無人貨駁的坐底式打撈起重工程船改造設(shè)計

葉昊，陳世海，喬國瑞，劉雨，遲健

(1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011；2.交通運(yùn)輸部上海打撈局，上海 200090)

中交上海打撈局?jǐn)M針對1艘沉船開展打撈作業(yè)工程，該沉船為“Kea Trader”號集裝箱船，于2017年7月前往新喀里多尼亞努美阿港時，意外擱淺在南太平洋靠近新喀里多尼亞群島的杜蘭德礁區(qū)上，在海上受到了幾個月暴風(fēng)雨、海浪、潮流，以及礁巖壓力等外界環(huán)境力的持續(xù)沖擊后，船體斷裂情況逐步惡化，見圖1。

圖1 “Kea Trader”號沉船殘骸

事發(fā)海域水深范圍為5.9～6.9 m，常規(guī)浮式起重船因不具備坐底功能，無法有效實現(xiàn)針對淺水礁區(qū)擱淺失事船舶的海難起重打撈坐底作業(yè)，需借助專門的坐底式起重船進(jìn)行坐底起重作業(yè)。坐底式全回轉(zhuǎn)起重船設(shè)有巨大的起重設(shè)備、調(diào)載設(shè)備和支撐結(jié)構(gòu)，相比常規(guī)起重船，除了要考慮調(diào)遣航行和浮式起重作業(yè)工況下的船舶穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度，還要考慮坐底作業(yè)水域海況條件下底質(zhì)承載能力、抗傾覆抗滑移坐底穩(wěn)性和坐底作業(yè)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素。新建1艘坐底式全回轉(zhuǎn)起重船需要投入大量資金，且建造周期長，將嚴(yán)重影響海難打撈工程項目的整體工程進(jìn)度。大型無人貨駁甲板面空間較大，通常采用單層連續(xù)縱通甲板，具有一定長度的平行中體，結(jié)構(gòu)簡單堅固，可改造利用的空間相對較大，改造工程量相對較小。若在無人貨駁的基礎(chǔ)上用較少的成本和較短的時間將其改裝成坐底式全回轉(zhuǎn)起重船，不僅能夠滿足海上浮式起重作業(yè)需求，也能滿足淺水礁區(qū)海難打撈等特殊工程項目的坐底起重作業(yè)需求。因此，探討將大型無人駁船改裝成坐底式全回轉(zhuǎn)起重船的方法。

1 改造前原貨駁概況及改造內(nèi)容

改造前原貨駁是1艘鋼質(zhì)全電焊、非自航、方型駁船，主要用于水泥的駁運(yùn)；總長171.0 m，型寬32.0 m，型深12.0 m，設(shè)計吃水7.86 m，結(jié)構(gòu)吃水9.40 m；設(shè)首尾防撞艙，中部為貨倉區(qū)域，設(shè)有4個大貨艙，每一貨艙甲板上設(shè)2個大型艙口蓋?？偛贾檬居趫D2。

圖2 原水泥貨駁總布置示意

改造設(shè)計總體目標(biāo)：將原無人貨駁改造設(shè)計成1艘可供人居住的打撈起重工程駁船，配備800 t全回轉(zhuǎn)主起重機(jī)，在能適應(yīng)打撈作業(yè)區(qū)域作業(yè)環(huán)境條件的前提下，滿足針對沉船“Kea Trader”號打撈工作的使用需求。

1.1 貨駁主船體結(jié)構(gòu)的改造

根據(jù)起重能力、起重臂的放倒長度要求、總布置、浮態(tài)及穩(wěn)性等因素，確定具體實施例改造后的船長為125 m，型寬和型深均無需調(diào)整。截掉原貨駁平行中體貨艙區(qū)域部分分段，并將該被截貨艙區(qū)域分段之前與之后的兩部分船體分段通過焊接處理拼合，形成新拼合而成的起重駁船主船體總長125 m；原貨駁主甲板上的貨艙艙口區(qū)用鋼板密封；主船體主甲板以下加設(shè)一道連續(xù)的中縱艙壁和2道旁縱艙壁，以提高浮式及坐底起重作業(yè)的總縱強(qiáng)度，見圖3。

圖3 改造后起重駁船主甲板以下船體布置示意

將雙層底內(nèi)旁桁材數(shù)量加密，同時在船底及舭部處設(shè)置一定厚度的鋼質(zhì)護(hù)底板，以增強(qiáng)坐底起重作業(yè)時船體底部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；在船底護(hù)底板下方且對應(yīng)于雙層底桁材的位置沿縱向加裝一定數(shù)量的聚氨酯墊條，如圖4所示，以防坐底作業(yè)時底部磕碰，并加大底部摩擦系數(shù)，從而增加坐底時的抗滑移能力；對原貨駁貨艙水密艙壁上的加強(qiáng)筋適當(dāng)加密補(bǔ)強(qiáng)，同時在各貨艙中間位置加設(shè)水密橫艙壁，并在舷側(cè)雙殼內(nèi)增設(shè)若干水平桁材，以提高坐底起重作業(yè)時抵抗橫向環(huán)境載荷(波浪及流載荷等)的強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度。

圖4 改造后起重駁船典型橫剖面示意

1.2 主船體內(nèi)機(jī)泵艙、油水艙及壓載系統(tǒng)的增設(shè)

將主船體首部主甲板以下的原貨駁貨艙區(qū)域改造為機(jī)艙、泵艙和淡水艙等艙室，船上各類用電設(shè)備系統(tǒng)及起重機(jī)由主電站提供動力。中后部原貨駁的貨艙區(qū)域改為壓載艙，并將兩舷側(cè)空艙及艏艉尖艙也改為壓載艙，在壓載艙底部合適區(qū)域加設(shè)壓載管隧艙，通過配置合適數(shù)量及能力的壓載泵、布置壓載管系來實現(xiàn)壓載及調(diào)載功能。船上壓載泵排量較大、壓載艙數(shù)量設(shè)置較多，一方面通過對壓載水快速有效的調(diào)配，滿足浮式起吊作業(yè)時浮態(tài)及穩(wěn)性要求，另一方面通過加載或排放壓載水控制船體重量，使船體快速下沉坐底或起浮，并基于作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境條件和坐底工況及時調(diào)整船體對地壓力，從而滿足在惡劣海況條件下坐底作業(yè)時的抗傾覆和抗滑移要求。

1.3 主甲板上主起重機(jī)、上層建筑及舾裝設(shè)備配置

主甲板尾部設(shè)置主起重機(jī)，為全回轉(zhuǎn)型式，起重機(jī)基座通過船體內(nèi)縱向和橫向艙壁、強(qiáng)框架進(jìn)行加強(qiáng)；首部主甲板以上增加艏樓、甲板室、煙囪等，滿足100人的定員要求；主甲板尾部和艏樓甲板各設(shè)4只定位錨，組成8點定位錨系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對起重駁船的定位和移船作業(yè)。作業(yè)甲板區(qū)域在舷側(cè)位置加設(shè)2.5 m高的可拆式擋浪板，以保障惡劣海況下坐底作業(yè)時的甲板作業(yè)人員安全。

改造后起重駁船的主視圖見圖5。

圖5 改造后起重駁船主視圖

2 改造關(guān)鍵技術(shù)

2.1 起重駁船的坐底穩(wěn)性評估

本船浮式拖航及起重作業(yè)穩(wěn)性與常規(guī)起重船的校核方法無異，而作為坐底式起重駁船，需要著重關(guān)注的是坐底作業(yè)狀態(tài)下的坐底穩(wěn)性。船舶在不同坐底工況的環(huán)境載荷作用下應(yīng)具有足夠的抗傾覆能力和抵抗水平滑移的能力，并需考慮坐底礁巖底質(zhì)的承載能力。

船舶受到的傾覆載荷主要為一定吃水狀態(tài)下風(fēng)浪流載荷共同作用引起的力矩、起吊重物引起的力矩、空船重量及裝載不均勻引起的力矩。計算傾覆力矩時，需考慮上述力矩的疊加的最不利影響，并假定傾覆支點在船舭部與船底的交匯處，坐底作業(yè)狀態(tài)下船舶載荷示意于圖6。

圖6 坐底作業(yè)狀態(tài)船舶載荷示意

對于入CCS船級的坐底式海工平臺，需滿足CCS《海上移動平臺入級規(guī)范》第三篇第2章第5節(jié)的要求計算船舶坐底時的抗傾穩(wěn)性和抗滑移穩(wěn)性。而改造前的原貨駁入ABS船級，為保證入級要求的一致性，根據(jù)使用方要求改造后起重駁船也考慮入ABS船級，滿足ABS有關(guān)規(guī)范、規(guī)則要求。而ABS對于坐底式起重平臺的土地承載力和抗滑移能力沒有提出明確的衡準(zhǔn)，于是采用ISO標(biāo)準(zhǔn)中對于海洋油氣平臺基礎(chǔ)在非標(biāo)準(zhǔn)土壤中的衡準(zhǔn)對本船進(jìn)行校核，要求礁盤底質(zhì)承載力和抗滑移能力的安全系數(shù)均不小于1.25，抗傾穩(wěn)性衡準(zhǔn)則參照美國船級社移動平臺規(guī)范中對于自升式平臺的衡準(zhǔn)進(jìn)行校核，即傾覆力矩與復(fù)原力矩的比值不小于1.3。沉船海域現(xiàn)場礁巖底質(zhì)的承載能力和抗滑移摩擦系數(shù)等物理特性均由分析得出。

根據(jù)ABS規(guī)范要求計算風(fēng)載荷及流載荷。波浪載荷的獲取則相對復(fù)雜，為較準(zhǔn)確得出坐底工況的波浪載荷，項目組在上海交通大學(xué)海工水池進(jìn)行了坐底狀態(tài)下的各典型有義波高下的波浪載荷模型試驗，見圖7。

圖7 船舶坐底狀態(tài)下波浪載荷模型試驗現(xiàn)場

通過模型試驗可知，在不同典型工況波浪周期以及有義波高(1.5、2、2.5、3 m)下0°、45°和90°三個浪向作用在坐底平臺的波浪載荷，將其分解為橫向、縱向和垂向3個方向的波浪力和力矩，見表1。

表1 水池試驗結(jié)果

由表1可知，波浪作用在坐底平臺上時會產(chǎn)生較大的垂向作用力，在某些工況下垂向力會達(dá)到平臺對地壓力的80%以上。正向垂向力減小了平臺的對地壓力從而影響了平臺的抗滑能力和抗傾能力，而負(fù)向的波浪力則增加了平臺底部的對地壓應(yīng)力。此外，除沿船寬方向產(chǎn)生傾覆力矩外，在船長方向上也會產(chǎn)生較大的縱向力矩，對船舶總縱強(qiáng)度的影響較大。

坐底工況的選取是基于船舶使用方提供的目標(biāo)海域海底礁盤現(xiàn)場勘測情況、失事船舶船體位置及打撈方案，并最終簡化成4種起重船的典型坐底工況(見圖8)，并將其作為坐底穩(wěn)性校核工況，其中黑色區(qū)域為與船底接觸的礁巖，空白區(qū)域為礁溝。

圖8 基于現(xiàn)場勘測情況給出的4種坐底工況示意

4種典型工況的坐底面積約占平底面積的70%～75%(含沖刷面積)。每一種坐底狀態(tài)下包含多個分工況，由模型試驗得出的3個浪向下不同有義波高下的波浪載荷及力矩極值、船上起重機(jī)的典型吊重吊向(橫向、艏向及艉向)組合而成。這些工況對船體配載的要求并不一致，需通過對壓載艙的合理配載，使得靜水載荷時的船體對地載荷分布較為均勻，以最大程度地減小因波浪載荷等動載荷變化而引起的對地載荷突變可能發(fā)生的船體結(jié)構(gòu)破壞。結(jié)合風(fēng)、浪、流載荷及船舶配載情況，并配合考慮各種坐底工況的船體強(qiáng)度分析，計算評估底質(zhì)承載力、抗滑移和抗傾覆穩(wěn)性。

1)對底質(zhì)承載力計算如下。

(1)

式中：為考慮波浪垂向力的最大對地壓力；為對地作用面積；及為橫向及縱向傾覆力矩；及為以船體底部重心為原點沿橫向及縱向慣性矩；及為受力點與原點的距離，一般取船底與地面接觸處；為材料系數(shù)，取1.25。

以圖8的工況A為例尾吊作業(yè)、橫浪浪向、波高2.0 m。最大對地壓力=168 762 kN，對地作用面積=2 186.63 m，包括環(huán)境載荷和非均勻裝載力矩，結(jié)合船模試驗結(jié)果及工況配載情況，取為429 880 kN·m；同理取1 329 260 kN·m，最大受力點坐標(biāo)取=4994、=145,計算得接觸面慣性矩=202 980 m，=2 407 300 m。求得最大對地壓力169 kPa，許用值353 kPa，滿足作業(yè)要求。

2)抗滑移力計算如下。

=·

(2)

式中:為考慮波浪垂向力的最小對地壓力；為最大靜摩擦系數(shù)；為材料系數(shù)，取125。本船船底敷設(shè)有大量聚氨酯，根據(jù)青島海洋大學(xué)試驗表明，底質(zhì)與聚氨酯的最大靜摩擦系數(shù)為=0938、與生銹鋼板的最大靜摩擦系數(shù)=061，計算實取=0.80。

以圖8工況A為例，尾吊作業(yè)、橫浪浪向、波高2.0 m。結(jié)合船模試驗結(jié)果及工況配載，最小對地壓力=78 881 kN，環(huán)境橫向力3 500 kN，抗滑移力54 482 kN，滿足作業(yè)要求。

3)抗傾覆力臂計算如下。

=·

(3)

式中：為考慮波浪垂向力的最小對地壓力；為全船重量對傾覆支點的恢復(fù)力臂；為材料系數(shù)，取1.30。

以圖8工況A為例，尾吊作業(yè)、橫浪浪向、波高2.0 m。結(jié)合船模試驗結(jié)果及工況配載，傾覆力矩(含吊重及環(huán)境載荷)為949 510 kN·m，恢復(fù)力矩1 787 786 kN·m，滿足作業(yè)要求。

分析以上計算結(jié)果可知，本船在0 °浪向角可承受的最大波高3.0 m；45°浪向角可承受的最大波高2.5 m；90°浪向角可承受的最大波高2.0 m,可滿足使用方對作業(yè)的基本要求。

2.2 起重駁船的坐底強(qiáng)度計算

本船具備浮吊功能，但本船研制的主要目的是針對目標(biāo)失事船舶在特定海域及海況下的坐底打撈作業(yè)。本船的坐底工況不同于常規(guī)工程船舶的平沙地坐底，也不同于坐底平臺的坐底，船級社也沒有相應(yīng)明確的計算方法。坐底強(qiáng)度計算中需考慮以下幾點：①坐底工況的確定：由.所述，基于現(xiàn)場情況確定的4種典型坐底工況，即為本船的坐底強(qiáng)度校核工況；②波浪載荷的確定：經(jīng)與ABS船級社溝通，設(shè)計前期強(qiáng)度校核暫按北大西洋海況(全球最惡劣海況)下的波浪載荷作為設(shè)計波浪載荷，但坐底打撈作業(yè)海域的波浪以涌浪為主，根據(jù)坐底工況波浪載荷模型試驗情況，常規(guī)的波浪載荷預(yù)報方法并不適用于本船，最終將模型試驗得出的載荷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為設(shè)計波浪載荷值；③坐底強(qiáng)度校核衡準(zhǔn)：按照ABS MODU RULES和BARGE RULES要求，船體梁所有部位的總縱彎曲許用應(yīng)力取175 MPa，剪切應(yīng)力取110 MPa；④坐底強(qiáng)度計算：坐底強(qiáng)度分為總縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度?？偪v強(qiáng)度包括總縱彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度，船體梁所受的載荷包括靜水載荷和波浪載荷，波浪載荷為上述模型試驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的載荷值。局部強(qiáng)度包括船底結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和舷側(cè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，船體在風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷及吊重載荷共同作用下產(chǎn)生傾覆力矩，海底礁盤對船底結(jié)構(gòu)提供支持力。根據(jù)土工實驗分析海底礁盤底質(zhì)的承壓能力為353 kPa，假定船底剛性變形，船底沿船寬方向所受坐底載荷呈梯形分布，平底部分最外側(cè)載荷最大(另一側(cè)最小)，見圖9。

圖9 沿船寬方向坐底載荷的分布

設(shè)計方采用 Microsoft /Excel 編寫多分段載荷積分迭代語言程序，設(shè)計了多分段坐底式船型結(jié)構(gòu)物對地載荷求解方法，與總體配載情況相互匹配，綜合考慮坐底穩(wěn)性、船體強(qiáng)度及環(huán)境載荷，作為對地載荷求解和船舶壓載水配載依據(jù)。通過求解各坐底工況下對地載荷(即坐底載荷)，并考慮迎浪工況沿船長的載荷分布以及橫浪工況沿船寬方向載荷分布，來校核船底構(gòu)件的強(qiáng)度。

舷側(cè)結(jié)構(gòu)承受波浪載荷，載荷按ABS DRILLSHIP GUIDE相關(guān)規(guī)范要求計算，見圖10，總的外載荷由靜壓力和動壓力組成。

圖10 外板所受外部載荷示意

經(jīng)過坐底強(qiáng)度計算，本船坐底工況下的總縱強(qiáng)度、底部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和舷側(cè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均可在本船特定的坐底工況下滿足ABS船級社的要求。

2.3 船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置

本船坐底區(qū)域海底地形多變，環(huán)境載荷大小和方向莫測，會引起船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力大小和應(yīng)力分布發(fā)生變化。由于船體結(jié)構(gòu)受力非常復(fù)雜，環(huán)境隨機(jī)因素造成的結(jié)構(gòu)損傷和破壞難以通過理論計算進(jìn)行預(yù)測，為此，設(shè)置船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測船舶指定區(qū)域的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，對危險應(yīng)力進(jìn)行報警。

該應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)通過應(yīng)變傳感器和溫度傳感器進(jìn)行測點應(yīng)變數(shù)據(jù)采集，將其轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出測點應(yīng)力值，隨后進(jìn)行總縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度分析評估，如超出強(qiáng)度限值要求，則發(fā)出報警信號。該系統(tǒng)配有相應(yīng)計算機(jī)，提供系統(tǒng)信息界面顯示及操作，支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出以及報警信息的打印。應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)軟件功能主要包括：傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、局部屈服強(qiáng)度評估、總縱強(qiáng)度評估、預(yù)警預(yù)報、數(shù)據(jù)管理等。

該應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)含局部屈服測點43個，每個測點含1個應(yīng)力應(yīng)變儀，并配置相應(yīng)數(shù)量的溫度傳感器；總縱強(qiáng)度測點3組，每組測點含3個應(yīng)力應(yīng)變儀與1個溫度傳感器。其中，船底傳感器布置位置均布于船底外板內(nèi)縱骨/縱桁腹板，見圖11。

圖11 應(yīng)變傳感器船底布置示意

3 結(jié)論

改造后的坐底式全回轉(zhuǎn)打撈起重駁船運(yùn)往新喀里多尼亞群島的杜蘭德礁區(qū),并成功地對“Kea Trader”號沉船進(jìn)行了坐底打撈作業(yè)，實際工程應(yīng)用情況表明：①對無人貨駁的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)改造措施和設(shè)備配置合理可行，能有效增加該船的坐底打撈能力；②與有限元計算相比，船模坐底試驗更能準(zhǔn)確地模擬現(xiàn)場坐底環(huán)境條件，從而可更為精確地得出不同環(huán)境條件下不同浪向的波浪載荷；③基于船模試驗結(jié)果，通過計算表明改造后在一定環(huán)境條件下船舶能滿足相關(guān)規(guī)范對坐底穩(wěn)性和坐底結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，從而為實際坐底打撈作業(yè)提供合理可靠的計算依據(jù)；④船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)能有效對不同坐底工況下的船底結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，通過采取及時有效的安全措施，可進(jìn)一步保證施工作業(yè)安全。

將無人貨駁改造為坐底式全回轉(zhuǎn)打撈起重駁船，不僅能夠滿足海上浮式起重作業(yè)需求，也能滿足針對淺水礁區(qū)擱淺失事船舶的搶險打撈等特殊工程項目的坐底起重作業(yè)需求，通過進(jìn)一步改造，還可用于沿海淺灘區(qū)域風(fēng)電設(shè)備坐底安裝作業(yè)工程，工程適用面廣。相比新建坐底式起重船，不僅投資成本少，施工周期短，同時也可為大型無人駁船的改造和舊船開發(fā)再利用提供新思路、新途徑。