某5000t駁船改裝設(shè)計(jì)研究

中圖分類號(hào)： U674.18+3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on Conversion Design of a 5 Ooo t Barge

CHEN Jian Liang12， ZHAO Yong Ping12，， CHEN Xin1，2 （1.CoscoSippingHeaIdustry（Guangdong）CoLd.，Dongguan53146，China;2GuangdongProvincialKeyLaboratoryofAdaced ManufacturingTechnology forMarine EnergyFacilities，Dongguan ，China）

Abstract： A company plans to convert a 5000t launching barge， originally designed for Inland River Class B navigation areas， into an offshore transport barge to better align with corporate development and current market demands.This paper analyzes the feasibility ofthe conversion scheme and focuses on the challnges in structural redesign under the requirements of the China Clasification Society （CCS），including longitudinal strength calculation beyond standard specifications，direct wave load calculation，structural compliance assessment，and global fnite element analysis.The proposed conversion scheme ofers simplified construction and provides reference for similar vessel modifications.

Key words： conversion design; semi-submersible barge; offshore transport barge

1 引言

某公司原有內(nèi)河5000t級(jí)下水駁船，該下水駁是根據(jù)公司船臺(tái)、碼頭場地條件設(shè)計(jì)建造，由浮箱和四個(gè)塔樓組成，其中艉部塔樓為可拆式，浮箱甲板配備拉移軌道和頂推設(shè)備，主要用于小型船舶下水。隨著公司業(yè)務(wù)發(fā)展，下水駁在使用過程中表現(xiàn)出以下局限性：1）不具備運(yùn)輸功能；2）航區(qū)為內(nèi)河B級(jí)，每次近海拖航需要核算穩(wěn)性，提交資料報(bào)備海事局；3）駁船最大寬度42.5m ，按照《廣東海事局轄區(qū)船舶安全航行規(guī)定》的要求，屬于超寬船舶，拖航時(shí)需提前報(bào)備海事局。因此，該下水駁逐漸閑置。為了盤活資產(chǎn)，公司擬對(duì)該下水駁進(jìn)行升級(jí)改裝，使之具備近海運(yùn)輸功能，以承接海上大件運(yùn)輸業(yè)務(wù)，比如載運(yùn)海上風(fēng)電裝置等。

2 可行性分析

2.1下水駁現(xiàn)狀

該下水駁為企業(yè)船舶建造配套設(shè)施，滿足總重量不大于 5000t. 、長度 100m 以內(nèi)、寬度小于 36m 的船舶或鋼結(jié)構(gòu)拉移下水和起浮出塢的要求，主要用于57000DWT散貨船艉總段半船下水以及PSV海工輔助船下水等。下水駁主尺度如下所示。下水駁改裝前總布置如圖1、圖2所示。

駁長 /m 95.0;

型寬 /m 38.5;

塔樓長/m 12.5;

塔樓寬/m 2.1；

塔樓數(shù)量 4； 塔樓間橫向凈寬 /m 36.1;

塔樓間縱向凈寬 /m 75.0 ;

浮箱甲板高 /m 5.4；

塔樓頂甲板高 /m 19.0 ;

最大沉深吃水 /m 10.5 ;

工作吃水 /m 3.0;

全船肋距 /m 0.625;

壓載艙數(shù)量 28；

壓載艙容積 /m³ 17 743.0

2.2目標(biāo)產(chǎn)品

在國家大力發(fā)展新能源的政策背景下，海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，導(dǎo)管架安裝量大幅增長，2021年導(dǎo)管架安裝超600臺(tái)（主要為江蘇大豐、廣東陽江項(xiàng)目）。2022年短暫回落，安裝量約300＼～400臺(tái)。2023年安裝量反彈至500＼～700臺(tái)（青洲五－七、福建長樂等項(xiàng)目密集交付）。2024＼～2025年預(yù)測：年均新增導(dǎo)管架需求 800～1000 臺(tái)。風(fēng)電導(dǎo)管架需求量增長相應(yīng)帶動(dòng)了導(dǎo)管架及配套設(shè)施等超長、超重、超大件的海上裝卸和運(yùn)輸業(yè)務(wù)增長，運(yùn)輸單價(jià)逐年攀升。此外，隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展和升級(jí)，其他特殊貨物比如鋼結(jié)構(gòu)橋梁、鋼管樁等海上運(yùn)輸業(yè)務(wù)的運(yùn)力也亟待增長?；谝陨袭a(chǎn)業(yè)前景分析，公司擬對(duì)該下水駁進(jìn)行改裝，使之具有近海運(yùn)載甲板貨物拖航的能力，拖航運(yùn)輸?shù)哪繕?biāo)產(chǎn)品有：1）風(fēng)電導(dǎo)管架，擬單航次運(yùn)輸一至兩套，總重不超過3000t ；2）運(yùn)輸鋼結(jié)構(gòu)橋梁、鋼管樁等外形相對(duì)規(guī)則的貨物，目標(biāo)承載重量為 8000t

2.3 可行性分析

針對(duì)擬運(yùn)輸?shù)哪繕?biāo)產(chǎn)品，從以下幾方面對(duì)下水駁改裝的可行性進(jìn)行分析。

1）浮箱甲板產(chǎn)品布置可行性

該下水駁原用于船舶或鋼結(jié)構(gòu)下水，其浮箱甲板具備承載貨物的能力；下水駁原設(shè)計(jì)承載能力為5000t ，根據(jù)公司近年來承接建造的導(dǎo)管架的相關(guān)參數(shù)，三樁、四樁風(fēng)電導(dǎo)管架最大寬度（含運(yùn)輸工裝）均未超過 32m ，單套重量不超過 1200t ，按該數(shù)據(jù)計(jì)算，下水駁單船可布置兩套導(dǎo)管架，如圖3、圖4所示。另一個(gè)運(yùn)輸目標(biāo)產(chǎn)品：鋼結(jié)構(gòu)橋梁分段和鋼管樁的單件尺寸重量相對(duì)較小，該下水駁完全可以運(yùn)輸。

2）駁船最大載重量

下水駁原空船重量 2821.3t ，初步核算，改裝后的空船重量小于 3200t ，工作吃水改為 3.5m ，比原設(shè)計(jì)工作吃水增加 0.5m ， 3.5m 吃水時(shí)排水量達(dá)到 12801t ，因此改裝后可以裝載總重量 8000t 的鋼結(jié)構(gòu)分段、鋼管樁等產(chǎn)品。

3）內(nèi)河航區(qū)改裝為近海航區(qū)可行性

本船改裝成近海運(yùn)輸駁船后，航區(qū)由“內(nèi)河B級(jí)”改為“近?！?，經(jīng)過初步測算，改裝后下水駁穩(wěn)性滿足中華人民共和國海事局《國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》關(guān)于完整穩(wěn)性相關(guān)要求[。

4）下水駁增加運(yùn)輸功能可行性

下水駁原設(shè)計(jì)可承載船舶或鋼結(jié)構(gòu)在各碼頭間拖航，本次改裝根據(jù)運(yùn)輸產(chǎn)品常規(guī)尺寸與重量，設(shè)計(jì)了導(dǎo)管架和鋼管樁這兩種運(yùn)輸工況的綁扎方案，并依據(jù)《海上拖航指南2011》[2初步對(duì)兩種方案進(jìn)行綁扎力和綁扎強(qiáng)度計(jì)算，結(jié)果表明綁扎方案可行。

5）超寬改裝可行性

下水駁塔樓結(jié)構(gòu)不涉及總縱強(qiáng)度，原設(shè)計(jì)為可拆式，只需要將原來左右舷的塔樓各自往船中橫移，最大船寬可由 42.5m 改裝為 39.3m ，如圖5所示，內(nèi)寬32.9m ，可以滿足公司常規(guī)產(chǎn)品的運(yùn)輸需求，同時(shí)也滿足廣東海事局安全航行規(guī)定，內(nèi)河航行無需申報(bào)。

綜上所述，通過一些必要的改裝設(shè)計(jì)，下水駁可滿足近海運(yùn)輸目標(biāo)產(chǎn)品的各項(xiàng)要求。

2.4改裝設(shè)計(jì)難點(diǎn)

本次改裝設(shè)計(jì)主要涉及下水駁的工作吃水增加和航區(qū)改變，這可能導(dǎo)致船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或者拖航穩(wěn)性不滿足規(guī)范要求。經(jīng)過初步核算，下水駁在各種典型工況下穩(wěn)性均滿足要求，改裝設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面：

1）總縱強(qiáng)度計(jì)算要求的波浪載荷直接計(jì)算；

2）總縱強(qiáng)度校核；

3）全船結(jié)構(gòu)規(guī)范校核；

4）整船有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算。

3 改裝設(shè)計(jì)

按擬訂的改裝方案，根據(jù)CCS《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2021）3（以下簡稱“規(guī)范”）開展詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括采用CCS軟件COMPASS對(duì)4種典型工況進(jìn)行穩(wěn)性校核；裝數(shù)計(jì)算、錨系泊設(shè)備布置、防火控制、消防救生設(shè)備、照明、航行燈系統(tǒng)等改裝設(shè)計(jì)等。下面主要針對(duì)結(jié)構(gòu)改裝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行介紹。

3.1波浪載荷直接計(jì)算

采用DNVSesam軟件，對(duì)完整穩(wěn)性報(bào)告中所述的4種典型工況進(jìn)行波浪載荷直接計(jì)算，計(jì)算使用質(zhì)量點(diǎn)來模擬沿船長方向的重量分布情況，采用P-M波浪譜和北大西洋波浪散布圖，取 10^-8 概率水平的長期預(yù)報(bào)結(jié)果作為本船的波浪載荷直接計(jì)算結(jié)果，得到4種典型工況下波浪載荷規(guī)范化修正后結(jié)果，圖6所示為下水駁運(yùn)輸2套導(dǎo)管架工況的波浪載荷直接計(jì)算結(jié)果。

3.2總縱強(qiáng)度校核

根據(jù)規(guī)范要求，船中最小剖面模數(shù)為 4.39× 106cm³ 、最小慣性矩為 1.25×109cm⁴ ；改裝前船中慣性矩 1.16×109cm⁴ 、甲板處剖面模數(shù) 4.41×106cm³ 、底板處剖面模數(shù) 4.21×106cm³ ，不滿足規(guī)范要求。針對(duì)原下水駁總縱強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求的問題，根據(jù)原船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，經(jīng)過反復(fù)迭代試算，選擇最簡單最方便施工的改裝方案：船中 0.4L 區(qū)域L6P/S、L7P/S、L21P/S和L22P/S這8個(gè)位置在原有縱骨的基礎(chǔ)上新增縱桁，如圖7、圖8所示，圖7為原船的典型普通肋位，圖8為改裝后的肋位，圖示為左舷，右舷對(duì)稱；新增縱桁規(guī)格為：甲板縱桁 T520×20/120×20 、外底板縱桁T360×20/120×20 、增加縱桁之后船中最小慣性矩為1.25×109cm⁴ 、甲板處剖面模數(shù)為 4.75×106cm³ 、底板處剖面模數(shù)為 4.52×106cm³ ，滿足規(guī)范要求。

根據(jù)載運(yùn)的目標(biāo)產(chǎn)品的特點(diǎn)，完整穩(wěn)性報(bào)告考慮了4種典型工況，采用CCS計(jì)算軟件COMPASS對(duì)4種典型工況進(jìn)行核算，得到沿船長方向各個(gè)剖面的靜水彎矩和剪力的包絡(luò)值，結(jié)合直接計(jì)算法確定的波浪載荷，得到各個(gè)典型橫剖面的合成彎矩和合成剪切力。

經(jīng)過計(jì)算，各典型橫剖面上的彎曲應(yīng)力、舷側(cè)外板和縱艙壁板上的剪切應(yīng)力均滿足總縱強(qiáng)度的要求。

3.3全船結(jié)構(gòu)規(guī)范校核

根據(jù)規(guī)范第2篇第2章規(guī)定，對(duì)下水駁各區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)范核算。主要結(jié)構(gòu)規(guī)范校核結(jié)果如表1，由該表可以得出，原下水駁浮箱主要結(jié)構(gòu)的規(guī)格均滿足改裝設(shè)計(jì)的要求。

由于本船為半潛駁船，參考規(guī)范第2篇第12章駁船、第15章半潛船的針對(duì)性要求，浮箱結(jié)構(gòu)需增加支柱和斜撐，支柱規(guī)格為 D194×10 ，斜撐規(guī)格為L140×140×12 0

3.4整船有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算

根據(jù)規(guī)范，船舶尺度超出規(guī)定時(shí)應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算。本文選取完整穩(wěn)性報(bào)告中的運(yùn)載8000t鋼管樁的典型工況，進(jìn)行整船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元計(jì)算，計(jì)算使用DNVSesam軟件，計(jì)算的流程見圖9。

本船在各個(gè)主要載荷控制參數(shù)得到的等效設(shè)計(jì)波作用下，屈服計(jì)算結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明本船主要構(gòu)件屈服計(jì)算滿足規(guī)范要求。

屈曲強(qiáng)度校核選擇1/2船長處最大垂向彎矩作為主要載荷控制參數(shù)確定的設(shè)計(jì)波來校核，主要針對(duì)典型結(jié)構(gòu)，比如甲板、船底外板、舷側(cè)外板、縱艙壁、橫艙壁等。應(yīng)用 Sesam/GeniE 模塊對(duì)板架結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲校核，選取CSRTank作為屈曲校核標(biāo)準(zhǔn)，通過計(jì)算各板塊的利用系數(shù)來驗(yàn)證。

DNVSesam軟件進(jìn)行屈曲校核有兩種方式：方式1用于縱向構(gòu)件，方式2用于主要支撐構(gòu)件。經(jīng)過計(jì)算，甲板、船底外板、舷側(cè)外板、縱艙壁、橫艙壁等構(gòu)件，其利用系數(shù)均小于10，滿足規(guī)范要求。經(jīng)過以上計(jì)算分析，證明整船結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求。

4 改裝施工

本次改裝工程主要位于浮箱結(jié)構(gòu)內(nèi)。

4.1加裝縱桁與斜撐

浮箱區(qū)域在原船4檔縱骨基礎(chǔ)上增加縱桁，甲板與底板之間增加斜撐，圖10為該船基本結(jié)構(gòu)縱剖面部分截圖，圖中云線所示為新加的T材和斜撐；L6P/S、L7P/S、L21P/S和L22P/S在船中0.4L范圍內(nèi)增加縱桁，斜撐僅在L7P/S、L21P/S這4個(gè)位置增加。

4.2加裝支柱與斜撐

橫向強(qiáng)框架，需在縱向位置L6、L11、L22增加支柱，如圖11中云線框所示，增加了支柱、斜撐，以及相應(yīng)的肘板。

4.3加裝錨鏈艙

根據(jù)規(guī)范要求，本次改裝增加航行錨1個(gè)，并在左艉塔樓增設(shè)了錨鏈艙。

上述4.1、4.2改裝工程集中在浮箱區(qū)域，浮箱層高 5400mm ，有足夠的改裝空間，4.3在左艉塔樓，插人艙壁。經(jīng)技術(shù)與工法部門綜合評(píng)估，這三處修改施工難度不大。

5 結(jié)語

本次下水駁改裝設(shè)計(jì)，根據(jù)規(guī)范要求深入研究了改裝方案的可行性，通過波浪載荷直接計(jì)算、整船有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算以及相關(guān)計(jì)算報(bào)告和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了下水駁改裝為近海運(yùn)輸駁的方案，對(duì)于類似船舶的改裝有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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[2]中國船級(jí)社.海上拖航指南[S].北京：人民交通出版社，2011.

[3]中國船級(jí)社.國內(nèi)航行海船建造規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2021.