4000kW新型海洋救助船船型方案論證

張鵬翀　王世偉

0引言

隨著國家海洋強國戰(zhàn)略實施和交通強國建設(shè)的深入推進，我國在海上資源開發(fā)、航運發(fā)展和港口建設(shè)等領(lǐng)域迎來新的發(fā)展機遇，對于構(gòu)建國家海上專業(yè)應(yīng)急救助保障體系也提出了更高的要求。但是，海上專業(yè)救助力量目前在救助船舶數(shù)量、性能和結(jié)構(gòu)方面，與海上人命、財產(chǎn)救助的實際需求相比還有一定差距。加快開發(fā)建設(shè)操縱靈活、能夠?qū)嵤┛焖偃嗣戎揖邆渫蠋Ш拖滥芰Φ?000kW新型海洋救助船，既是完善中型救助船型序列的迫切需要，也是加快建成現(xiàn)代化專業(yè)救助體系的迫切需要。4000kW新型海洋救助船主要用于中低海況下沿海水道、島礁等復(fù)雜海域的人命救助和船舶救助，可兼顧高海況下救助任務(wù)，可參與動態(tài)值班待命，具備海上人命救助、拖帶救助、潛水訓(xùn)練支持、對外消防、海上搜救、船與直升機配合、水下搜救及物資供應(yīng)等作業(yè)能力。

1船型選擇

船型選擇應(yīng)根據(jù)目標(biāo)船的服務(wù)海域、主要功能定位、所需的載質(zhì)量、航速、系柱拖力，以及船舶的主要功能、設(shè)備、系統(tǒng)配置等綜合考慮確定。與6000kW、8000kW和14000kW等大型海洋救助船相比，4000kW新型海洋救助船既要保證較小吃水，又要保證相應(yīng)載質(zhì)量。另外，待命點距離服務(wù)海域較近，且對航速要求相對不高，這些條件就決定了目標(biāo)船宜選用稍肥大船型，其船長與船寬比（//B）在4.0～4.5，船寬與型深比（B/D）在2.3～2.4。該船型應(yīng)在船首設(shè)上層建筑甲板室、在艉部設(shè)大面積的救生作業(yè)甲板、在舷側(cè)設(shè)滿足水面吊裝作業(yè)和水下吊裝用的液壓折臂式吊機、在主甲板中部設(shè)置大型液壓拖曳絞車、在羅經(jīng)甲板或消防炮平臺上設(shè)對外消防炮等。該船型動力裝置應(yīng)滿足在自由航行、拖帶、低速航行、定點作業(yè)、消防作業(yè)等多種工況下靈活切換，因此，采用綜合電力系統(tǒng)加全回轉(zhuǎn)舵槳的推進系統(tǒng)較為合適，在該推進技術(shù)下燃油燃燒的充分陛及單位油耗都能達到最佳狀態(tài)。該船型應(yīng)采用動力定位方式，滿足作業(yè)人員在淺灘島礁、港口碼頭等復(fù)雜狹窄海域作業(yè)時的安全性和操縱靈活性的需要。

2主要尺度論證

2.1船長（三）

由于4000 kW新型海洋救助船的服務(wù)海域為沿海和近海，在選擇船長時應(yīng)考慮全年波浪平均跨零周期占多的海況。依據(jù)我國西北太平洋波浪統(tǒng)計資料，北海、東海、南海表觀波長平均值分別約為27m、39m、39m，因此，當(dāng)船長L≥52 m時，波長與船長的比值（λ/L）≤0.75，船體縱搖和升沉幅度不大。從構(gòu)件質(zhì)量和強度考慮，船越長，船舶在水中所受的總縱彎矩也越大，所要求的船體構(gòu)件尺寸也大，船體構(gòu)件鋼料和舾裝設(shè)備質(zhì)量也隨之迅速增加，經(jīng)濟性不高。從布置上考慮，目標(biāo)船型所設(shè)甲板機械設(shè)備和設(shè)施占用甲板面積較大，對船舶長度的分配、排布有一定要求。通過計算，目標(biāo)船型垂線間長應(yīng)選取60.8m（總長69.5m）。

2.2船寬（B）

由于目標(biāo)船型的多項甲板機械設(shè)備設(shè)施均設(shè)于主甲板上，船舶重心較高，作業(yè)時為滿足船體傾角的要求，船舶應(yīng)有足夠的初穩(wěn)心高度，船舶寬度應(yīng)適當(dāng)取大。從船舶運動角度考慮，東海、南海和北海作業(yè)海域平均跨零周期在5～6s，船舶橫搖周期大于此范圍時耐波性能較好，當(dāng)目標(biāo)船型橫搖周期在9～11s區(qū)間，即可滿足作業(yè)要求;同時，橫搖周期與初穩(wěn)心高度具有緊密關(guān)系，從耐波性角度出發(fā)，船舶寬度不宜過大。從布置上考慮，目標(biāo)船型設(shè)備設(shè)施布置的橫向尺寸疊加對于船寬選取有一定的要求。通過計算，目標(biāo)船型船寬應(yīng)選取14.6m。

2.3型深（D）

型深的選擇要滿足最小干舷的要求，在此基礎(chǔ)上還要滿足布置空間、艙容等使用要求，目標(biāo)船型要重點滿足主推進器艙布置、機艙布置以及電纜布置的空間需求。國內(nèi)外同類船型多采用富余干舷，干舷適當(dāng)取高，能夠提高船舶對作業(yè)海況的適應(yīng)能力，避免甲板上浪，有利于作業(yè)安全和作業(yè)效率。同時，型深關(guān)系空船質(zhì)量和強度，從船體構(gòu)件的尺度看，型深對舷側(cè)板、艙壁板及骨架有一定的影響，適當(dāng)加大型深，船體梁的剖面模數(shù)和慣性矩也會加大，對船體總強度和剛度有利。通過計算，目標(biāo)船型型深應(yīng)選取6.9 m。

2.4吃水深度

吃水深度由方形系數(shù)獲得的所需排水量而定，與船體及設(shè)備質(zhì)量、載質(zhì)量取得綜合平衡，增加吃水有利于改善船舶的運動性能。吃水對初穩(wěn)心和搖擺周期也有一定的影響，增加吃水，可以減小初穩(wěn)心高度，進而增加搖擺周期。從作業(yè)海域?qū)δ繕?biāo)船型吃水限制來看，目標(biāo)船型主要航行于沿海水道、島礁等水深較淺的區(qū)域，且需要兼顧部分碼頭水深較淺的救助基地;因此，目標(biāo)船型吃水不宜過大。通過計算，目標(biāo)船型設(shè)計吃水應(yīng)選取4.4m，同時設(shè)置輕載吃水，南方水域吃水應(yīng)選取4.0m，北方水域吃水應(yīng)選取4.2m。

3主推進功率論證

3.1保證快速性

海上應(yīng)急救助力量必須具備快速到達事故現(xiàn)場的能力，因此目標(biāo)船型應(yīng)當(dāng)具備適宜的航速。目標(biāo)船型為中型救助船，以東海救助局待命點最遠相距160n mile為例，假定救助半徑為80n mile，若航速定為15kn，救助船到達時間為5.3h，所需推進功率為4000 kW;若航速定為17kn，救助船到達時間為4.7 h，所需推進功率為6090kW。目標(biāo)船型的救助海域主要為沿海和近海，從救助到達時間和功率配置的經(jīng)濟性考慮，航速應(yīng)取15kn、船尾部推進器功率取4000 kW。救助系統(tǒng)大中型救助船航速情況見表1。

3.2保證系柱拖力

目標(biāo)船型需要拖帶的救助對象主要為漁船和小型貨船。拖帶一艘載質(zhì)量為5萬噸級的難船（油船或散貨船）需約550 kN系柱拖力，在深靜水條件下，目標(biāo)船型拖航速度可達8kn，考慮到風(fēng)阻、港口水流等因素，拖帶的實際航速為6～7kn。一般拖航航速大于5kn是安全的，從拖航安全性角度出發(fā)，根據(jù)同類型船舶的配置情況，推進功率為4000kW的船舶，其系柱拖力應(yīng)取550 kN。

4主推進方式論證

與目標(biāo)船型類似的船型主要采用傳統(tǒng)的柴油機帶軸系和全電力兩類推進方式。與傳統(tǒng)軸系推進方式相比，全電力推進方式具有明顯優(yōu)勢：

（1）可方便轉(zhuǎn)移不同時使用的大功率能源，節(jié)省總裝置功率。全電力驅(qū)動的柴油發(fā)電機組總功率只需滿足全船各個工況中的最大同時使用功率，在低速航行或停泊時可將富余功率用于其他設(shè)備，供電轉(zhuǎn)換十分方便。

（2）優(yōu)化總體布置、合理節(jié)省有效空間。柴油發(fā)電機組是全電力推進的動力裝置，其可以在全船范圍內(nèi)靈活布置，且推進電動機的電能供應(yīng)是通過電纜傳輸?shù)?，這種柔性連接容易得到合理方便的布置。

（3）節(jié)能環(huán)保。柴油發(fā)電機組總能保持滿載運行，無輕載工況，且能保持最佳效率運行，采用電力推進的船舶耗油率低、排放物少。從目標(biāo)船型主推進系統(tǒng)的作業(yè)模式、總體布置和環(huán)保性來分析，采用全電力驅(qū)動方式是4000kW新型海洋救助船的優(yōu)選方案。

5定位系統(tǒng)論證

由于目標(biāo)船型需在狹窄復(fù)雜的淺灘島礁和港口碼頭進行作業(yè)，為了在救助中與難船保持安全距離，提高潛水救助人員的作業(yè)安全，防止二次傷害，建議設(shè)置動力定位系統(tǒng)。此外，為實現(xiàn)在海底石油管線區(qū)域、國際通信電纜區(qū)域、狹窄航道等無法拋錨作業(yè)水域條件下的快速救助，救助船需要配備動力定位系統(tǒng)，使其具備優(yōu)越的操縱靈活性和定位能力，從而提高救助效率。

從動力定位等級設(shè)備配置基本要求（見表1）可以看出：DP-1級動力定位不考慮系統(tǒng)設(shè)計的冗余，僅考慮自動保持船位和艏向即可;DP-2級動力定位相對于DP-1級動力定位來說，除了考慮自動保持船位和艏向外，還需考慮設(shè)備的冗余，避免因單點故障而導(dǎo)致動力定位系統(tǒng)失效;DP-3級動力定位要求更高，相對于DP-2級動力定位，除了考慮設(shè)備的冗余外，還要求冗余的設(shè)備之間通過A60防火艙壁進行分隔。從定位系統(tǒng)的可靠性來說，DP-3級動力定位最高，DP-1級動力定位最低。從設(shè)備成本來考慮，DP-3級動力定位最高，DP-1級動力定位最低，通常只有一些對可靠性要求近乎苛刻的特種工程船舶或鉆井平臺才會采用DP-3級動力定位系統(tǒng)。4000 kW新型海洋救助船采用DP-2級動力定位系統(tǒng)可以使成本與安全可靠性獲得很好的平衡。

6減搖系統(tǒng)論證

目標(biāo)船型是救助巡航、應(yīng)急搜救相結(jié)合的多功能船型，根據(jù)其作業(yè)特點，為保證船舶能在惡劣海況條件下實施有效救助，要求目標(biāo)船型在到達事故現(xiàn)場過程中必須具有良好的耐波減搖性能。參照大型海洋救助船的減搖方式，4000 kW新型海洋救助船的減搖系統(tǒng)適合減搖鰭、減搖水艙、減搖鰭+減搖水艙等3種方式，其中：減搖鰭能夠在5kn航速以上發(fā)揮減搖作用，隨著航速的增加，減搖鰭的作用愈加明顯，其產(chǎn)生的最大減搖效果可達95%;減搖水艙能在全航速下發(fā)揮減搖作用，其產(chǎn)生的最大減搖效果約為40%，但其所需水量約為全船排水量的4%，且水艙的自由液面也減小了船舶的穩(wěn)性;減搖鰭+減搖水艙能在全航速下發(fā)揮減搖作用，但該組合所需水量同樣為全船排水量的4%，水艙的自由液面也同樣減小了船舶的穩(wěn)性。根據(jù)計算評估，目標(biāo)船型在15kn航速下可充分發(fā)揮減搖鰭的減搖作用，且在拋錨、航速低于3kn的工況下，可以依靠固定的舭龍骨進行適當(dāng)減搖，無需減搖水艙。同時，考慮到目標(biāo)船型常常停泊或主機處于低速工況，采用具備零航速減搖功能的減搖鰭，能夠提升船舶在零航速或低航速下的耐波性能。因此，目標(biāo)船型采用具備零航速減搖功能的減搖鰭能夠滿足其使用要求。

7結(jié)語

4000 kW新型海洋救助船為全焊接鋼質(zhì)船體、中長艏樓、流線型船首、巡洋艦式船尾、寬敞的救助作業(yè)甲板、全電力驅(qū)動帶導(dǎo)管全回轉(zhuǎn)推進器，具備DP-2級動力定位和三點錨泊定位能力，適用于中低海況下沿海水道、島礁等復(fù)雜海域的人命救助和船舶救助。按照救助船舶船型系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展思路，將4000 kW新型海洋救助船打造成高性能、環(huán)保型海洋救助船的代表，是加強海洋救助力量、完善海洋救助船舶體系的重要工作，能夠為保障國家戰(zhàn)略實施和交通強國建設(shè)、落實國家總體安全觀、實現(xiàn)應(yīng)急體系現(xiàn)代化、保障我國港口航運發(fā)展發(fā)揮更大作用。