.11壓載艙（左）和No.9壓載艙（左）兼具調壓載功能。當艏部產(chǎn)生向下的不均衡力時，通過調撥前后艙的壓載水量，使船舶達到配重平衡狀態(tài)。將艏部的No.8壓載艙（左）和No.9壓載艙（左）的壓載水調撥到艉部的No.11壓載艙（左）和No.12壓載艙（左），以平衡船舶的受力狀態(tài)。因此，在浮運狀態(tài)下通過壓載調撥和側推系統(tǒng)的配合控制，保證船舶的整體狀態(tài)最佳，使其滿足浮運和安裝作業(yè)的要求。

圖6 壓載順序流程圖2

4.3 調控閥門控制系統(tǒng)

該船的壓載調撥涉及的控制閥門較多，壓載艙調載量較大[4]。由于整船聯(lián)合自動調控的性能要求較高，該壓載調撥系統(tǒng)閥門采用電液聯(lián)合控制，不僅能利用整體式控制結構實現(xiàn)對船體的靈活操作和控制，而且能優(yōu)化壓載調撥系統(tǒng)的管路設計布局。整個控制系統(tǒng)由計算機、測控柜、電液遙控閥、液位傳感器、通信電纜和不間斷電源（Uninterruptible power supply, UPS）等部件組成。測控柜作為主要的信號監(jiān)測和控制裝置，布置在輔機艙內，距離調控的閥門最近，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。計算機布置在集控室內，方便對各艙系統(tǒng)整體進行實時監(jiān)控。

4.3.1 系統(tǒng)原理

壓載調撥系統(tǒng)的閥門控制系統(tǒng)見圖7。當測控柜接收到液位傳感器監(jiān)測到的液位信號時，通過以太網(wǎng)系統(tǒng)將其傳遞到計算機界面上顯示。通過對比分析目標信號來驅動遙控蝶閥進行啟閉動作[5]。閥門具有定位功能，通過信號反饋閥門的開閉狀態(tài)。通過傳感器監(jiān)測壓載艙內的液位，當達到預定壓載量時，檢測器發(fā)出信號，測控柜接收到該信號之后，根據(jù)計算機的指令控制蝶閥停止動作或關閉。管路的啟閉狀態(tài)和艙室水位壓載情況通過傳感器信號反饋給控制顯示器[6]。信號經(jīng)測控柜和計算機對比分析，保證系統(tǒng)滿足控制要求。系統(tǒng)的閥門具有斷電自鎖功能，閥門斷電時保持當前的位置狀態(tài)，緊急線路可實現(xiàn)閥門的遠程手動控制。

圖7 閥門控制系統(tǒng)圖

4.3.2 管路和傳感器布置安裝

該船的閥門測控柜、壓載泵和電液遙控碟閥等控制裝置均設置在輔機艙內，各閥的控制動力均為液壓驅動力，通過液壓管與測控柜連接。通過艙內的傳感器和四角吃水監(jiān)測液位，利用傳感器信號進行反饋控制；壓載艙內的傳感器采用低位雙傳感器安裝模式，每個艙底部設置1臺液位傳感器，安裝位置距艙底大于150mm。所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)均通過集控室內的計算機實時監(jiān)控顯示。

5 結 語

本文所述壓載調撥系統(tǒng)設計經(jīng)多方研究論證，不僅滿足沉管作業(yè)的要求，而且能為同類型船舶的設計提供借鑒。該壓載調撥系統(tǒng)可應用于雙體式海底沉管運輸及安裝作業(yè)中，其設計既能協(xié)調操作，又相對獨立（單片船體內相對獨立）；該系統(tǒng)的整體操作性能會在后續(xù)的實船應用過程中進行檢驗，取得的設計經(jīng)驗和實踐參數(shù)能為后續(xù)類似船舶的系統(tǒng)優(yōu)化設計提供參考。