半潜运输船的自主研究开发

2010-05-07仲伟东王忠复

船舶与海洋工程 2010年4期

仲伟东，王忠复

（708研究所，上海 200011）

0 前言

半潜运输船（以下简称半潜船）是一种以装运超长、超重、且不可分离的超大件特殊货物运输、装卸的特种工程船，它拥有巨大的作业甲板面积，利用自身的调载系统，使船体的装载甲板在较短时间内沉入水中，将承载物拖至甲板上方，再通过调载系统使船体上浮，将承载物托举出水面并系固；当承载物运达目的地后，带着承载物下沉，解开系固，待承载物浮起与半潜船分离后，半潜船撤离、自行浮起，承载过程即告完成。半潜船还是水下救捞工程不可或缺的重要装备，配合大型起重船进行起重打捞较之常规的浮筒打捞具有快速、安全等优势。

我国自1990年代开始，由708所设计研发用于水工作业的非自航半潜船。目前世界各国不少海洋石油平台已处于保修期，急需用半潜船将这些平台拖运到基地维修，在转移井位时也需使用半潜船。其市场前景看好，租金价格高昂，具有很高的经济效益。

1 708所开发设计半潜船的历史

1990年代初，708所承担了两型用于大型水工作业的非自航半潜船——半潜驳的开发设计，这是国内首次涉足这种新船型的自主开发。

1994年建成使用的 2500t半潜驳采用旧船改装，一次成功完成2450t的电厂冷却水取水头的制作、拖运和沉放作业，节省施工投资上百万元。随后在3000t半潜驳建造中，先后完成了几十个砼沉箱的制作及沉放，较大地降低了预算的投资额。该船的钢材用料中新旧料比例为 1:5，整船造价约为进口二手船的50%，全新船的25%。3000t半潜驳于1996年建成。

2000年初，708所又承接了将一艘17万t的“南海希望”号生产储油轮改装成5万t半潜驳“重任3”号的设计任务。将该轮的船艏及部分船体结构作为主体，利用原卸货管路作为压载系统，改进原船锚泊系统的相应机械，重新安装甲板载荷为 15t/m2的全新举升甲板等。2001年交船后至2005年9月间，该船充分发挥其特长承运重大货物包括半潜平台38次[1]，见图1，创造了很大的经济效益。

图1 “重任3”号装运Spar平台立柱

此后，708所又设计开发了1.5～5万t的半潜船、自航半潜船等，积累了成熟的半潜船设计经验。

2 国内外技术发展现状

半潜船型产生之初是没有动力的半潜驳船，世界上第一艘建造的具有开敞甲板型的自航半潜船是 1979 年交付的“Super Servant 1”[2]。1980 年代开始，半潜船逐步建造和发展起来，至今具有开敞甲板型的新建半潜船有20余艘，近5年得到了快速的发展。目前世界上最大的半潜船营运商是荷兰的Dockwise 公司。我国中远航运2002年拥有了当时技术先进的2艘1.8万t半潜船后，也逐步成为一家主要的营运公司。典型半潜船主要参数见表1，部分参数摘自网络公开信息[3]。

表1 典型半潜船主要参数表

续表 1

半潜船外型有普通货船改造的开敞甲板型（二岛式或三岛式）、浮坞式或新建造的三岛或四岛式。动力装置由早期驳船仅供压载泵及移定位绞车等设备的电站，发展到依靠自身动力推进的自航式半潜船。航速也由最初的5～8km/h增加到10～15km/h，进入 21世纪后，更是出现了具有动力定位能力的半潜船，使船型适应范围更广，作业能力更强。

3 半潜船型总体设计技术

3.1 技术关键

研发目标是设计一艘同时满足现行国内外有关法规、公约、规范条件下，布置合理，强度足够，浮力富余，浮态合适，稳性可靠，耐波性好，定位迅速，操纵方便的安全、实用、经济、环保的大型半潜作业工程船。其技术关键包括：

1)优化主要尺度及线型，在载重量举力、作业面积、续航力等主要性能满足技术任务书的要求下，控制船体尺度、降低初投资；

2)权衡各种作业方式(上浮下沉、滑上滑下等)，对船舶调载能力的要求，选用合适可靠的装置与系统。使之快速沉浮，同时与成本相结合，减少运营费用；

3)针对船舶作业快速沉浮及满载远洋航行的两种重要工况的船体总纵、总横强度及局部强度进行有限元分析，确保船体在足够安全的情况下控制自重，降低造价；

4)选用先进、稳定的动力装置及电力系统，使船舶各项操纵可靠方便。同时又经济、实用。论证并确定功率，既要满足限定海况的作业要求，又要达到必要的航速，控制好运营成本。

3.2 研发内容

1)大型半潜船船型及总体性能研究：收集国内外船型资料、分析研究，选择合适的主尺度、线型，应用船模试验和计算研究其作业和航行两种工况下的运动性能和快速性能；

2)主船体结构研究：以有限元分析计算为基础，对半潜船的主体、艏体、艉浮箱以及各重大节点的优化设计，对多工况下的船体抗弯、抗扭强度及疲劳分析；

3)定位系统研究：应用计算及模型试验确定半潜船在风、浪、流作用下的环境外力，作为锚系统定位或动力定位系统的设计依据，从技术和经济角度研究其适用水深的合理性。对不同推进器配置的动力定位性能分析计算，优化推进器配置，寻求满足同等环境条件和定位能力情况下的优化配置；

4)大功率电站系统配置研究：进行大型半潜船电力负荷及电站优化配置研究。结合目标船型研究满足相应动力定位要求的船舶电气系统，并对配电系统采用分段或环形电网结构的特点研究，包括短路电流计算，继电保护的设计研究；

5)压载、调载系统研究：通过各种压载系统技术性能或目标装载操作流程的比较分析，提出适合半潜船的压载系统配置方案，确定满足半潜装载及调遣航行时的压载与调载系统的形式，压载泵或空压机等的数量以及参数的选定。

3.3 实例分析

现给出708所为广州打捞局开发设计的3万t自航半潜船的总体技术分析和关键参数选择：

3.3.1 型船统计

分析任务书要求，在世界上同类船舶中选取部分船舶作为本船的尺度分析母型，建立参数表格。分析同类船舶的参数，统计该船型的主要尺度范围。鉴于半潜船本身数量有限，统计范围相应放大。本方案统计的参数范围如下：

载重量 8300～76000t；船长 120～224m；船宽29～63m；航行吃水5～11m；下潜吃水19～28.4m。

再通过对半潜船长宽比，宽度吃水比，宽度型深比，甲板作业面积/载重量，载重量与船长、船宽之间的比例关系深入分析，大致确定本船的尺度规划。

3.3.2 船级社规范

目前，国际上有关半潜船的规范并不完善，多数船级社都未对半潜船勘划半潜吃水标记，使得半潜船尽管满足半潜吃水下的结构和稳性安全，但却得不到半潜船的附加标志。一些相对具有审查半潜船经验的船级社（如DNV）尚在对半潜船的稳性、抗沉性、结构和设备等进行研究之中。中国船级社率先提出了半潜船的附加标志为：Semi-Submersible Heavy lift Vessel，并在《国内航行海船法定检验技术规则》2006修改通报中规定了对半潜船的特殊稳性要求，在《国际航行海船法定检验技术规则》2008的载重线浸没说明中重申了对半潜船半潜作业状态下的要求。同时在《钢质海船入级规范（2006）》第15章规定了对半潜船结构强度的要求。

3.3.3 主尺度

从不同角度来确定船长、下潜深度、船宽、型深及吃水等。如：从同类船船长、载重吨及航行的阻力波峰来选择垂线间长；从最大下潜深度和载重吨的要求，对压载水设置进行优化；船宽是满足最大下潜起浮状态临界稳性要求的关键；型深主要与总强度、机舱的布置等有关，同时兼顾干舷计算、或特定作业水域的吃水要求等。

3.3.4 空船重量重心

半潜船空船重量的要求不同于常规运输船，重量预估不能过重也不能过轻。过重，影响装载能力；过轻，在满载压载水情况下达不到最大下潜深度。此外，重心高度也必须严格控制，它直接影响特殊货物的装载能力。

3.3.5 完整稳性

半潜船的完整稳性按不同作业工况划分，应用不同的衡准。通过与船级社沟通确认最终选用的衡准要求。同时对不同的货品，又分为有浮力货和无浮力货两类，因有浮力货可以计及货品提供的水线面积、复原力臂、排水体积等，对船舶的初稳性和大倾角稳性发挥作用。显然，计及货品浮力时的半潜船可以装载重量更大、重心更高的货物，国际上实际运营的半潜船也多数承载的是这类货品，但因重量分布、外形尺寸的差异，稳性计算不能像常规船那样用一套装载手册涵盖基本的工况。目前通行的方式是通过专业认可的公司对每一次货品进行稳性安全分析计算，并对货品装卸全过程的各个环节进行分析，并制定详细的装载、绑扎、运输、拆卸作业手册，然后通过专业的保险公司对每次运输过程进行投保，以保证其对承运的贵重货品的安全。

对于下潜、起浮工况，目前CCS和DNV在规范或指导通则中的要求并不相同，选用的时候要予以区别。但对作业过程中的危险工况均给予了高度重视。如在稳性最难满足的入水后瞬间，此时若不计入甲板货的水线面积（CCS规范要求无浮力货不能计入货品在主甲板处的水线面积），半潜船本身的水线面积在主甲板入水后迅速减小，造成经自由液面修正后的最小初稳心高度多数接近甚至小于零。因此设计人员要制定安全的操作说明。理想的半潜船下潜、起浮过程，可通过艏倾（或艉倾）的方式，使得入水或出水的水线面积逐步减小或增加，在跨过危险的瞬间后，要么由装载货物水线面积顶替上来，要么通过更大吃水处倾斜船身后相对较大的水线面积获得更大的横稳心半径，以得到足够的初稳心高度。

3.3.6 干舷和破舱稳性

半潜船可按1966《载重线公约》中载重线对B型、B-60型、B-100型船舶的规定核算干舷。满足B型干舷的船舶，只需针对航行工况按照 SOLAS Ch.II-1 Part B-1章节的有关要求进行核算。满足B-60或B-100型干舷的船，还需对一舱段或二舱段用确定性方法进行校核。DNV还提出了一些针对下潜工况破损安全布置方面的建议，在选用时应给予重视。

3.3.7 推进形式与动力定位能力

新建半潜船大多采用全电力推进形式，主推进器可选用全回转推进器和常规桨形式，从性能分析，相同功率情况下，动力定位用全回转推进器的推进效率要优于常规舵桨形式；从使用角度来说，常规舵桨形式更适用于航行工况，且维护保养简单；还可从造价、设备的供货周期等方面比较。动力定位能力分析要按照作业海况条件进行分析计算，按船级社规定的动力定位等级要求进行配置和布置。

3.3.8 主尺度方案

建立多方案模型比较来确定半潜船的最终主尺度。在充分研究船型资料、载重量以及压载舱容等关键数据的基础上，对船长、船宽、型深、重量、重心高度的变化进行敏感度分析，确定最终的主尺度方案。3万t自航半潜船的最终主尺度方案如下：

总长 182.2m

垂线间长 170.4m

型宽 43.6m

型深 11.0m

设计吃水 7.8m

半潜吃水 23m

压载舱容积 75000m3