“華西900”起重/鋪管船改造設(shè)計(jì)

韓紹湖

(天津?yàn)I海博泰海事工程技術(shù)有限公司，天津 300451)

“華西900”起重/鋪管船改造設(shè)計(jì)

韓紹湖

(天津?yàn)I海博泰海事工程技術(shù)有限公司，天津 300451)

文章介紹了起重/鋪管船“華西900”在改造設(shè)計(jì)工作中主要的船舶性能、作業(yè)要求、改造后遵循的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、改造方式以及錨泊定位系統(tǒng)改造等內(nèi)容。

起重/鋪管船改造;錨泊定位；設(shè)計(jì)

“華西900”起重/輔管船為單一起重能力900 t的全回轉(zhuǎn)起重船，由于海洋工程結(jié)構(gòu)物的大型化、深水化發(fā)展以及近岸海洋工程市場低迷，該船已經(jīng)失去了競爭能力。船東根據(jù)對(duì)我國渤海、東海以及東南亞海洋工程市場的調(diào)研情況，決定改造此船，增加鋪設(shè)單節(jié)點(diǎn)鋪管作業(yè)線、增加40名作業(yè)人員并對(duì)原船主吊機(jī)加以優(yōu)化，使其起重能力達(dá)到1 000 t以上，并具備起重、鋪管、居住三重能力。

1 船東的改造要求

1.1 航區(qū)以及作業(yè)環(huán)境

本船定位于中國東海、渤海以及東南亞、波斯灣等淺水海域進(jìn)行作業(yè)，航行及作業(yè)水域的限制條件如下。

1)無限航區(qū)拖帶調(diào)遣。

2)鋪管作業(yè)環(huán)境：作業(yè)水深8～200 m；波高2.5 m；風(fēng)速17.2 m/s；流速1.286 m/s。

3)起重作業(yè)環(huán)境：作業(yè)水深8～150 m；波高2.0 m；風(fēng)速10.7 m/s；流速1.286 m/s。

1.2 鋪管作業(yè)能力(單節(jié)點(diǎn))

鋼管管徑范圍(含涂層)，101.6～1 524.0 mm ；管節(jié)長度，12.20 m；最大鋼管質(zhì)量，≤30 t；甲板整體存管約3 000 t。

要求本船設(shè)置鋪管主作業(yè)線8個(gè)站。其中包含對(duì)中焊接站1個(gè)，焊接站3個(gè)，NDT焊接檢驗(yàn)站一個(gè)，噴砂防腐站3個(gè)。

1.3 起重作業(yè)能力

艉吊固定，1 050 t；全回轉(zhuǎn)，400 t。

1.4 船級(jí)社及掛旗國

要求本船入級(jí)美國船級(jí)社，懸掛新加坡旗，并取得如下船級(jí)符號(hào)：ABS★A1, Barge ,Circle-E, Circle-M, Crane CRC, Accommodation, Pipe Laying, HELIDK。

2 改造設(shè)計(jì)思路及方案制定

“華西900”原船為雙底、雙舷側(cè)散貨船，改造為非自航、縱骨架式900 t能力的全回轉(zhuǎn)起重駁船，設(shè)單層強(qiáng)力甲板，雪橇形船首，折線形船尾，舭部設(shè)有圓弧。900 t起重能力的全回轉(zhuǎn)起重機(jī)位于艉部，船首設(shè)有4層能容納198名船員及施工人員(特種人員)起居的居住甲板室以及駕駛室，直升機(jī)平臺(tái)位于艏部居住甲板室上方。設(shè)于艉部的2只舵槳推進(jìn)器用于本船作業(yè)時(shí)進(jìn)行短距離移位以及輔助調(diào)遣航行。該船主要從事海岸港口、橋梁以及人工島建設(shè)、海洋工程等起重安裝作業(yè)。原船入級(jí)意大利船級(jí)社并持有特種用途船證書。

原船主要尺度及參數(shù)：總長，134.80 m；設(shè)計(jì)水線長，134.80 m；型寬，32.26 m；型深，10.30 m；設(shè)計(jì)吃水，6.10 m；結(jié)構(gòu)吃水，6.80 m；船員定員，68人；特殊人員，130人。

起重機(jī)具備旋轉(zhuǎn)、起升以及回轉(zhuǎn)能力，尾吊時(shí)主吊鉤能力，900 t×30 m；回轉(zhuǎn)吊時(shí)主吊鉤能力，400 t×30 m。

“華西900”原船外觀見圖1。

圖1 “華西900”原船外觀

根據(jù)船東對(duì)原船低成本改造原則，制定如下改造方案。

1)在原船的右舷增加約8 m寬的船體安裝鋪管作業(yè)線，保持原船的長度和型深不變。在新加船體的船尾布置固定式托管架。

2)在新加船體的頂部布置鋪管罩，以遮蔽鋪管作業(yè)。

3)對(duì)原船的艏樓甲板加以改造，切除并減小右舷的部分艙室改為鋪管作業(yè)區(qū)，艏樓甲板以上的四層甲板室保持不變。

4)使鋪管罩頂部與艏樓甲板平齊，艏部布置管線收放絞車、救生艇筏以及主吊機(jī)鉤箱、吊臂擱置架等；艉部布置托管架起升絞車；其余鋪管罩頂部設(shè)計(jì)為存放設(shè)備或貨物的載貨甲板。

5)根據(jù)美國船級(jí)社以及掛旗國新加坡的同意，避免船員艙室的重大改造，本船將持有海上移動(dòng)平臺(tái)證書取代特殊用途船證書。

6)加寬的船體結(jié)構(gòu)艏部考慮增加2臺(tái)75 t的錨絞車，使整船的錨泊定位絞車增加至10臺(tái)；鋪管作業(yè)線的所有變頻器控制柜、變壓器房布置在中部；其余艙室考慮為壓載水艙、調(diào)載水艙以及燃油艙等，新增邊艙的布置應(yīng)考慮海上移動(dòng)平臺(tái)規(guī)則對(duì)破艙穩(wěn)性的要求以及燃油艙的保護(hù)。

7)在原船主甲板左舷設(shè)置管線儲(chǔ)存區(qū)，儲(chǔ)藏大約3 000 t的管子，并設(shè)有存管立柱加以支撐。

8)原船的錨泊布置根據(jù)規(guī)范適當(dāng)調(diào)整；根據(jù)新的電力負(fù)荷將原船發(fā)電機(jī)更換為5臺(tái)康明斯1 450 kW的發(fā)電機(jī)。

9)對(duì)主吊機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，使其最大起重能力達(dá)到1 050 t。

3 改造后總體布置方案及鋪管性能

3.1 總體布置

根據(jù)上述船東要求以及改造方案的原則，加寬船體增加鋪管作業(yè)線后的總體布置方案如下。

1)主船體加寬示意圖，見圖2。

圖2 主船體加寬示意圖

在原船體右舷加寬8.74 m，甲板上布置鋪管作業(yè)線及鋪管罩，甲板下設(shè)壓載艙、絞車艙、燃油艙、變頻器及變壓器室等；設(shè)有邊艙及雙層底；艉部設(shè)鋪管坡度為7°的局部甲板。

2)托管架及鋪管罩布置示意圖，見圖3。

圖3 托管架及鋪管罩布置示意圖

托管架：艉部布置2節(jié)托管架以保證8～200 m水深下，鋪設(shè)101.6～1 524.0 mm管線；托管架依靠布置艉部鋪管罩上2臺(tái)45 t起升絞車通過艉部門架進(jìn)行收放。

鋪管罩：在新加寬主船體甲板上增設(shè)鋪管罩，高度7.4 m，覆蓋整個(gè)船長范圍，鋪管罩內(nèi)鋪管設(shè)備總成及相關(guān)作業(yè)站參見下節(jié)“鋪管性能”。

船舶改造后，具備200 m以下水深鋪管、150 m水深以下起重的功能，同時(shí)利用現(xiàn)有的艙室布置將住艙人數(shù)由198人提高至238人，船寬由32.26 m加寬至41.00 m，其余尺度不變。

為降低改造成本，加寬的船體將在原船右舷側(cè)與原船焊接而成，此時(shí)原船右舷的外板將成為內(nèi)部縱艙壁板。加寬船體與原船的連接位置見圖4。

圖4 船體改造后典型橫剖面圖

3.2 鋪管性能

本船的鋪管作業(yè)線為上海振華重工(集團(tuán))有限公司設(shè)計(jì)及制作，該作業(yè)線根據(jù)總體布置要求設(shè)置在主甲板的右舷側(cè), 通過縱向輸送線、橫向輸送線和主作業(yè)線完成管段的焊接和輸送。

本船設(shè)置鋪管主作業(yè)線8個(gè)站，其中包含對(duì)中焊接站1個(gè)，焊接站3個(gè)，NDT焊接檢驗(yàn)站1個(gè)，噴砂防腐站3個(gè)。鋪管作業(yè)線總成設(shè)備見表1。

表1 鋪管作業(yè)線總成設(shè)備列表

托管架的上面有滾輪組作為管線的支撐，當(dāng)被鋪管線從船上徐徐向下進(jìn)入托管架時(shí)，該滾輪組即為管線的下水滑道，管線通過托管架即敷設(shè)于海底。當(dāng)敷設(shè)水深增加時(shí)，則托管架用于支撐管線離開船尾后的上彎段部分，而下彎段部分則仍按管線自然下垂彎曲敷至海底。

控制鋪管的主操作中心放置在駕駛橋樓甲板上的鋪管控制室內(nèi)。控制臺(tái)有一個(gè)帶紅綠燈的模擬面板，以顯示每個(gè)工作站的情況。來自張緊器、管線收放絞車、對(duì)中站及托管架最后滾輪組的可視系統(tǒng)監(jiān)視器等都集成在鋪管控制室內(nèi)。作業(yè)線上的工作站都裝有由控制臺(tái)操作的聲光報(bào)警系統(tǒng)。管段移動(dòng)過程中控制系統(tǒng)與電子報(bào)警系統(tǒng)相連(燈光與警鈴)。張緊器及收放絞車也在鋪管控制室和絞車控制室控制。

另外在鋪管罩內(nèi)設(shè)有行車系統(tǒng)，并在相關(guān)作業(yè)站設(shè)有自動(dòng)焊機(jī)、消磁機(jī)、坡口機(jī)、內(nèi)對(duì)中器、無損探傷設(shè)備及涂敷設(shè)備等。

4 錨泊定位性能

本船應(yīng)對(duì)起重狀態(tài)以及鋪管狀態(tài)的錨泊定位能力進(jìn)行分析，鋪管船的錨泊定位與起重船有非常大的不同，鋪管船在作業(yè)時(shí)錨泊能力應(yīng)考慮管線對(duì)船舶的拉力及風(fēng)浪流對(duì)船舶產(chǎn)生漂移位拉力的聯(lián)合作用，錨泊能力比單純的起重船增加了很多，因此本船增加了2臺(tái)定位/移位錨絞車，共設(shè)置10臺(tái)750 kN電動(dòng)變頻定位錨絞車。錨系分布在船的艏艉兩舷處，控制船舶的前進(jìn)、后退及左右移位；以及完成沿鋪設(shè)管線的方向移位。

錨泊計(jì)算滿足船東要求的環(huán)境條件要求以及船級(jí)社對(duì)錨泊分析的要求，特別是滿足單錨失效后的整體定位能力(此時(shí)采用10錨定位系統(tǒng))。鋪管狀態(tài)仍采用8錨定位系統(tǒng)，系泊模型見圖5，數(shù)字1～8表示系泊纜繩。計(jì)算結(jié)果見表2。

圖5 鋪管狀態(tài)系泊模型示意圖

根據(jù)鋪管作業(yè)環(huán)境進(jìn)行錨泊計(jì)算時(shí)，考慮8錨定位能力(風(fēng)暴條件下考慮10錨定位)，本次改造新增加的750 kN電動(dòng)變頻定位錨絞車考慮應(yīng)用于管線的拉力作用。其余8臺(tái)錨絞車及錨考慮為定位作用，錨絞車支持負(fù)載2 200 kN，鋼絲繩最小破斷負(fù)荷2 290 kN，定位錨采用大抓力德爾泰錨，錨質(zhì)量8 000 kg。通過計(jì)算浪向270°時(shí)，3號(hào)纜繩受力最大，但錨泊系統(tǒng)仍有2倍的安全系數(shù)，滿足系泊要求。

表2 150 m水深時(shí)不同狀態(tài)起重/鋪管船系泊力最大值統(tǒng)計(jì)示例

5 主要關(guān)鍵技術(shù)研究

5.1 船員艙室

本船原為特種用途船，執(zhí)行國際特種用途船安全規(guī)則(SPS2008)，船員艙室執(zhí)行勞工組織標(biāo)準(zhǔn)ILO92/133。本次改造由于船員艙室的修改以及船員人數(shù)的增加，船員艙室設(shè)計(jì)將按照已經(jīng)生效的勞工組織2006標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改造，改動(dòng)量非常大，在艙室不改變的前提下居住人數(shù)會(huì)大大減少，為了避開上述標(biāo)準(zhǔn)，本船改造的法規(guī)將執(zhí)行海上移動(dòng)平臺(tái)規(guī)則，避免船員艙室的重大改建。

5.2 美國船級(jí)社對(duì)鋪管船穩(wěn)性的要求

自2015年以后，美國船級(jí)社規(guī)范加入了對(duì)鋪管船的要求，該規(guī)范對(duì)穩(wěn)性要求如下。

1)考慮管線收放絞車最大設(shè)計(jì)自持力平衡后的船舶最終水線，將不能超過任何風(fēng)雨密開孔的下緣。

2)考慮管線收放絞車最大設(shè)計(jì)自持力平衡后的恢復(fù)力臂曲線必須有20°范圍內(nèi)的正值。

3)考慮管線收放絞車最大設(shè)計(jì)自持力平衡后的恢復(fù)力臂，在20°范圍內(nèi)不小于100 mm。

4)穩(wěn)性范圍內(nèi)的所有開孔為風(fēng)雨密。

由于上述計(jì)算沒有先例，任何專業(yè)程序還沒有嵌入上述要求，通過研究并通過編制外掛命令流程序，我們解決了上述計(jì)算鋪管船穩(wěn)性問題。

5.3 鋪管罩強(qiáng)度

鋪管罩為沿船長布置的、對(duì)鋪管作業(yè)進(jìn)行遮蔽的鋼結(jié)構(gòu)圍壁。由于本船主船體總縱強(qiáng)度有一定的裕度，在改造設(shè)計(jì)時(shí)不希望鋪管罩參與，從而減小鋪管罩的結(jié)構(gòu)尺度。但由于美國船級(jí)社規(guī)范對(duì)不參與總縱強(qiáng)度的最低長度限定在0.14L以下(L為船長)，從而對(duì)艏部的海管輸送區(qū)的鋪管罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出嚴(yán)格的要求，一方面為了鋪管區(qū)的完整性不希望對(duì)鋪管罩進(jìn)行拆分，另一方面為了消除總縱強(qiáng)度的影響要求拆分鋪管罩。

為了解決上述矛盾，對(duì)總縱強(qiáng)度影響小的區(qū)域采用完整式，對(duì)影響大的區(qū)域采用拆分式，從而減輕鋪管罩的結(jié)構(gòu)重量。

5.4 托管架支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

對(duì)于鋪管船，托管架的支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度保證是非常重要的一環(huán)，其中也發(fā)現(xiàn)過由于強(qiáng)度不夠，托管架掉落水中的先例，因此船東對(duì)托管架支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度非常重視，并且要求比船級(jí)社有更大的安全裕度，經(jīng)與上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司、美國船級(jí)社反復(fù)研究并且對(duì)計(jì)算反復(fù)驗(yàn)證，從而取得了滿意的加強(qiáng)效果。

圖6為托管架的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)以及有限元的計(jì)算結(jié)果。

圖6 托管架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果

通過結(jié)構(gòu)直接計(jì)算表明，最大應(yīng)力發(fā)生在托管架支撐后鉸點(diǎn)底座及支撐結(jié)構(gòu)處，最大相當(dāng)應(yīng)力164.661 MPa，該處最大許用相當(dāng)應(yīng)力252 MPa以及284 MPa，因此強(qiáng)度滿足要求并根據(jù)船東要求，具有1.5倍以上安全系數(shù)。

6 結(jié)束語

隨著海洋石油市場的低迷，把單一功能船舶改造為多功能作業(yè)船舶是許多船東規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的選擇之一。本文是筆者在從事“華西900”起重船改造為起重/鋪管船設(shè)計(jì)工作中的一些學(xué)習(xí)體會(huì)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，希望給同行提供借鑒。

This article describes the key ship's performance; operational parameters; class rules and regulations; conversion design philosophy and positioning mooring system after HUAXI 900 converts to Heavy Lift/Pipe Laying Ship.

heavy lift/Pipe laying conversion;positioning mooring system; design

韓紹湖(1969-)，男，天津人，工程師，大學(xué)本科，主要從事海洋工程船舶、特種船舶技術(shù)開發(fā)與設(shè)計(jì)工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.06.013

2016-09-08