4 000 t全回轉(zhuǎn)起重船總體布置設(shè)計(jì)

摘" " 要：為提高海上風(fēng)電施工能力，設(shè)計(jì)一艘具備DP-2級(jí)動(dòng)力定位、最大起重能力為固定尾吊4000t、全回轉(zhuǎn)吊3000t的自航式全回轉(zhuǎn)起重船。本文通過(guò)介紹該起重船的總體布置方案，分析了起重機(jī)系統(tǒng)、抗橫傾系統(tǒng)、動(dòng)力定位和錨泊定位系統(tǒng)、艙室劃分原則等，闡述了該類型船舶的總體布置設(shè)計(jì)方法。通過(guò)該船的實(shí)際工程應(yīng)用，證明了上述設(shè)計(jì)原則和方法的科學(xué)性和可行性，并為相似船型的總體布置設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：4000 t自航式全回轉(zhuǎn)起重船；總體布置設(shè)計(jì)；抗橫傾系統(tǒng)；DP-2

中圖分類號(hào)：U662.2" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

General Arrangement Design of the 4 000 t Full Revolving Crane Vessel

Zhao Yangyang

（ Bestway Marine amp; Energy Technology Co.， Ltd.，" Shanghai 201612 ）

Abstract： To improve the offshore wind power construction capacity， a self-propelled full revolving crane vessel with DP-2 level dynamic positioning capability and a maximum lifting capacity of 4 000 t fixed stern crane and 3 000 t full revolving crane is designed. This article introduces the general arrangement plan of the crane vessel， analyzes the heavy crane system， anti-heeling system， dynamic positioning and anchoring positioning system， tanks division principles， etc.， and elaborates on the general arrangement design method of this type of vessel. Through the practical engineering application of the ship， the scientificity and feasibility of the above design principles and methods have been proven， and reference has been provided for the general arrangement design of similar ship types.

Key words： 4 000 t self-propelled full revolving crane vessel;" general arrangement design;" anti-heeling system;" DP-2

1" " 引言

隨著科技水平的發(fā)展和世界氣候的變化，能源安全和碳排放已成為當(dāng)今世界的熱點(diǎn)問(wèn)題。風(fēng)能作為一種可再生清潔能源，世界各國(guó)對(duì)風(fēng)能的利用越來(lái)越重視，海上風(fēng)電市場(chǎng)正處于快速增長(zhǎng)期。大型起重船作為多功能的海上風(fēng)電施工船舶，主要用于海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)施工（包含導(dǎo)管架）、升壓站安裝及其他海事工程作業(yè)[1]。但國(guó)內(nèi)大部分現(xiàn)存及建造中的用于海上風(fēng)電施工的起重船存在能力缺陷，或動(dòng)力定位能力不足，不具備DP-2級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)，或起重機(jī)吊高不足，多數(shù)起重船吊高不超過(guò)100 m，無(wú)法適應(yīng)海上風(fēng)電大型化的趨勢(shì)[2]。如我司設(shè)計(jì)并已交付的大型搶險(xiǎn)打撈起重船“創(chuàng)力號(hào)”，具有最大固定尾吊4 500 t和全回轉(zhuǎn)吊3500 t起重能力，并配備DP-3級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)，但最大吊高僅95 m。而我司設(shè)計(jì)并已交付的另一條全回轉(zhuǎn)起重船“巨杰4 000”，具有最大固定尾吊4 000 t和全回轉(zhuǎn)吊2 800 t起重能力，并達(dá)到最大吊高113 m，但僅配備DP-1級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)。

上海佳豪船海工程研究設(shè)計(jì)有限公司根據(jù)船東要求，設(shè)計(jì)一艘具有DP-2級(jí)動(dòng)力定位能力和錨泊定位能力的自航式全回轉(zhuǎn)起重船。該船具有固定尾吊4000 t和全回轉(zhuǎn)吊3 000 t起重能力，以及國(guó)內(nèi)最大的120 m吊高能力，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際一流水平。

2" " "設(shè)計(jì)概述

本船是一艘鋼質(zhì)全焊接自航起重船，雙甲板，具備DP-2級(jí)動(dòng)力定位能力和8點(diǎn)錨泊定位能力，作業(yè)時(shí)可根據(jù)需要選擇動(dòng)力定位或錨泊定位，無(wú)限航區(qū)航行，在規(guī)定的作業(yè)環(huán)境條件下，可在全球海區(qū)作業(yè)。本船抗橫傾調(diào)載系統(tǒng)滿足起重機(jī)3 000 t @45 m全回轉(zhuǎn)起重作業(yè)的要求。

本船于2023年7月完成試航，并交付船東營(yíng)運(yùn)。

主要參數(shù)如下：

總長(zhǎng) ～195.00 m

水線長(zhǎng) 189.00 m

型寬 46.90 m

型深 16.00 m

設(shè)計(jì)吃水 8.50 m

作業(yè)吃水 12.00 m

定員 150 P

航速 ～10 kn

甲板載貨量（作業(yè)海區(qū)航行）" "～8 000 t

船級(jí)符號(hào)如下：

★CSA Floating Crane；Lifting appliance；Ice Class B；PSPC（b）；In-Water Survey； SPS；

★CSM AUT-0；DP-2（CB）；Electrical Propulsion System；

G-EP（AFS， GPR，GPR（EU））；G-ECO（BWM（T））；NEC（SCRS）。

3" " "總體布置設(shè)計(jì)原則

本船的總體布置設(shè)計(jì)主要遵循以下原則：

1）主尺度選擇滿足安全、舒適、耐波性的要求；

2）按DP2級(jí)動(dòng)力定位能力設(shè)計(jì)，以滿足起重作業(yè)環(huán)境條件的要求；

3）起重機(jī)能力與船舶性能、抗橫傾系統(tǒng)匹配，作業(yè)效率高；

4）為適應(yīng)起重作業(yè)要求，設(shè)計(jì)了一套成熟高效的壓載和抗衡傾系統(tǒng)；

5）錨泊能力重點(diǎn)考慮定位及抗風(fēng)工況；

6）滿足150人居住要求，確保上建布置合理，功能齊全，居住舒適。

4" " 總體設(shè)計(jì)布置

本船設(shè)流線型船艏，尾部縱向及舭部有圓角、設(shè)舭龍骨，主甲板下設(shè)有9道水密橫艙壁、2道水密縱艙壁以及2.3 m高的雙層底，將船舶分割成多個(gè)水密性艙室。總體布置見(jiàn)圖1及圖2，主甲板從艏至艉依次為上層建筑、堆貨作業(yè)區(qū)和主起重區(qū)，主甲板下船體內(nèi)為主體功能區(qū)。

4.1" "主尺度選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求，按照起重機(jī)作業(yè)需求，結(jié)合船體總縱強(qiáng)度、甲板面積、船舶浮態(tài)，兼顧建造成本，并且通過(guò)耐波性分析，確定本船總長(zhǎng)為189 m。

分別從穩(wěn)性、調(diào)載能力、船舶運(yùn)動(dòng)等方面進(jìn)行分析，確定船寬為46 m。

根據(jù)作業(yè)吃水起重作業(yè)穩(wěn)性、耐波性以及型深對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，確定深型為16 m。

4.2" "DP2動(dòng)力定位

本船動(dòng)力定位系統(tǒng)附加標(biāo)志為DP-2，即單個(gè)推進(jìn)器出現(xiàn)故障的情況下，可在規(guī)定的環(huán)境條件下和作業(yè)范圍內(nèi)自動(dòng)保持船舶的位置和艏向。本船艉部設(shè)3臺(tái)3000 kW全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，艏部設(shè)3臺(tái)3 000 kW艏側(cè)推裝置，并將動(dòng)力系統(tǒng)與推進(jìn)器系統(tǒng)分為3個(gè)冗余的分組。

動(dòng)力定位環(huán)境條件：

有義波高 2.0 m

波浪周期 8.0 s

風(fēng)速 13.8 m/s

流速 2.0 kn

4.3" "起重機(jī)系統(tǒng)

本船主甲板尾部船體中心線上安裝一臺(tái)4 000 t重型海洋工程全回轉(zhuǎn)起重機(jī)，主要用于風(fēng)電安裝和海上大型模塊、導(dǎo)管架等海洋工程結(jié)構(gòu)物的吊裝。

起重機(jī)設(shè)置2套主鉤、1套副鉤，主鉤固定尾吊最大起重量為4 000 t @ 40 m，全回轉(zhuǎn)吊最大起重量3000t @ 45 m，最大起升高度為主甲板面以上120 m。2只主鉤可成外八字型作業(yè)，最大作業(yè)角度左右各30度。副鉤最大起重量1 200 t，最大起升高度為主甲板面以上140 m。起重機(jī)臂架擱架和吊鉤鉤箱位于船舶右舷，擱置時(shí)臂架最外側(cè)不超出船寬。

4.4" "壓載和抗橫傾系統(tǒng)

本船壓載水系統(tǒng)配置4臺(tái)800 m3/h壓載泵及1臺(tái)壓載水處理裝置，4臺(tái)壓載泵分別布置在艏、艉泵艙的左右舷，采用環(huán)形壓載總管的管路設(shè)計(jì)，壓載總管上設(shè)置分區(qū)隔離閥，可以實(shí)現(xiàn)4臺(tái)壓載泵分四個(gè)區(qū)域獨(dú)立進(jìn)、排水，也可同時(shí)實(shí)現(xiàn)艏、艉或左、右壓載水的快速、靈活調(diào)駁，可以及時(shí)、有效地調(diào)整船舶浮態(tài)。

全回轉(zhuǎn)起重機(jī)在回轉(zhuǎn)起重作業(yè)時(shí)，起重機(jī)和重物重心的變化導(dǎo)致其施加給船的力矩變化，并使船產(chǎn)生橫傾。為保證回轉(zhuǎn)起重作業(yè)期間的船舶穩(wěn)性，需根據(jù)作業(yè)情況調(diào)整壓載水。因此，除常規(guī)壓載水系統(tǒng)外，抗橫傾系統(tǒng)是起重機(jī)回轉(zhuǎn)作業(yè)工況下至關(guān)重要的系統(tǒng)，直接影響作業(yè)安全及作業(yè)效率[3]。為實(shí)現(xiàn)快速橫向調(diào)撥壓載水，本船設(shè)置獨(dú)立的抗橫傾系統(tǒng)，詳見(jiàn)下文“5.1 起重機(jī)系統(tǒng)與抗橫傾系統(tǒng)”。

4.5" "錨泊定位

本船配備8點(diǎn)錨泊定位系統(tǒng)，作業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)境條件如下：

最大設(shè)計(jì)作業(yè)水深" " 100 m

有義波高 2.5 m

風(fēng)速 17.1 m/s

流速 4.0 kn

本船設(shè)8臺(tái)定位錨絞車，首尾各4 臺(tái)。艉部定位錨鋼絲繩經(jīng)導(dǎo)向滑輪從主甲板下的定位絞車導(dǎo)向主甲板并經(jīng)導(dǎo)向滑輪和艉部萬(wàn)向?qū)Ю|器引出船外，同定位錨連接。艏部定位錨鋼絲繩經(jīng)導(dǎo)向滑輪從主甲板的定位絞車導(dǎo)向中間甲板，后經(jīng)導(dǎo)向滑輪和舷邊萬(wàn)向?qū)Ю|器引出船外，同定位錨連接。

4.6" "上層建筑

本船定員150人，按特種用途船SPS的要求設(shè)計(jì)，艙室布置滿足MLC海事勞工公約2006要求。設(shè)1人套間（帶會(huì)客室）4間、1人室46間、2人室50間，每個(gè)2人室的面積不小于4人室14.5 m2的要求，充分考慮船員舒適性和分區(qū)合理性。

5" " 關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)論證

主要系統(tǒng)設(shè)計(jì)和艙室布置是船舶總體布置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，下面對(duì)起重機(jī)系統(tǒng)與抗橫傾系統(tǒng)、動(dòng)力定位系統(tǒng)與推進(jìn)器系統(tǒng)、錨泊定位系統(tǒng)和艙室布置進(jìn)行論證。

5.1" "起重機(jī)系統(tǒng)與抗橫傾系統(tǒng)

起重機(jī)的性能指標(biāo)是起重船作業(yè)能力最關(guān)鍵的性能指標(biāo)，起重能力的大小又與船舶各項(xiàng)參數(shù)密切相關(guān)。起重能力越大，船舶設(shè)計(jì)穩(wěn)性要求越高，壓載艙調(diào)載、相關(guān)設(shè)備選型要求越高，對(duì)主尺度要求越高，直接提高了船舶造價(jià)。但起重能力不足，不能適應(yīng)當(dāng)下海上風(fēng)電作業(yè)大型化的趨勢(shì)，船舶性能利用率低，經(jīng)濟(jì)效益低，總體設(shè)計(jì)指標(biāo)不合理。

總體設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)海上風(fēng)電施工作業(yè)的當(dāng)前形勢(shì)和未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行了充分的調(diào)研，選擇性能合適的起重機(jī)，保證既能夠滿足海上風(fēng)電當(dāng)前和未來(lái)的作業(yè)形勢(shì)，又兼具本船的經(jīng)濟(jì)性、投資收益回報(bào)率。

國(guó)內(nèi)近幾年新建的專用于海上風(fēng)電施工大型起重船，起重能力多為3 000～4 500 t，本船起重能力最大尾吊4 000 t、全回轉(zhuǎn)吊3 000 t，吊高120 m，為國(guó)內(nèi)最大起重高度，滿足當(dāng)前及未來(lái)海上風(fēng)電施工的作業(yè)要求，并且與船舶主尺度、設(shè)備選型、壓載艙調(diào)載能力合理匹配，運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性高。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，本船在全回轉(zhuǎn)吊重3 000 t @ 45 m回轉(zhuǎn)90°作業(yè)時(shí)，需要向反方向調(diào)撥的水量約為4500 m3。本船在綜合考慮船舶縱傾和穩(wěn)性，本船共設(shè)置10對(duì)壓載水艙，其中5對(duì)兼作調(diào)橫傾水艙，每對(duì)調(diào)橫傾水艙需要調(diào)撥的水量約為900 m3，保證船舶在航行和起重作業(yè)工況下均具有合適的浮態(tài)和穩(wěn)性；共設(shè)置10臺(tái)排量為1 500 m3/h的雙向調(diào)橫傾泵，每對(duì)調(diào)橫傾水艙2臺(tái)。整個(gè)抗橫傾系統(tǒng)可在約20分鐘左右完成調(diào)撥上述回轉(zhuǎn)作業(yè)過(guò)程所需的壓載水。抗橫傾系統(tǒng)具備獨(dú)立的控制系統(tǒng)，可自動(dòng)及手動(dòng)控制。在自動(dòng)控制模式下，系統(tǒng)需根據(jù)船舶橫傾狀態(tài)自動(dòng)啟停調(diào)橫傾泵及開(kāi)閉管路上的閥門(mén)等。調(diào)橫傾泵采用分區(qū)供電，提高系統(tǒng)冗余度，系統(tǒng)閥門(mén)采用氣動(dòng)單作用遙控閥，該形式閥門(mén)具備開(kāi)閉時(shí)間短、故障模式下自動(dòng)關(guān)閉的特點(diǎn)，可以有效減少調(diào)橫傾艙之間的“回流效應(yīng)”以及保障故障模式下船舶浮態(tài)的穩(wěn)定性，有效提高作業(yè)安全。

5.2" "動(dòng)力定位系統(tǒng)與推進(jìn)器系統(tǒng)

動(dòng)力定位系統(tǒng)和推進(jìn)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足航行能力和動(dòng)力定位能力要求，兼具船舶造價(jià)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性。

本船的動(dòng)力定位系統(tǒng)和推進(jìn)器系統(tǒng)分為3個(gè)冗余的分組：艏側(cè)推T1與主推進(jìn)器T6及其輔助用電設(shè)備均由1號(hào)DP分組供電；艏側(cè)推T2與主推進(jìn)器T4及其輔助用電設(shè)備均由2號(hào)DP分組供電；艏側(cè)推T3與主推進(jìn)器T5及其輔助用電設(shè)備均由3號(hào)DP分組供電。在DP工況下，3個(gè)DP分組各自獨(dú)立運(yùn)行，互不干擾。單個(gè)DP分組的故障不影響其余兩個(gè)DP分組正常運(yùn)行，降低了推進(jìn)器損失率，極大的提高了供電可靠性和動(dòng)力定位能力。

5.3" "錨泊定位系統(tǒng)

海上風(fēng)電施工船舶需長(zhǎng)時(shí)間定位時(shí)，錨泊定位系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)。典型的單樁基礎(chǔ)施工周期約為1～2周，期間僅“吊樁、沉樁、打樁”過(guò)程需要精確定位，一般不超過(guò)24小時(shí)，施工船多數(shù)時(shí)間為待命狀態(tài)，因此采用錨泊定位系統(tǒng)有利于節(jié)省船舶的燃油消耗，降低運(yùn)營(yíng)成本。

本船在方案設(shè)計(jì)階段，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求采用6點(diǎn)錨泊定位，經(jīng)ARAINE軟件分析計(jì)算，可覆蓋65%以上的環(huán)境方位，對(duì)于其他環(huán)境方位可通過(guò)調(diào)整船位及拋錨方式達(dá)到作業(yè)要求。最終根據(jù)我司建議船東采用8點(diǎn)錨泊定位，可以覆蓋全方位的定位，提高了作業(yè)效率及安全性。

5.4" "艙室布置

本船上層建筑布置充分考慮相關(guān)規(guī)范規(guī)則要求和船員的生活需求，通過(guò)對(duì)船員住艙及功能服務(wù)處所的合理布置，為船員提供舒適便利的居住環(huán)境。

船員和工作人員艙室采用分區(qū)布置，便于人員管理。B甲板為船員住艙，共29人，滿足最低配員要求。A甲板前部為船員住艙，共21人，后部為工作人員住艙，共28人。艏樓甲板、中間甲板可居住工作人員72人。上建布置合理緊湊，避免了上建受風(fēng)面積過(guò)大影響動(dòng)力定位能力。每個(gè)臥室都有自然采光，人員分區(qū)合理，在功能區(qū)及居住區(qū)直接通過(guò)合理的隔離，達(dá)到最佳的住宿效果。

振動(dòng)和噪聲會(huì)使船舶整體環(huán)境惡化，損壞各項(xiàng)器件，降低機(jī)械設(shè)備效能和縮短船舶壽命，影響人員的身體健康。因此，有效控制振動(dòng)和噪聲，能提高船舶運(yùn)行的效能，為船員提供良好的工作、生活環(huán)境，也減少對(duì)周圍環(huán)境的污染[4]。本船噪聲要求滿足MSC.337（91）《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》。設(shè)計(jì)中首先從振動(dòng)和噪聲的源頭控制，選擇噪聲小的設(shè)備，大型設(shè)備底座做加強(qiáng)處理，采用必要的彈性連接，避免船體共振的產(chǎn)生。其次在結(jié)構(gòu)和隔音上作特殊考慮，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)過(guò)度、增加隔音絕緣材料厚度，減少噪聲傳播。并通過(guò)應(yīng)用能量統(tǒng)計(jì)法（SEA）對(duì)船舶的一些主要艙室進(jìn)行預(yù)報(bào)分析，根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)以達(dá)到更好的噪聲控制效果。航行工況和DP工況下的聲壓云圖如圖3及圖4所示。

為了確保本船的振動(dòng)滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)用有限元法建立全船三維有限元模型，進(jìn)行船體總振動(dòng)、上層建筑、桅桿等結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析，包括固有頻率和強(qiáng)迫響應(yīng)計(jì)算。并對(duì)機(jī)艙、艉部及上層建筑部位板、板格、板架等局部結(jié)構(gòu)固有頻率進(jìn)行計(jì)算，需要滿足中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》第8篇第16章船舶舒適性中對(duì)船舶振動(dòng)的規(guī)定的要求，以指導(dǎo)本船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

6" " "結(jié)束語(yǔ)

總體布置設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先考慮本船性能指標(biāo)和功能要求，通過(guò)參考已有的類似船型、優(yōu)化主要參數(shù)和設(shè)備選型、計(jì)算性能指標(biāo)并持續(xù)改進(jìn)，最終保證本船具有船型設(shè)計(jì)合理、功能全面、技術(shù)先進(jìn)、作業(yè)效率高等優(yōu)點(diǎn)。4 000 t自航式全回轉(zhuǎn)起重船交付使用后，將成為海上風(fēng)電施工領(lǐng)域功能全面、作業(yè)能力一流的工程船，并且該船的總體設(shè)計(jì)思路可供相類似船型設(shè)計(jì)借鑒。

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