某坐底式半潛駁船專用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

辛來(lái)寶 鄒愛(ài)芳

摘? ? 要：半潛駁船在工程上的應(yīng)用由來(lái)已久，其主要在運(yùn)輸大型海上石油鉆井平臺(tái)，大型預(yù)制結(jié)構(gòu)件，超長(zhǎng)、超重設(shè)備、設(shè)施，以及港口/碼頭建設(shè)，岸外工程建設(shè)，修、造船舶，打撈沉船，運(yùn)送深水船舶等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。近期，隨著海上風(fēng)電業(yè)的興起，半潛駁船又應(yīng)用于風(fēng)機(jī)機(jī)艙、塔筒、葉片運(yùn)輸，還可在潮間帶坐底兼作風(fēng)機(jī)安裝作業(yè)設(shè)施。該型船作業(yè)系統(tǒng)獨(dú)特，本文將簡(jiǎn)要介紹其壓載和船底噴沖專用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；半潛駁船；壓載和船底噴沖系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.83+2 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Specialized System Design of a Bottom-Sitting Semi-Submersible Barge

XIN Laibao，? ZOU Aifang

（ Shanghai Bestway Marine Engineering Design Co.， Ltd.，? ?Shanghai 201612 ）

Abstract： Semi-submersible barge has been used in projects for a long time. It plays an important & unique role in transporting super long and overweight equipment that cannot be separated and carried， such as large offshore oil drilling platforms， large ships and prefabricated components， as well as in port/dock construction， offshore engineering project construction， repairing and building ships， salvaging sunken ships， transporting deep-water ships through shallow water channels， etc. With the rise of offshore wind power industry in recent period， new mission has been given for the semi-submersible barge： to transport the fan engine room， tower barrel and blade， and to use as a fan installation ship while bottom sitting during intertidal zone. Such ship operation system is especially unique. This paper outlines the special system design such as its ballast and bottom jet systems for the semi-submersible barge.

Key words： offshore wind power;? semi-submersible barge;? ballast and bottom jet system

1? ? ?前言

風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，是一種清潔型能源?，F(xiàn)有陸上風(fēng)力發(fā)電和海上風(fēng)力發(fā)電兩種型式。陸上風(fēng)力發(fā)電發(fā)展較早，但其易受地形阻力的影響，往往會(huì)產(chǎn)生噪音擾民。另外，陸地上能建風(fēng)電的余地十分有限，而海上可用面積多，風(fēng)流量大、風(fēng)力足，且一般無(wú)地形阻力的影響，同時(shí)也無(wú)占用農(nóng)耕地和林業(yè)用地?fù)?dān)憂，故海上風(fēng)電發(fā)展前景可觀。

但海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)亦存在諸多難題，如施工難度高，施工周期長(zhǎng)等等，導(dǎo)致海上風(fēng)電成本比陸上風(fēng)電高50%～100%，其中海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)總成本中的22%用于風(fēng)電安裝中[1]。風(fēng)電安裝是海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)建設(shè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其中包含風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)安裝、機(jī)艙安裝以及葉片安裝等主要工程。

海上風(fēng)電安裝受作業(yè)海域水深影響大，常見(jiàn)采用以下方案作業(yè)：在潮間帶可采用坐底式半潛駁船或坐底式平臺(tái)；在淺水區(qū)域可采用殼體式或桁架式樁腿[2]；當(dāng)水深超過(guò)60 m時(shí)，一般采用圓柱式樁腿配備插銷(xiāo)式液壓升降系統(tǒng)或桁架式腿配備齒輪齒條升降系統(tǒng)。此外，在天氣和波浪條件較好的水域可采用起重船。由此可知，坐底式半潛駁船具有一定的市場(chǎng)。而該船型屬特種工程船，系統(tǒng)配置復(fù)雜，其中壓載和船底噴沖系統(tǒng)是其關(guān)鍵的專用技術(shù)。本文將以某坐底式半潛駁船為例，簡(jiǎn)要介紹其壓載和船底噴沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2? ? ?某半潛駁船及坐底作業(yè)概況

2.1? ?半潛駁船基本情況

某坐底式半潛駁船主尺度參數(shù)參見(jiàn)表1所示。其主船體為鋼質(zhì)箱型、單底、單甲板焊接結(jié)構(gòu)，四角塔樓，首部左右塔樓橋接，無(wú)甲板室，設(shè)有 8點(diǎn)錨泊定位設(shè)備。

該船漂浮和坐底狀態(tài)分別見(jiàn)圖1（a）和（b）所示。

2.2? ?坐底作業(yè)

該船可坐底作業(yè)。按狀態(tài)分為干式坐底和濕式坐底型式。

干式坐底型：整船坐落于無(wú)水（水深為0）的海底泥/砂床上。

濕式坐底型：整船半潛坐底，舷外海面保持一定的自然水深。其又分為無(wú)浮力坐底和有浮力坐底兩種工型式。前者的船底入泥與海床完全接觸，底部無(wú)浮力作用；后者是部分船底區(qū)域未能接觸到海床，在船舶底部產(chǎn)生一定浮力。其原因有：由于坐底時(shí)的回流沖刷海床形成的局部“掏空”進(jìn)水，或雖底部接觸入泥，但海床泥土具有較大的透水特性，其含水量較高（含水量越低，所產(chǎn)生的浮力越?。┑?。

影響坐底半潛駁船作業(yè)可靠性的關(guān)鍵性系統(tǒng)主要有壓載系統(tǒng)和船底噴沖系統(tǒng)。壓載系統(tǒng)通過(guò)控制泵和遙控閥等來(lái)實(shí)現(xiàn)船舶的下潛（包括坐底）和上浮，合理的壓載艙布置和壓載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于此型船的作業(yè)可靠性和安全性尤為重要。而船底噴沖系統(tǒng)通過(guò)高壓水沖擊船底，以使其可快速上浮，能遷移至下一個(gè)工位作業(yè)點(diǎn)，因此該系統(tǒng)可以說(shuō)是該型船舶上浮并脫離海床的保障系統(tǒng)。

3? ? 壓載艙布置及壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1? ?壓載艙布置

該型船為濕式坐底型。為確保坐底時(shí)船舶性能，根據(jù)總布置情況，在主甲板以下共設(shè)有20個(gè)壓載艙。壓載艙應(yīng)盡量均勻分布，各艙艙容宜相近，以使各艙注、排水時(shí)間基本相同為宜，并可防止因過(guò)大的不均勻引起局部沉陷問(wèn)題。其分布圖如圖2所示。

依據(jù)CCS船舶坐底作業(yè)附加要求，總體計(jì)算計(jì)及了100%浮力，即對(duì)地壓力有超壓水量，以保證坐底抗傾、抗滑移，同時(shí)也考慮海流對(duì)海底土壤的沖刷引起的負(fù)作用。最終本船最大坐底吃水確定為36 m。

為能實(shí)現(xiàn)最大吃水狀態(tài)坐底，四角塔樓下的8個(gè)壓載艙（BWT1（P2）、BWT1（S2）、BWT2（P2）、BWT2（S2） 、BWT4（P2）、BWT4（S2）、BWT5（P2）、BWT5（S2））往上延伸直到平臺(tái)甲板（距基線高45 m），以存儲(chǔ)足夠的壓載水（以下稱其為“超壓水”），如圖3所示。

3.2? ?壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證本船能安全可靠地上浮、下潛及坐底作業(yè)，該船所有壓載艙設(shè)有一套具備動(dòng)力注入/排出的壓載系統(tǒng)，其主要由壓載泵、遙控閥門(mén)、液位遙測(cè)等組成。

設(shè)計(jì)時(shí)首先需確定總壓載水量、進(jìn)排水時(shí)間、壓載泵流量和揚(yáng)程等主要參數(shù)。全船起浮所需排出壓載水估算約36 850 t， 為縮短起浮時(shí)間，使從最大沉深上浮至設(shè)計(jì)吃水不超過(guò)2.5小時(shí)，全船共設(shè)8臺(tái)壓載泵，每臺(tái)泵排量應(yīng)不小于下式計(jì)算結(jié)果q，以增加有效的作業(yè)窗口期。

（1）

式中：q為每臺(tái)壓載泵的排量，m3/h；Q 為壓載泵的總排量，t ；n 為壓載泵的數(shù)量，臺(tái) ；t 為作業(yè)時(shí)間，h 。

該船在主甲板下首、尾各設(shè)1個(gè)泵艙。首泵艙內(nèi)布置4臺(tái)壓載泵，每舷各布置2臺(tái)壓載泵。尾泵艙內(nèi)亦布置4臺(tái)壓載泵，每舷各布置2臺(tái)壓載泵。8臺(tái)壓載泵可同時(shí)工作，即同時(shí)注入或排出艙內(nèi)壓載水。各泵艙內(nèi)左、右舷的壓載泵通過(guò)橫向總管相連接，每臺(tái)壓載泵都可以抽吸（或注入）同側(cè)或另一側(cè)的壓載水艙，系統(tǒng)具有冗余功能。考慮首、尾泵艙相距較遠(yuǎn)，縱向壓載總管不連通。其壓載管及吸口布置如圖4所示。

由于“超壓水”的存在，則壓載泵揚(yáng)程不能按常規(guī)沉浮曲線上最大壓差（～10.8 m）選取，應(yīng)依據(jù)最大外部吃水與壓載艙液位差及管路阻力損失計(jì)算[3]綜合考慮確定。初步計(jì)算最大沉深時(shí)壓載泵需要克服總共約16 m水柱的重力勢(shì)能和管路總阻力，為此，該船壓載泵揚(yáng)程最終選取20 m水柱。

該船壓載水總管為單總管式，其進(jìn)、排水均從海水箱所連接的總管通過(guò)。為減少排水時(shí)管路阻力，壓載泵出口宜朝向海水箱。經(jīng)綜合考慮，對(duì)于四角塔樓下的8個(gè)“超壓水”壓載艙，其單個(gè)壓載艙進(jìn)、排水支管通過(guò)的設(shè)計(jì)流量取單臺(tái)壓載泵排量（～2000 m3/h），管內(nèi)流速按常規(guī)選取2～3 m/s。該支管管徑di由計(jì)算確定，其通徑選取DN550。各艙支管末端采用2個(gè)DN400支吸口，便于艙結(jié)構(gòu)圍繞吸口布置構(gòu)件和加強(qiáng)。總管通徑按2臺(tái)壓載泵同時(shí)工作時(shí)的流量設(shè)計(jì)，計(jì)算后選取總管通徑選取DN800.

坐底工況時(shí)，通過(guò)向壓載艙內(nèi)注入適當(dāng)?shù)某繅狠d水（36 m水深坐底時(shí)打超壓載水量～11 350 t），以達(dá)到穩(wěn)定坐底的目的。脫離海床起浮時(shí)需排出這些壓載水。該船壓載艙數(shù)量多，且單艙容積大，故壓載艙內(nèi)水位對(duì)船舶吃水、船舶安全及功能的實(shí)現(xiàn)影響較大?；谠撔痛攸c(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：

1）該船壓載艙的液位遙測(cè)不選用常規(guī)的壓電式傳感器。因長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)后海水中攜帶的大量泥沙會(huì)逐步沉積在壓載艙內(nèi)，容易堵住壓電式傳感器測(cè)點(diǎn)，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確甚至失效。本船采用吹氣式（或稱氣/電轉(zhuǎn)換式），壓縮空氣流經(jīng)減壓過(guò)濾器后導(dǎo)入氣/電轉(zhuǎn)換箱（內(nèi)含各壓力艙傳感器），最終通過(guò)若干不銹鋼管通向各個(gè)壓載艙。需注意：

（1）氣/電轉(zhuǎn)換箱布置位置高度應(yīng)高于被測(cè)壓載艙，以防其海水倒流而損壞其內(nèi)部電氣元件。經(jīng)實(shí)船驗(yàn)證，采用氣/電轉(zhuǎn)換箱放置在較低位置，并在通氣管上加止回閥的方式不可取，因其易發(fā)生損壞傳感器元件事故；

（2）隨著壓載艙內(nèi)水位增加，耗氣量增加明顯，故在空壓機(jī)和空氣瓶選型時(shí)應(yīng)充分考慮。

2）依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷的要求，下潛或上浮作業(yè)狀態(tài)時(shí)，以舷側(cè)為邊界的壓載水艙的壓載水面與實(shí)際吃水線之間的高度差不得超過(guò) 15 m；相鄰的壓載水艙的壓載水面高度差同樣不得超過(guò)各內(nèi)艙壁承受壓差限定值。該項(xiàng)數(shù)據(jù)可以從遙測(cè)系統(tǒng)的電腦上直接觀察監(jiān)視，并設(shè)有超值報(bào)警信號(hào)，以提醒船員及時(shí)調(diào)整各艙水位差。

3）船舶吃水傳感器所在舷側(cè)管上增設(shè)壓縮空氣吹除接口及閥門(mén)，以便船員定期開(kāi)啟閥門(mén)，用壓縮空氣對(duì)管內(nèi)進(jìn)行吹除，減少因管內(nèi)泥沙淤積引起的測(cè)量誤差甚至堵塞導(dǎo)致的失效。

4）為確保船舶平穩(wěn)坐底及加快脫離海床，四角塔樓下的8個(gè)壓載艙（BWT1（P2）、BWT1（S2）、BWT2（P2）、BWT2（S2） 、BWT4（P2）、BWT4（S2）、BWT5（P2）、BWT5（S2））增設(shè)重力注入和壓力排出壓載水功能。通舷外管（從舷邊到內(nèi)側(cè)）上依次設(shè)手動(dòng)蝶閥和遙控蝶閥。

5）壓載系統(tǒng)內(nèi)需經(jīng)常操作的閥門(mén)數(shù)量多，通徑大。為操作方便，該系統(tǒng)內(nèi)常用閥門(mén)均采用遙控蝶閥形式。本船遙控閥采用電液式雙作用驅(qū)動(dòng)頭，干式安裝。其具有安全可靠、功耗小、啟閉時(shí)間較短的特點(diǎn)。此外，進(jìn)、出壓載艙的遙控蝶閥（包括重力注入、排出閥）均采用開(kāi)度控制，以便船員在不停泵的情況下合理調(diào)節(jié)各艙壓載水速率，精準(zhǔn)控制船舶姿態(tài)，保證船舶穩(wěn)性。壓載泵出口遙控蝶閥也采用開(kāi)度控制，以降低起動(dòng)電流，保護(hù)壓載泵電機(jī)。

6）船舶坐底后，低位海水箱附近的海水通常會(huì)變渾濁，甚至被海沙、泥等覆蓋。故在每舷側(cè)的壓載泵附近分別設(shè)置獨(dú)立的高、低位海水箱，且高位海水箱位于主甲板上塔樓內(nèi)側(cè)，以減少坐底工況渾濁海水或泥沙進(jìn)入壓載艙的風(fēng)險(xiǎn)。船員可根據(jù)下潛及上浮作業(yè)區(qū)域水深以及吃水情況，合理選擇使用高、低位海水箱。

4? ? ?影響起浮的主要因素分析及噴沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1? ?影響起浮的主要因素分析

坐底時(shí)，如果海底為砂床，對(duì)船舶上浮影響很小；如果海底為泥床，則海泥將產(chǎn)生較大吸附力，對(duì)船舶上浮有較大影響。

海泥吸附力主要由側(cè)面摩檫力、底面粘著力、底面真空吸力組成。根據(jù)模型試驗(yàn)可知，底面的真空吸力主要取決于起升時(shí)海水滲入接觸面的程度。如邊界條件保證其難以滲水，則其底面真空吸力將是拉脫強(qiáng)度中的主要部分，并決定和支配著其它兩種因素[5]。因此，脫離海床起浮的關(guān)鍵在于保證船底上浮時(shí)透水的有效性，決定其能否利用船體自身浮力實(shí)現(xiàn)起浮。

4.2? ?噴沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)上述分析，該船增設(shè)船底噴沖系統(tǒng)。理論上全船底部設(shè)噴沖裝置更有利于增加船底透水的有效性。但布置過(guò)多的舷側(cè)開(kāi)孔將增加泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)引起管系路系統(tǒng)復(fù)雜，控制閥增加，泵排量加巨，泵電機(jī)功率顯著加大，電力負(fù)荷超限，電站增大，成本高等問(wèn)題。

該船通過(guò)排水操作流程上作了一些調(diào)整，僅在船舶四角、船底區(qū)域局部設(shè)置噴沖管路及噴嘴，即可滿足使用。主要是：排水過(guò)程中，當(dāng)各艙內(nèi)壓載水位降到主甲板附近時(shí)，優(yōu)先將四角塔樓下的8個(gè)壓載艙內(nèi)海水多排掉至少2 m高差的壓載水，使四個(gè)角形成上浮的力（此后這8個(gè)艙與其余壓載艙一直保持這樣的液位差。“超壓水”排出快結(jié)束時(shí)即開(kāi)啟噴沖泵。此時(shí)，舷外海水經(jīng)加壓后通過(guò)截至止回閥、噴沖管及支管、噴嘴，最終以較高射速直接噴入船體四個(gè)角船底周?chē)暮Ｄ?，利用噴沖的沖刷作用，破壞邊界條件，降低海泥對(duì)四個(gè)角船底的吸附力，保證船底海水的滲入，并從四個(gè)角形成突破口，逐漸向船底面滲水，從而達(dá)到輔助船舶上浮的目的。

本船設(shè)4臺(tái)噴沖泵，主要參數(shù)50 m3/h×2.0 MPa，首、尾泵艙內(nèi)各布置兩臺(tái)，設(shè)若干噴沖支管。

由于泵出口壓力較大，噴沖系統(tǒng)內(nèi)無(wú)縫鋼管壁厚應(yīng)按船級(jí)社規(guī)范[6-7]要求計(jì)算確定。噴沖支管上設(shè)截止止回閥，通過(guò)控制截止止回閥來(lái)控制釋放區(qū)域以及噴射流速，其噴嘴勻布布置。依據(jù)馬飛的研究理論[8]，在淹沒(méi)射流作用下，土體表面壓力分布為：

Fb = 7.05×P0×R02? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中： Fb —— r=b處對(duì)應(yīng)的作用力，kN;

r —— 射流的作用半徑；

b—— 射流的半寬厚度；

P0 —— 噴嘴出口壓力，MPa;

R0? —— 噴嘴出口半徑，m。

該船采用2 MPa壓力水源。依據(jù)總體提供的數(shù)據(jù)，按公式（2）計(jì)算其噴沖斷面半徑約為2.5 m，而實(shí)際噴嘴覆蓋面按2 m半徑布置。噴嘴典型圖如圖5所示， 局部噴沖管及噴嘴布置圖見(jiàn)圖6。

隨著壓載水不斷被排出舷外，模型試驗(yàn)顯示：拉力（由浮力提供）持續(xù)加大，船體與海床之間的粘著節(jié)點(diǎn)上的粘著力逐步被破壞，施加拉力越快，需要同時(shí)克服的結(jié)點(diǎn)上的粘著力越多。同時(shí)由于海泥的粘滯性等特征，底面的真空吸力消減隨其下海泥的膨脹變慢，起拉速率越大，拉脫強(qiáng)度越大。故在排載過(guò)程中應(yīng)盡可能勻速地排水，當(dāng)超壓水量接近全部排出時(shí)，宜大幅減小壓載水的排出量，直至提供浮力的少量剩余壓載水（～1 000 t）排完，減緩浮力的增加速度，以降低其拉脫強(qiáng)度。建議排水脫離海床上浮作業(yè)在漲潮期間進(jìn)行，以能充分利用其船體產(chǎn)生的大浮力及大海涌浪沖刷等有利條件，實(shí)船驗(yàn)證確實(shí)效果明顯。

4.3? ?噴沖系統(tǒng)操作注意事項(xiàng)

1）該船船底噴沖系統(tǒng)主要采用高壓水噴沖，設(shè)有四個(gè)噴沖區(qū)域（艏左區(qū)域、艏右區(qū)域、艉左區(qū)域、艉右區(qū)域）。每個(gè)噴沖區(qū)域由兩個(gè)沖水閥控制。在入泥較深情況下，應(yīng)采用分區(qū)域沖水（開(kāi)啟兩臺(tái)沖水泵，并開(kāi)啟該區(qū)域一個(gè)沖水閥進(jìn)行沖水）；

2）應(yīng)優(yōu)先選擇入泥較淺的區(qū)域開(kāi)始噴沖，同時(shí)優(yōu)先排出該區(qū)域的壓載水（如需）；

3）噴沖過(guò)程應(yīng)時(shí)刻觀察泵出口壓力及泵運(yùn)行情況。如出現(xiàn)泵出口壓力迅速且明顯下降，則表明噴嘴已經(jīng)沖開(kāi)。此刻尤其注意泵工作電流，如其超過(guò)泵額定工作電流，應(yīng)關(guān)停噴沖泵及該區(qū)域沖水閥，進(jìn)行下一個(gè)區(qū)域噴沖；

4）如噴嘴長(zhǎng)時(shí)間未沖開(kāi)，噴沖泵將長(zhǎng)期處于“悶泵”狀態(tài)。為防止其因“悶泵”損壞，可采用輪流使用不同噴沖泵或停泵間隔噴沖的方法，或在沖水泵出口設(shè)置旁通管路，可部分或全部開(kāi)啟旁通管路，以防止沖水泵長(zhǎng)期“悶泵”工況。此外，作業(yè)期間可采用點(diǎn)溫計(jì)等形式測(cè)溫，判斷是否需要停泵。

5? ? ?結(jié)束語(yǔ)

雖然坐底式半潛駁船型風(fēng)電安裝船受水深限制影響大，不同作業(yè)位置間的轉(zhuǎn)移速度緩慢，但總體上其造價(jià)低、建造周期短、坐底后作業(yè)穩(wěn)定性高，適用于沿海灘涂或淺水域。坐底式半潛駁船由諸多系統(tǒng)組成，本文僅概述其獨(dú)特的壓載和船底噴沖專用系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本情況，旨在為同行提供有益幫助。

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作者簡(jiǎn)介：辛來(lái)寶（1983- ），男，工程師。主要從事船舶設(shè)計(jì)工作。

鄒愛(ài)芳（1986- ），女，工程師。主要從事船舶設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2023-05-08