模塊化組合工程船平臺的設計與應用

范懷斌，陸少鋒，刁 約，巫建軍，李全民，李基銳

(1.廣西新港灣工程有限公司，廣西南寧 530200；2.廣西大學資源與環(huán)境學院，廣西南寧 530004)

引言

工程船配套有成套的施工設備以完成特定的工作任務，如航道疏浚、港口作業(yè)、水上施工等。近年來隨著港口航道的持續(xù)開發(fā)，對工程船的需求不斷增加。然而面對新船建造周期長、分割運輸工作量大、在相同水系托運成本高、在不同水域無法進行拖運等工程難題。國內(nèi)學者對模塊化船舶開展了一些相關研究，朱宙宇等［1］運用模塊化設計原則和方法開展了系統(tǒng)性研究和論證；饒真龍等［2］基于短途航運的可分離模塊化組合船型實現(xiàn)了船體模塊間的分離與合并；王琦［3］論證了模塊化船的開發(fā)離不開標準化的基本原理，標準船的開發(fā)更應該引入模塊化的思想；王婷婷［4］以計算機輔助設計為依托，以模塊化總裝造船為目標對船舶產(chǎn)品進行了模塊化設計；孫洪源［5］總結了模塊化設計與傳統(tǒng)設計方法的不同及模塊化設計的流程；王昊［6］建立了船舶推進系統(tǒng)的數(shù)學模型，根據(jù)船舶相關技術文檔，分析了船機配合特性。

基于以往的研究成果，本文設計了一種組合工程船作業(yè)平臺，可以實現(xiàn)不同時建造，拼裝后組成鉆爆工程船，挖泥船，打樁船、貨船等施工作業(yè)船。

1 模塊化分體工程船平臺

為便于船舶運輸，設計時船舶各箱體參考20＇GP 標準集裝箱掛車尺寸，箱體間采用“工”型連接結構。其中1 號箱是船舶中央箱體，配置發(fā)電機、液壓設備等，為動力艙；5 號箱為空壓機艙；6 號箱和6＇號箱是推進器艙，結構互為對稱；4 號箱和4＇號箱互為對稱，2、4、4＇箱組成船頭，3、6、6＇箱組成船艉，組裝時以1 號箱為中心進行組裝，拼裝順序1→2→3→5→5＇→4→4＇→6→6＇。箱體組成的船體結構見圖1 所示。

圖1 組合工程平臺平面圖

2 船型概述

船體結構按中國船級社《鋼質內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2016)、第1 次變更通告(2016)及其“修改通報”(2019)第1 篇第2 章、第10 章“工程船船體結構補充規(guī)定”對A 級航區(qū)第Ⅲ類工程船的有關規(guī)定進行設計和計算。本船干舷及穩(wěn)性滿足中華人民共和國海事局《內(nèi)河船舶法定檢驗技術規(guī)則》(2011)及其“修改通報”(2015、2016)對A 級航區(qū)的要求。船舶設計圖紙經(jīng)船檢機關審驗合格，在有條件的船廠生產(chǎn)出各個箱體組裝成船舶，經(jīng)船檢機關檢驗合格后，拼裝成船舶再經(jīng)船檢機關檢驗合格頒發(fā)船檢證書，才能投入使用。船型主要尺寸見表1 所示。

表1 船舶主要尺寸

2.1 連接強度校核

本平臺由中部主浮箱和兩側對稱布置的四個邊浮箱組成，主浮箱和邊浮箱分別用若干組連接裝置連接，圖2 為箱體連接螺栓位置圖，選擇甲板和底板處進行強度計算。

圖2 箱體連接螺栓位置圖

連接裝置分別在甲板附近和在船底附近連接，P1 連接裝置在甲板附近和船底附近的連接法蘭均有12 顆螺栓，螺栓直徑為30 mm；P2～P8 的連接裝置跟P1 連接裝置相同。螺栓的法蘭座板由鑄鋼加工而成。

邊浮箱兩組連接裝置在甲板和船底所受水平拉應力：

經(jīng)計算：

主浮箱與邊浮箱之間的連接裝置的合成應力：

經(jīng)計算：

2.2 密封性試驗

密性試驗按中華人民共和國海事局《內(nèi)河船舶法定檢驗技術規(guī)則》(2011)及“2015、2016 年修改通報”第五篇2.1.4 及《河船法定建造檢驗技術規(guī)程》（2011）第3 章3.5 的有關要求對本船進行試驗。密性試驗達到如下要求：

1）試驗時應在舾裝前進行，即焊縫區(qū)域未涂保護層或未敷設隔熱材料前進行；

2）壓水試驗時各艙焊縫必須干潔；

3）本船按下表所列部位進行水壓試驗，試驗時，將水灌至表中所規(guī)定的高度，10 至15 分鐘后，在該水壓高度的條件下，有關船體結構和焊縫不應有變形和滲漏現(xiàn)象；

4）沖水試驗可用涂煤油試驗代替，進行沖水試驗時，噴嘴處壓力應至少為0.2 Mpa，最大距離應不大于1.5 m，噴嘴直徑應不少于13 mm。

3 模型建立

本方案為鋼結構動力平臺，屬Ⅲ類工程船。平臺結構為單底、單殼、單甲板、橫骨架式結構，舷側為交替肋骨制形式結構；采用6 個浮箱、3 個片體連接而成。船頭箱體如圖3 所示：

圖3 船頭箱體

主浮箱與邊浮箱的前后浮箱均采用法蘭連接。箱體連接結構動力平臺如圖4 所示：

圖4 箱體連接結構動力平臺

通過箱體連接結構動力平臺安裝軌道式平行鉆機

機架系統(tǒng)組成的鉆爆工程船如圖5 所示：

圖5 鉆爆工程船

4 拼裝工藝

4.1 拼裝方案方案介紹

船體由左前浮箱、左后浮箱、前主浮箱、后主浮箱、右前浮箱、右后浮箱組成，共計6 個浮箱。甲板建筑及所有設備全部設計為可拆解結構，整船屬于組合式機動鉆機船。本船拼裝結構屬于改良的船體聯(lián)接設計，可快速完成水面拼裝。

4.2 拼裝步驟

1）所有箱體運輸?shù)轿缓?，先在沙場平整場地對接兩段主浮箱（每箱體下部設有3～4 個4 m 的氣囊，并通過氣囊充氣預調(diào)平箱體）。由于主浮箱是由兩段箱體焊接而成，同時使用了全新設計的聯(lián)接法蘭，聯(lián)接法蘭也可增加一部分強度。聯(lián)接法蘭在進行主浮箱兩段對接過程中，可避免箱體的錯位（聯(lián)接法蘭帶有錐形定位錐），并能保持兩段主浮箱的平直對接，同時減少了對場地的平整要求。兩段主浮箱對接完成后，進行對接縫焊接。考慮單獨的焊縫不滿足強度要求，所以需在對接箱體的四邊焊縫處腹板200 mm 寬8 mm 鋼板來補強，腹板需均布100×10 mm 塞焊孔如圖6 所示。

圖6 拼裝塞焊孔

2）主浮箱兩段焊接完成后，依靠氣囊滑下水，如條件不允許（水位落差太大）時，可采用兩臺 100 t 吊機抬吊下水。主浮箱分布有發(fā)電機艙（發(fā)電機沒有對中安裝）和油艙，箱體最長、重量最大。受發(fā)電機不對中安裝的影響，下水后可能會產(chǎn)生左（右）傾斜，所以主浮箱在下水過程中屬于風險較大的一步工序，可通過配重預調(diào)壓載平衡。下水過程中，需利用錨艇靠泊來輔助主浮箱的穩(wěn)定性，并用纜繩進行固定。錨艇靠泊的作用是為了防止主浮箱在移動過程中出現(xiàn)側傾。主浮箱下水后，需要移動到船艏垂直于岸邊，使船艏部分箱體輕微擱淺在邊坡上（類似錨艇靠岸時，前車頂岸坡一樣），依靠擱淺的部分可以很好的防止浮箱在后繼的拼裝過程中產(chǎn)生側傾和提供相對平穩(wěn)的箱體，為下一步的拼裝提供便利，如圖7 所示。

圖7 岸邊拼裝圖

3）起吊左（右）前浮箱。左（右）前浮箱長17.8 m，寬2.8 m，靠前位置有定位樁套（不對中安裝），舷邊水線下有圓角，首部有傾斜。所以，左（右）前浮箱在吊放入水后，產(chǎn)生的側傾會比主浮箱更嚴重。由于艏部有傾斜，產(chǎn)生的浮力小，因而出現(xiàn)首重尾輕的現(xiàn)象。在拼裝中，出現(xiàn)兩個浮箱的前后高低錯開的現(xiàn)象，這是拼裝過程中的一個難點。所以，在起吊左（右）前浮箱進行拼裝時，需要吊機保持吊重協(xié)助進行扶正。同時，錨艇需要?？吭谥鞲∠涞暮蟛俊Ｔ谛枰獣r，利用多根吊臂鋼絲繩幫抬吊主浮箱后部同步調(diào)平，如圖8 所示。

圖8 調(diào)平安裝

4）吊裝左（右）后浮箱，左（右）后浮箱長21 m，寬2.8 m，分別布置有動力主機艙、定位樁套、液壓泵站和鉆機工作平臺，形狀不規(guī)則，重量分布不均勻，在水中的自由狀態(tài)與左（右）前浮箱相像，并且側傾還要嚴重。所以，同樣需要兩臺吊機進行抬吊，并且在進行對接-聯(lián)接法蘭緊固的過程中，吊機不可完全放松起吊鋼絲纜，如圖9。

圖9 安裝平面圖

5）五個浮箱完成吊裝，并且左、右浮箱的中間聯(lián)接法蘭都進行了緊固，使全部浮箱形成三個獨立的船體。下一步工作需要把左、右船體向中間合攏，并緊固聯(lián)接法蘭，完成船體拼裝。在進行合攏前，需要舷邊的前、中、后部位對稱安裝導纜架，并安裝好張緊鋼纜?？傃b完成結果如圖10 所示。

圖10 完工后的鉆爆工程船

5 結語

組合工程船改變了傳統(tǒng)的船體建造方法，易于制造、拆裝方便、機動性強。拼裝后進行施工可減少工程船儲備量，避免部分工程船處于停航狀態(tài)而施工又急需工程船的狀況，減少了船舶管理成本和造船成本，縮短項目施工工期。即使長期處于停航狀態(tài)，也可將零部件運回倉庫，減少管理成本。主要優(yōu)勢集中在以下幾個方面：

1）可以在任意航區(qū)調(diào)遣、航行、施工，還可以運輸至各種不通航的水域開展作業(yè)，在一定范圍內(nèi)可以根據(jù)施工需要組合成大小適宜的施工船舶；

2）由于工程船是一種特種作業(yè)船，不能使用其他類型船舶就近改造或租賃其它船舶進行施工。而通過模塊化組合工程船配置不同的設備可形成鉆機船、挖泥船、打樁船、貨船等多種船舶。

3）能夠在水面進行拼裝，不用上、下排在船廠拼接，可減少對場地的要求。