3000米深水起重鋪管船重量控制淺析

陶召平 湯晶 符家恒 周駿

摘 要：深水起重鋪管船的重量重心對船舶運動性能、可變載荷、起吊能力、結(jié)構(gòu)強度等都有一定的影響，是其關(guān)鍵技術(shù)指標之一，必須進行控制。本文介紹了深水起重鋪管船的重量分類，明確了其重量控制級別以及重量和荷載預(yù)估構(gòu)成，并詳細說明了設(shè)計和建造階段的重量控制措施。

關(guān)鍵詞：深水起重鋪管船;空船重量;重量控制級別;重量控制

中圖分類號：U674.3? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）03-0100-04

在全球深水油氣開發(fā)業(yè)不斷發(fā)展和我國建設(shè)海洋強國、推進南海開發(fā)的戰(zhàn)略背景下，海底管道作為油氣輸送的一種重要方式得到廣泛應(yīng)用，深水鋪管、鋪纜等水下作業(yè)裝備的需求潛力很大[1]。深水起重鋪管船以其對惡劣海況的適用性以及在深水海底管線鋪設(shè)中的高效性而具有不可替代的優(yōu)勢，具有廣闊的市場前景。然而國內(nèi)的起重鋪管船起步較晚，大部分船舶都只能進行淺水鋪管。設(shè)計建造該類船舶，重量重心是其關(guān)鍵技術(shù)指標之一，對船舶運動性能、可變載荷、起吊能力、結(jié)構(gòu)強度都有一定的影響[2]，必須進行控制。由于該類船舶船型新穎、系統(tǒng)繁多以及船體結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，其重量控制方法不能直接參照現(xiàn)有的船型執(zhí)行;因此，研究深水起重鋪管船的重量控制技術(shù)有著非常重要的意義。本文將對一艘同時具有S-LAY和J-LAY雙鋪管系統(tǒng)，以及3000m深水鋪管能力和5000t起重能力的自航全回轉(zhuǎn)起重鋪管船的重量控制措施進行分析介紹。

1重量分類

深水起重鋪管船的排水量（總重量）由空船重量、載重量和重量儲備三個大類的重量組成，每個大類又可分為若干小類，簡述如下，具體見圖1所示。

1.1空船重量（Lightweight）

根據(jù)LR規(guī)范[3]，空船重量系指整個船舶的結(jié)構(gòu)重量連同永久安裝于船舶上的機械、設(shè)備和舾裝件，包括固定壓載、備件以及機械和管路中保持正常工作時的液體，但不包括貯存在液艙或備用供應(yīng)艙內(nèi)的液體、消耗品或可變載荷、貯存物品、人員及其個人物品的重量。

1.2載重量（Deadweight）

載重量系指油（水）艙的液體，甲板貨物（如用于鋪管的管段），海管對船體的張力，臨時結(jié)構(gòu)（如月池底蓋），臨時物品，水、雪和冰的堆積，海生物，壓載水，消耗品以及船員和他們的物品等。

1.3重量儲備（Weight reserve）

重量儲備系指由項目參與方控制的附加重量（通常為固定重量），用于適應(yīng)任何對合同設(shè)計概念變更引起的重量增量的需要。重量儲備主要分為業(yè)主重量儲備和承包商重量儲備。

2重量控制級別

ISO標準[4]根據(jù)項目對重量重心的敏感程度，將重量控制級別定義為A、B、C三級，項目設(shè)計建造前期需根據(jù)實際情況確定適用的級別。設(shè)計基礎(chǔ)、最大許可重量及重心標準、概念設(shè)計階段后期建立的重量荷載預(yù)算報告，以及船舶在各種工況下潛在的重量、重心問題評估報告是選擇重量控制級別要考慮的主要因素。選擇重量控制級別的標準見表1。

本文所述深水起重鋪管船是全球第一艘同時具有S-LAY和J-LAY雙鋪管系統(tǒng)以及3000m深水鋪管能力和5000t起重能力的自航全回轉(zhuǎn)起重鋪管船，對重量和重心的敏感性高，且項目設(shè)計、建造和設(shè)備供應(yīng)商等參與方之間的界面遠超6個，其重量控制級別應(yīng)按照A級考慮。

3重量和荷載預(yù)估

從概念設(shè)計階段開始即應(yīng)對船舶各種工況下的總重進行控制，根據(jù)相應(yīng)的載荷工況對船體、上部模塊和單個設(shè)備的重量/重心進行預(yù)估，并編制重量荷載預(yù)算報告以確定項目重量控制目標。此外，重量和荷載預(yù)算報告還用于以下幾個方面的比較和參考：

（1）項目設(shè)計、建造和操作階段的重量、荷載及重心控制與報告;

（2）評估分段、設(shè)備及其支撐結(jié)構(gòu)的承載能力;

（3）整個結(jié)構(gòu)（臨時或永久的）的承受力及穩(wěn)性;

（4）項目總體成本及進度控制。

重量和荷載預(yù)估由不同類別的重量、荷載以及重心坐標組成，根據(jù)ISO標準[4]要求整理的典型重量和荷載預(yù)估構(gòu)成及發(fā)展趨勢如圖2所示。

4設(shè)計及建造過程中的重量控制

深水起重鋪管船的概念設(shè)計、基本設(shè)計、詳細設(shè)計、生產(chǎn)設(shè)計和建造各階段，都應(yīng)嚴格控制空船重量，根據(jù)不同階段的特性，分別制定和采取有效措施，將空船重量控制在目標范圍內(nèi)?；诒疚乃錾钏鹬劁伖艽奶攸c，以下詳細說明了其重量控制程序和重量控制報告的要求，以及設(shè)計和建造階段可采取的重量控制措施。

4.1 重量控制程序

深水起重鋪管船重量控制級別為A級，按照其對應(yīng)的要求，承包商應(yīng)在合同要求的時間內(nèi)制定重量控制程序并與業(yè)主和第三方檢驗機構(gòu)達成一致后予以發(fā)布，以明確承包商和項目各參與專業(yè)在重量控制方面的責(zé)任。重量控制程序作為開展項目重量控制工作的指導(dǎo)文件，包含的主要要求如下：

（1）從事與重量控制有關(guān)的主要人員應(yīng)具有的資質(zhì)、工作背景及經(jīng)驗。

（2）承包商應(yīng)編制并形成計劃文件，以明確各部門的任務(wù)分配、職責(zé)和權(quán)利。

（3）承包商應(yīng)制定重量文件，以明確在項目各階段獲取重量數(shù)據(jù)的方法。 該文件至少應(yīng)包含以下內(nèi)容： ①該程序所涵蓋的項目各階段所用的估算方法;②項目各階段采用的重量儲備（余量）水平;③各種載荷工況下的重心評估;④項目永久和臨時物資的稱重要求;⑤項目不同階段工作的評估，如重量管理原則及各階段重量控制責(zé)任的傳遞等。

（4）除以上各點外，程序還應(yīng)明確其他總體性要求。如：重量控制采用的全局坐標系、全船區(qū)域劃分、重量控制包括的荷載工況、報告所使用代碼的含義以及專業(yè)檢查表等。

4.2 重量控制報告

深水起重鋪管船的重量控制報告應(yīng)系統(tǒng)地匯編形成文件，其內(nèi)容和形式應(yīng)遵循重量控制程序的要求。重量控制報告的更新頻率和形式應(yīng)根據(jù)項目的需要而定，重量控制級別為A級的，更新的頻率建議不少于兩月一次。重量控制報告至少應(yīng)包括以下內(nèi)容：

（1）報告內(nèi)容介紹：包括重量統(tǒng)計所采用的坐標系、代碼含義、涉及的主要單體（專業(yè)）、數(shù)據(jù)截止日期、由其他方提供的重量信息以及荷載工況列表等。

（2）主要摘要：包括項目在數(shù)據(jù)統(tǒng)計截止日期前主要的重量重心匯總數(shù)據(jù)，以及這些數(shù)據(jù)與重量荷載預(yù)算報告之間的比較;所提供的重量應(yīng)反映相應(yīng)的荷載工況及主要單體，需要特殊說明的問題也應(yīng)列入。

（3）各版本重量重心數(shù)據(jù)的匯總與變化趨勢圖：包括所有荷載工況的主趨勢圖，趨勢圖中包括所報告的重量及重量荷載預(yù)估數(shù)據(jù)，必要時干重和操作重量應(yīng)分別列出。

（4）重量變化原因分析：對于當前版本數(shù)據(jù)與重量和荷載預(yù)算報告或之前版本報告存在差異的，在報告中說明原因。

（5）重量和荷載預(yù)估（按需）： 如項目實施過程中需對本文第3章所述的重量荷載預(yù)算報告進行調(diào)整，需列出已知的預(yù)估變化及原因，并詳細分析其影響;對于可預(yù)期的預(yù)估變化和潛在影響，也應(yīng)說明。

（6）重量預(yù)報：為幫助重量管理并對重量發(fā)展趨勢給出早期預(yù)警，重量報告還應(yīng)包括重量預(yù)報，重量預(yù)報主要包括以下內(nèi)容：①重量報告中未包括，但是已批準的設(shè)計變更;②提出但未批準的設(shè)計變更;③復(fù)審中的任何設(shè)計變更;④其他對重量有影響的潛在變化。

（7）完工/稱重數(shù)據(jù)：因深水起重鋪管船重量控制級別為A級，重量控制報告還應(yīng)計入對單重超過1t物資（如鋼材、設(shè)備、電纜、管材和散料等）的稱重數(shù)據(jù);如稱重數(shù)據(jù)與項目前期理論統(tǒng)計數(shù)據(jù)不一樣的，以稱重數(shù)據(jù)為準，并在重量重心分項統(tǒng)計表中注明原因。

（8）詳細的重量重心分項統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其統(tǒng)計表格式見表2。

4.3設(shè)計和建造階段重量控制措施

4.3.1設(shè)計階段的重量控制措施

在滿足合同、規(guī)格書及規(guī)范對安全和船舶功能要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計裕度應(yīng)合理，切忌過于保守引起不必要的重量增加?？傮w、結(jié)構(gòu)、舾裝、輪機、通風(fēng)、管系、電氣和特機專業(yè)均應(yīng)考慮對設(shè)計進行優(yōu)化以減輕重量。設(shè)計階段可考慮的重量控制和優(yōu)化措施如下：

（1）合理進行艙室劃分：在確?？傮w性能的前提下盡量減少液艙的數(shù)量，適當減少設(shè)備艙室、處所的劃分;對于確需劃分的艙室，其邊界盡量與船舶的縱橫結(jié)構(gòu)強構(gòu)件位置重合;建在滿足防火和干濕分隔要求的情況下，盡量減少鋼質(zhì)圍壁的數(shù)量。

（2）總體布置合理平衡：如管系和電纜通過三維設(shè)計選用較短的路徑，其管弄和電纜通道以及其支架盡量共用;舾裝走道在滿足規(guī)范的情況下盡量利用船體原有結(jié)構(gòu)。

（3）采用新型輕質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料：如用玻璃鋼格柵代替鋼格柵;用PPR、PVC管材代替碳鋼管;直升機甲板用鋁質(zhì)成品代替鋼質(zhì)焊接的;用輕質(zhì)甲板敷料代替水泥;管系及電纜支架用鋁合金組合支架代替鋼質(zhì)支架等。

（4）利用有限元分析優(yōu)化設(shè)計：有限元分析工況根據(jù)實際情況進行組合，避免采用所有極限工況的組合，并根據(jù)分析結(jié)果對應(yīng)力較低區(qū)域的構(gòu)件規(guī)格進行優(yōu)化。

（5）利用高強度鋼：對疲勞不敏感區(qū)域的構(gòu)件，采用超高強度或高強度鋼代替普通鋼，以減小板材厚度和型材尺寸。

（6）合理選擇結(jié)構(gòu)形式：如次要構(gòu)件用球扁鋼、扁鋼代替角鋼和T型材，主要構(gòu)件選用腹板高厚比較大的T型材，其端部連接用圓弧或者折角過渡代替肘板;以及上建圍壁用槽型艙壁代替平板加筋的形式等。

（7）優(yōu)化基座設(shè)計：設(shè)備基座及加強盡量利用船體原有構(gòu)件;許可的情況下以墊板形式代替基座;需設(shè)置基座的盡量降低其高度;若非必要，盡量用間斷的點狀基座代替連續(xù)的長條形基座。

（8）在允許的艙壁或構(gòu)件上通過多開減輕孔等方式以減輕重量。

4.3.2建造階段的重量控制措施

建造階段若不嚴格控制重量，將會引起空船重量的顯著增加。船舶建造過程中的重量控制措施，可從以下幾個方面考慮：

（1）做好重大節(jié)點的重量重心掌控：起重鋪管船入塢、下水和傾斜試驗等重大階段，承包商應(yīng)編制階段重量報告遞交業(yè)主、設(shè)計和第三方檢驗機構(gòu)審查，發(fā)現(xiàn)問題及時糾正，避免把問題帶入項目的下一階段[5]。

（2）按圖施工減少修改：生產(chǎn)設(shè)計或建造若修改了詳細設(shè)計，尤其是引起重量增加的項目，須經(jīng)業(yè)主批準后再實施。

（3）精細控制：每張生產(chǎn)設(shè)計圖紙應(yīng)計算設(shè)備、材料的重量，并匯入重量報告。

（4）物資申購時考慮重量控制：申購單或技術(shù)協(xié)議中明確重量控制要求，并嚴格要求到貨重量和理論重量的偏差;鋼板和管材嚴格控制正公差，對于非敏感區(qū)域考慮使用負公差。

（5）精確開展現(xiàn)場稱重工作：嚴格執(zhí)行標準，對到貨后的物資（如鋼材、設(shè)備、電纜、管材和散料等）進行稱重，與理論重量對比并記入重量報告，對于超重的物資要求供應(yīng)商進行整改。

（6）嚴格控制材料代用：通常不建議材料代用;若需要材料代用，應(yīng)盡可能采用同等材質(zhì)、同等強度和同等重量的代用;若必須采用以大帶小或以厚代薄等會導(dǎo)致重量增加的代用，應(yīng)評估其影響并經(jīng)業(yè)主、設(shè)計和第三方檢驗機構(gòu)批準后再實施。

（7）建造過程中不得隨意增加肘板、管支架、墊板、補板等永久結(jié)構(gòu)，若確需增加，需評估其對重量的影響，并經(jīng)業(yè)主批準后再實施。

（8）建造過程中臨時使用的支架、馬腳、吊耳等在使用完成后應(yīng)割除和打磨。

5結(jié)語

重量重心是深水起重鋪管船的關(guān)鍵技術(shù)指標之一，對船舶運動性能、可變載荷、起吊能力以及結(jié)構(gòu)強度等都有一定的影響，必須高度重視和予以控制。本文采用圖文結(jié)合的方式，梳理了深水起重鋪管船的重量分類，明確了其重量控制級別以及重量和荷載預(yù)估構(gòu)成，并詳細說明了設(shè)計和建造階段的重量控制措施，以便深水起重鋪管船的空船重量從設(shè)計和建造各階段都能得到有效控制，避免交船完工時才發(fā)現(xiàn)船舶超重造成損失。同時，對后續(xù)類似船舶設(shè)計建造的重量控制，亦提供了可借鑒的經(jīng)驗。

參考文獻：

[1]徐曉麗，劉健奕，張輝.鋪管船市場需求與技術(shù)趨勢分析[J].船舶物資與市場，2016（05）：31-33.

[2]劉海霞.深水半潛式鉆井平臺的重量控制探述[J].中國海洋平臺，2011，26（6）：9-15.

[3]Lloyds Register. Rules and Regulations for the Classification of Ships[S]， 2013.

[4]International Organization for Standardization. Petroleum and Natural Gas Industries — Specific Requirements for Offshore Structures， Part 5： Weight Control During Engineering and Construction [S]. 2016.

[5]王凱哥，周晶，尹東亮.大型船舶現(xiàn)場建造期間的重量重心控制[J].裝備制造技術(shù)，2016（06）：181-182.

基金項目：項目名稱“深水鋪管船雙鋪管系統(tǒng)與起重機協(xié)同作業(yè)技術(shù)研究”（編號19XD1433400）;項目委托單位：上海市科學(xué)技術(shù)委員會;項目承擔單位：上海振華重工（集團）有限公司。