中型海洋救助船“東海救151”的研發(fā)設(shè)計(jì)

杜鵬飛，謝智康，樂小龍，史恭乾

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 引言

隨著“交通強(qiáng)國”戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議的推進(jìn)與實(shí)施，我國海上的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)必將迎來新的發(fā)展。為日益繁忙的海上經(jīng)濟(jì)活動(dòng)提供堅(jiān)實(shí)的救助保障是新時(shí)代賦予我國海上救助力量的新要求和新挑戰(zhàn)。為應(yīng)對新的救助形勢，交通運(yùn)輸部救助打撈局設(shè)計(jì)了救助船型大、中、小，救助范圍遠(yuǎn)、中、近的救助規(guī)劃布局，以實(shí)現(xiàn)我國領(lǐng)海救助范圍全覆蓋和高效救助的目標(biāo)。

當(dāng)前，我國船齡超過35 a的1940 kW中型救助船已全部淘汰，中型救助船已出現(xiàn)斷檔問題。在我國沿海水道、島礁等復(fù)雜海域，大型救助船無法實(shí)施救助，而快速救助船艇在惡劣氣象條件下救助能力有限，此類海域的救助任務(wù)由中型救助船承擔(dān)最為適宜。然而，目前中型救助船的數(shù)量已不能滿足救助新形勢的需要。受交通運(yùn)輸部救助打撈局委托，定位我國中型海洋救助船的旗艦，新型中型海洋救助船于2015年開始研發(fā)設(shè)計(jì)，并在廣州中船黃埔文沖船舶有限公司建造，首制船“東海救151”輪已于2019年12月25日交付使用?，F(xiàn)就該新型中型海洋救助船的研發(fā)設(shè)計(jì)做簡要介紹。

1 船舶概況

1.1 船舶的用途和功能

該船主要用于在中低海況下，在沿海水道、島礁等復(fù)雜區(qū)域開展人命和船舶救助，可兼顧高海況下的救助任務(wù)，必要時(shí)參與動(dòng)態(tài)值班待命。該船的主要功能如下：

1）具有對遇險(xiǎn)船舶進(jìn)行封艙、堵漏、排水、空氣潛水和拖帶等救助作業(yè)的能力；

2）具有一級對外消防滅火作業(yè)的能力；

3）具有海面浮油回收和海面消除油污作業(yè)的能力；

4）具有夜間海上搜尋救生、救助的能力，可搭載100 人，能對傷員進(jìn)行簡易的藥物、器械和手術(shù)治療，可配合救助直升機(jī)進(jìn)行海上搜索和救助；

5）能為難船供應(yīng)必要的物資。

1.2 船型簡介

該船為全焊接式鋼質(zhì)船，橫骨架式，具有1 層連續(xù)主甲板。主甲板上設(shè)有2 層艏樓，主甲板下設(shè)有雙層底和雙殼結(jié)構(gòu)。該船采用全電力驅(qū)動(dòng)雙全回轉(zhuǎn)舵槳的主推進(jìn)方式，采用兩大兩小的主電站配置形式，采用前傾式船首（帶球艏）和巡洋艦式船尾。船首設(shè)有2 個(gè)管隧式側(cè)推裝置；船中設(shè)有2 臺(tái)克令吊、2 艘救助艇和雙卷筒拖纜機(jī)；船尾主甲板作業(yè)區(qū)可開展拖帶作業(yè)、救生作業(yè)和浮油回收作業(yè)；主甲板后部可開展直升機(jī)懸停作業(yè)。該船氣象衡準(zhǔn)按12 級風(fēng)壓核算，可在9 級海況、蒲福氏12 級風(fēng)力條件下安全航行。

1.3 船級符號(hào)和附加標(biāo)志

★CSA Offshore Tug ／ Supply Ship ／ Rescue Ship；Oil Recovery Ship with Cargo Tank；Fire Fighting Ship 1；Ice Class B；PSPC（B）；ERS；In-Water Survey.

★CSM AUT-0；DP-2；Electrical Propulsion System；SCM；ECM；BWMP；BWMS；FTP；GPR.

1.4 主要技術(shù)要素和總布置圖

新型中型海洋救助船的主要技術(shù)要素見表1，船舶的總體布置概況見圖1。

表1 新型中型海洋救助船的主要技術(shù)要素

圖1 新型中型海洋救助船的總體布置概況

2 關(guān)鍵技術(shù)

該船的技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先、國際一流水平，交付之后得到了船東的好評。該船的主要技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)如下。

2.1 主尺度論證

主尺度是影響船舶各項(xiàng)性能的先決條件，救助船主尺度的選取需考慮以下因素：

1）良好的船舶性能，包括耐波性、快速性、回轉(zhuǎn)性和抗沉性等；

2）船體及設(shè)備的重量、載重量和排水量得到綜合平衡；

3）作業(yè)甲板面積、設(shè)備和設(shè)施所需空間、艙室空間等合理配置。

船舶長度選擇考慮的因素主要有耐波性、總布置、排水量、快速性、抗沉性、回轉(zhuǎn)性、重量和強(qiáng)度等。通過選擇合適的船長避免產(chǎn)生較大的縱搖，保證船舶的耐波性能滿足要求。該船的功能復(fù)雜，設(shè)備配置較多，定員較多，船長的選取需滿足上述布置要求。船長較長有助于增大船舶的長寬比，對減小船舶的剩余阻力有利，但船長較長對船舶的回轉(zhuǎn)性不利，船長的選取需兼顧快速性與操縱性。

船舶寬度選擇考慮的因素主要有穩(wěn)性、快速性、橫搖性能和總布置等。船寬是穩(wěn)性的決定性因素，該船配置的甲板機(jī)械較多，重心較高，具備抗12 級風(fēng)的能力，船寬的選取需滿足穩(wěn)性要求和特殊抗風(fēng)能力要求。從快速性的角度考慮，船寬較小有助于改善船舶的剩余阻力，對快速性有利，因此在選取船寬時(shí)，應(yīng)在保證穩(wěn)性和布置需求的基礎(chǔ)上使其盡可能地緊湊。

船舶型深選擇考慮的因素主要有干舷、穩(wěn)性、機(jī)艙和推進(jìn)器艙布置空間、艙容等。增加型深會(huì)增加上層建筑的重心高度，增大船舶的儲(chǔ)備浮力，綜合而言對船舶的穩(wěn)性不利，因此型深宜在滿足布置要求的基礎(chǔ)上盡可能地緊湊。

船舶吃水選擇考慮的因素主要有救助海域水深限制、救助基地碼頭水深限制、排水量、快速性和運(yùn)動(dòng)性能等。

2.2 總布置

該船的功能復(fù)雜，其救助功能與大型救助船的救助功能基本相同，但其主尺度比大型救助船小很多。因此，對有限的空間進(jìn)行高效利用，同時(shí)兼顧總布置對船舶總體性能的影響，是該船需解決的難題。此類船舶因機(jī)艙和上層建筑位于船中偏前的位置，極易出現(xiàn)艏傾現(xiàn)象。通過將起居處所的2 層甲板室靠后布置，使空船重心的縱向位置后移，并將燃油和淡水艙布置在中部偏后的位置，進(jìn)一步優(yōu)化該船在裝載狀態(tài)下的浮態(tài)。該船的浮態(tài)性能優(yōu)異，在滿載狀態(tài)下不需要進(jìn)行任何壓載水調(diào)節(jié)即可保證船舶適度艉傾，做到無壓載設(shè)計(jì)。上層建筑采用回字形布置，在船中布置梯道、洗衣房等對自然采光無要求的房間，在兩舷布置船員主艙，滿足自然采光的要求，面積在滿足海事勞工公約要求的基礎(chǔ)上做到盡可能緊湊；按不同甲板對上層建筑進(jìn)行功能劃分，通過布置降低重心高度，提升居住的舒適性。

2.3 快速性

航速是衡量該船性能的重要指標(biāo)。該船的傅里葉數(shù)達(dá)到0.30，屬于中高速船型。在快速性優(yōu)化中，主要對浮心位置、球艏形狀、艉部線型和全回轉(zhuǎn)舵槳安裝角度等進(jìn)行研究。

為研究浮心位置對阻力的影響，對一系列浮心位置下的線型進(jìn)行阻力計(jì)算。浮心位置的選取需兼顧設(shè)計(jì)工況下的裝載浮態(tài)，最終確定設(shè)計(jì)吃水下浮心的位置為中偏后-1.38%。

為增加設(shè)計(jì)水線長度，降低傅里葉數(shù)，采用大球艏的設(shè)計(jì)理念，最大程度地增加水線長度。在球艏線型研究方面，主要對浸沒式球艏與上翹式球艏進(jìn)行對比研究。浸沒式球艏的興波集中在艏柱附近，艏柱處興波范圍較廣，且近乎處于破碎狀態(tài)；上翹式球艏的艏柱處興波范圍較小，部分興波受到球艏的作用前移，且興波較為平坦。浸沒式球艏與上翹式球艏的艏部興波對比見圖2。上翹式球艏改善了艏部興波，減小了興波阻力，其阻力性能優(yōu)于浸沒式球艏。

圖2 浸沒式球艏與上翹式球的艏部興波對比

艉部線型優(yōu)化主要是對艉部分水踵的線型進(jìn)行優(yōu)化研究。研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)削瘦分水踵去流段線型，增加去流段長度，能顯著減少艉部流動(dòng)分離現(xiàn)象的出現(xiàn)，大大改善艉部流場。圖3 為艉部線型優(yōu)化前后的艉部流場對比。

圖3 艉部分水踵優(yōu)化前后的艉部流場對比

在推進(jìn)效率方面，對推進(jìn)器的安裝角度進(jìn)行優(yōu)化，并通過試驗(yàn)進(jìn)行對比研究。首先進(jìn)行縱向安裝角為0°、2°、4°和6°的對比試驗(yàn)，結(jié)果見表2。由表2 可知，當(dāng)縱向安裝角為0°時(shí)，推進(jìn)效率最高。隨后進(jìn)行橫向安裝角為0°、±2°和±4°的對比試驗(yàn)（外傾為＋，內(nèi)傾為-），結(jié)果見表3。由表3 可知，當(dāng)橫向安裝角為2°時(shí)，推進(jìn)效率最高。該船的推進(jìn)器安裝角最終定為縱向0°，橫向2°。

表2 推進(jìn)器縱向安裝角對推進(jìn)效率的影響

表3 推進(jìn)器橫向安裝角對推進(jìn)效率的影響

最終通過計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）計(jì)算分析，阻力優(yōu)化取得了13.5%的優(yōu)化幅度，推進(jìn)器安裝角優(yōu)化取得了3.1%的優(yōu)化幅度。水池船模試驗(yàn)結(jié)果顯示，該船的快速性能優(yōu)良，航速指標(biāo)高出設(shè)計(jì)要求0.3 kn，實(shí)船試航結(jié)果也高于設(shè)計(jì)要求。

2.4 浮油回收功能

該船具備浮油回收功能，設(shè)置有1 對浮油回收艙。通過對主流船級社的浮油回收船規(guī)范進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)建造該船時(shí)中國船級社規(guī)范對浮油回收艙布置的范圍限制與其他船級社有明顯區(qū)別，在與中國船級社進(jìn)行多次研討之后，促使其修改了浮油回收船規(guī)范，推動(dòng)了規(guī)范的進(jìn)步。各船級社對浮油回收艙的布置要求和中國船級社修改相應(yīng)規(guī)范前后的布置要求見表4。該船的浮油回收艙布置在泵艙兩側(cè)，靠近艉部推進(jìn)器艙，浮油回收艙與泵艙之間設(shè)置有隔離空艙；浮油回收艙左右對稱布置，減小主甲板危險(xiǎn)區(qū)域的縱向范圍；在主甲板上合理規(guī)劃浮油回收作業(yè)區(qū)域和回收油軟管的走向，降低危險(xiǎn)區(qū)域?qū)﹄姎庠O(shè)備配置的影響。

表4 各船級社浮油回收艙規(guī)范主要要求對比

2.5 特殊抗風(fēng)能力

該船需兼顧高海況下的救助任務(wù)，因此船舶穩(wěn)性需滿足12 級風(fēng)的特殊抗風(fēng)要求。該船吃水較淺，滿足12 級風(fēng)的特殊抗風(fēng)要求是非常有挑戰(zhàn)性的。國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）的氣象衡準(zhǔn)中對抗風(fēng)能力的校核對應(yīng)10 級風(fēng)，船舶標(biāo)準(zhǔn)《海洋調(diào)查船特殊抗風(fēng)力要求》可用來校核海洋調(diào)查船的特殊抗風(fēng)能力，但不包括海洋救助船。因此，對于救助船而言，沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)可參考。在該船的特殊抗風(fēng)能力研究中，采用上述2 種方法進(jìn)行研究和校核。為達(dá)到上述2 種方法對抗風(fēng)能力的要求，該船通過增加可計(jì)入浮力計(jì)算的甲板室，增大船舶的GZ值（見圖4）。表5 為舷側(cè)甲板室計(jì)入浮力計(jì)算與不計(jì)入浮力計(jì)算的特殊抗風(fēng)能力衡準(zhǔn)計(jì)算對比。從表5 中可看出，舷側(cè)甲板室對船舶穩(wěn)性的貢獻(xiàn)非常大。

圖4 計(jì)入浮力計(jì)算的甲板室

表5 舷側(cè)甲板室計(jì)入浮力計(jì)算與不計(jì)入浮力計(jì)算的特殊抗風(fēng)能力衡準(zhǔn)計(jì)算對比單位m／s

2.6 噪聲性能

噪聲控制是該船的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要有以下難點(diǎn)：

1）該船的主尺度較小，主要噪聲源距離起居處所較近；

2）噪聲源較多，包括主發(fā)電機(jī)組、艏側(cè)推和煙囪排氣等；

3）該船噪聲源的噪聲值較大，為滿足航速和2 級動(dòng)力定位要求，該船的主發(fā)電機(jī)組功率和艏側(cè)推功率都比較大，噪聲源的噪聲值比較大；

4）該船對重量和重心比較敏感，無法通過大量增加減振降噪材料控制噪聲，需對重點(diǎn)艙室進(jìn)行精準(zhǔn)降噪，以實(shí)現(xiàn)噪聲性能與其他船體性能之間的平衡。

該船采用能量有限元法建模，分別針對航行工況和動(dòng)力定位工況進(jìn)行噪聲估算，噪聲計(jì)算模型和計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5 噪聲計(jì)算模型和計(jì)算結(jié)果

計(jì)算之后對不滿足規(guī)范要求的艙室進(jìn)行噪聲性能優(yōu)化，平臺(tái)甲板的機(jī)修間、主甲板醫(yī)務(wù)室和駕駛室初次計(jì)算均不能滿足規(guī)范的要求。對這些重點(diǎn)艙室采取以下降噪措施：

1）在機(jī)修間增加浮動(dòng)地板；

2）將醫(yī)務(wù)室的天花板由鋁蜂窩夾心板改為復(fù)合巖棉板；

3）將駕駛室的天花板由鋁蜂窩吸音板改為復(fù)合巖棉板，并增加浮動(dòng)地板。

改進(jìn)之后，這些重點(diǎn)艙室的計(jì)算值能滿足限值要求，優(yōu)化前后艙室噪聲計(jì)算值與實(shí)測值對比見表6。

表6 優(yōu)化前后艙室噪聲計(jì)算值與實(shí)側(cè)值對比 單位：dB（A）

從表6 中可看出，增加浮動(dòng)地板對各層的降噪作用比較明顯。該船的主發(fā)電機(jī)和艏側(cè)推等主要噪聲源均在雙層底上，主要通過結(jié)構(gòu)噪聲向上傳導(dǎo)，采取浮動(dòng)地板能有效阻隔結(jié)構(gòu)噪聲。

2.7 電站配置與大小機(jī)并車保護(hù)

該船是采用電力推進(jìn)的海洋救助船，近些年建造的采用常規(guī)推進(jìn)模式的大型海洋救助船均配置3 臺(tái)輔發(fā)電機(jī)組，滿足救助船發(fā)電機(jī)“1 用1 備1 修”的動(dòng)態(tài)值班待命要求。根據(jù)多年的救助船設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，海洋救助船的停泊待命工況時(shí)間約占總時(shí)間的70%，若參照現(xiàn)有海工船的電站配置，其經(jīng)濟(jì)性和合理性均不理想。通過精心研發(fā)，將該船的電站配置為2 臺(tái)2600 kW主發(fā)電機(jī)組加2 臺(tái)450 kW主發(fā)電機(jī)組，可適應(yīng)全速航行、巡航、對外消防、動(dòng)力定位和停泊待命等多種工況，且具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

該船大小機(jī)并車的功率比高達(dá)5.8∶1.0，為盡量減小柴油發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)電網(wǎng)波動(dòng)對小容量機(jī)組的影響，采取以下措施：

1）在恒頻模式下，執(zhí)行非對稱負(fù)載分配；

2）冗余負(fù)載分配，在發(fā)電機(jī)組負(fù)荷分配模塊設(shè)置雙冗余通信系統(tǒng)，模塊發(fā)生單點(diǎn)通信故障不會(huì)影響整個(gè)負(fù)荷分配模塊的運(yùn)行。

通過設(shè)置電站管理系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)組負(fù)荷分配模塊，柴油機(jī)組負(fù)載分配3 個(gè)層級的控制，確保大小機(jī)并車安全可靠。

3 結(jié)語

“東海救151”是我國中型海洋救助船的旗艦。該船的成功研發(fā)和順利交付填補(bǔ)了我國中型海洋救助船的空白，為我國海洋救助船實(shí)現(xiàn)大、中、小系列化的戰(zhàn)略規(guī)劃打下了良好的基礎(chǔ)，該類型船在未來一段時(shí)間內(nèi)將成為我國沿海海域救助的主力軍。