刘云鹏， 何慧彬， 邵建练

（1.交通运输部烟台打捞局，山东烟台264000；2.上海振华重工（集团）股份有限公司，上海200125；3.上海佳豪船海工程研究设计有限公司，上海201612）

0 引 言

浮船坞是半潜船的一种，主要用于修船和造船，还可用于打捞沉船、运送深吃水船通过浅水航道等。浮船坞的主要作业特点是具备压载下潜和排水抬船功能。

抬船作业所需时间是浮船坞的一项重要性能指标，直接影响该型船的作业效率和经济性。如何在设计阶段较为准确地预估浮船坞理论抬船作业时间是该型船设计的关键技术之一。

常规的浮船坞抬船作业采用压载泵动力排载的方式，利用压载泵将压载舱内的压载水通过压载管系排至舷外，实现浮船坞抬船。在抬船作业过程中，压载管系管路阻力特性的动态变化会导致离心式压载泵的实际排量不断发生变化，进而使抬船作业时间精确计算变得困难。目前通常假定压载泵排量在抬船作业过程不变对理论抬船作业时间进行估算，本文通过实船设计案例分析浮船坞抬船过程的特性，提供一种相对准确的理论抬船作业时间估算方法。

浮船坞通常采用重力进水的方式下潜作业，重力进水的快慢取决于浮船坞舷外吃水与舱内压载舱水位的压差及重力进水管径等因素，很难通过理论计算方法求出理论下潜作业时间，常规的做法是根据同类船型的经验进行估算。根据经验，在同尺寸压载管径下，重力下潜作业速度远大于通过压载泵排的抬船作业速度，而实际下潜作业时间很大程度上取决于操作人员对压载系统和浮船坞稳性的了解程度。因此，浮船坞下潜作业时间一般不作为浮船坞考核指标，本文不对其进行描述。

1 浮船坞压载系统设计

为顺利实现压载下潜和排水抬船操作，浮船坞必须具有大容量的压载水舱和大排量的泵排系统，这是浮船坞压载系统的主要特点。为方便说明，下面以某实船设计案例为例阐述常规浮船坞压载系统的设计方法。

1.1 压载舱布置

常规浮船坞80%～90%的空间都被设置成压载舱，以满足浮船坞压载下潜和排水抬船作业对压载水量的需求；同时，为使作业过程中各压载舱进水、排水相对均匀，保证浮船坞具有良好的浮态，各压载舱尽量均匀布置。

图1为某浮船坞压载舱布置图，共设24个压载舱，各压载舱均匀布置，舷侧底压载舱与坞墙内压载舱连通作为边压载舱。

图1 某浮船坞压载舱布置图

1.2 压载系统设计

压载系统负责实现浮船坞压载下潜作业过程中向船坞内重力注入压载水及排水抬船作业过程中向船坞外动力排出压载水。一般大型浮船坞因需具备大排量的压载系统而至少设置2个泵舱，这样不仅可满足大排量要求，同时能使压载系统的操作更为灵活，更好地实现浮船坞作业过程中对船体浮态的调整。

图2为该浮船坞压载水系统图，为满足抬船作业时间要求，提高系统操作的灵活性，将整个压载系统分为4组，4个泵舱；每组设置2个重力注水海水箱和2台动力排水压载泵（单泵排量及压头为2 000 m3/h×8 m），其中1个重力海水箱和1台压载泵负责为就近的3个压载水舱重力注水和动力排水。这相当于将整个压载系统分成8个子系统，每个子系统负责3个压载水舱的注入压载水和排出压载水作业；同时，为实现备用，前后4个子系统之间设置联通管路并加隔离阀。

2 理论抬船作业时间估算

抬船作业时间不仅是浮船坞作业的重要指标之一，也是压载系统设计的关键技术指标，船东通常会根据实际使用需要对理论抬船作业时间提出要求。为使该技术指标符合要求，需尽量准确估算理论抬船作业时间。

2.1 传统估算方法

传统的抬船作业时间估算方法假定压载泵排量在抬船作业过程中不变，即不考虑抬船作业过程中压载管系管路阻力特性的动态变化会导致离心式压载泵的实际排量不断发生变化。

图2 浮船坞压载水系统图

图3 为该浮船坞的沉浮曲线图，能很清晰地体现浮船坞的舷外吃水和舱内压载舱水位与排水量的关系。由图3可知，该浮船坞抬船作业（从最大沉深抬至工作吃水）所需的排水量为15 167 t，且抬船过程中最大的舱内压载水位与舷外吃水高差为7.046 m，这2个数据是设计压载系统所需的关键数据。由图2可知，该浮船坞共配置8台压载泵，用于在抬船作业过程中排出舱内的压载水，单台泵的排水量和扬程为2 000 m3/h×8 m，布置在4个泵舱（每个泵舱设置2台压载泵）。相应的理论抬船时间可按照8台压载泵同时作业、压载泵排量不变进行计算，即

式（1）中：T为抬船作业时间，min；V为抬船作业所需排水量，m3；Q为压载泵总排水量，m3。

基于上述计算，该船坞给出的理论抬船作业时间为56.8 min。

图3 浮船坞沉浮曲线图

2.2 建议估算方法

由上述分析可知，采用传统的估算方法估算该浮船坞的抬船作业时间所得结果较为粗糙，主要存在的问题是：

抬船作业时间是基于压载泵排量不变的假设估算的，而实际上压载泵会随着压载管系管路阻力特性的变化而偏离额定工作点，相应的排量也会不断发生变化。为更准确地估算抬船作业时间，需依据沉浮曲线了解浮船坞在抬船作业过程中的特性，结合相应的压载系统进行分析计算。

压载泵实际工作状态点应是压载泵特性曲线与压载管路特性曲线的交点，而由于浮船坞在抬船作业过程中舷外吃水与压载舱舱内水位高差是持续变动的，导致压载管路的特性曲线与压载泵的交点也在持续变动，相应的压载泵排量也在持续变化。

图4为抬船作业工况下压载管排水剖面示意。压载管路特性方程为

式（2）中：H为压载泵所需总压头，m；Hst为浮船坞舷外吃水与压载舱舱内水位高差，m；SH为管路阻抗，m；Q为管内水流量，m3/h。

图4 抬船作业工况下压载管排水剖面示意

在同一管路中，管路阻抗SH为常数，计算式为

式（3）中：H-Hst为管路阻力压头，m；SH为管路阻抗，m；Q为管内水流量，m3/h。

通过式（3），采用代入法计算压载管路阻抗SH，当管内流量取2 000 m3/h时，管路阻力压头约为4 m（管系阻力包括沿程阻力和局部阻力，计算方法较为常规，本文不作赘述），压载管路阻抗SH=1×10-6m。因此，压载管路特性方程为

图5为抬船作业曲线，反映出该浮船坞抬船作业（从最大沉深12.600 m抬至工作吃水3.300 m）过程。根据舷外吃水与压载舱内水位的高差情况，将整个作业过程可分为4个阶段，各阶段舷外吃水与压载舱内水位的高差随着排水量的变化而匀速变化。

1）阶段4：舷外吃水与压载舱内水位的高差由4.180 m匀速增大至7.046 m，排水量V4=2 967 m3。该阶段舷外吃水与压载舱内水位的平均高差Hst4=5.600 m，压载管路特性方程为H=5.600+1×10-6Q2，其特性曲线见图6。通过查询该曲线与压载泵特性曲线的交点可知，该阶段单台压载泵平均排水量Q4=1 840 m3/h。

2）阶段3：舷外吃水与压载舱内水位的高差由7.046 m匀速减小至3.200 m，排水量V3=9 357 m3。该阶段舷外吃水与压载舱内水位的平均高差Hst3=5.123 m，压载管路特性方程为H=5.123+1×10-6Q2，其特性曲线见图6。通过查询该曲线与压载泵特性曲线的交点可知，该阶段单台压载泵平均排水量Q3=1 880 m3/h。

3）阶段2：舷外吃水与压载舱内水位的高差由3.200 m匀速减小至2.180 m，排水量V2=879 m3。该阶段舷外吃水与压载舱内水位的平均高差Hst2=2.690 m，压载管路特性方程为H=2.690+1×10-6Q2，其特性曲线见图6。通过查询该曲线与压载泵特性曲线的交点可知，该阶段单台压载泵平均排水量Q2=2 100 m3/h。

4）阶段1：舷外吃水与压载舱内水位的高差由2.180 m匀速增加至2.200 m，排水量V1=1 964 m3。该阶段舷外吃水与压载舱内水位的平均高差Hst1=2.190 m，压载管路特性方程为H=2.190+1×10-6Q2，其特性曲线见图6。通过查询该曲线与压载泵特性曲线交点可知，该阶段单台压载泵平均排水量Q1=2 200 m3/h。

图5 抬船作业曲线

图6 压载泵特性曲线及各阶段压载管路特性曲线

抬船作业总抬船时间的计算式为

式（5）中：T1为抬船时间，min。该时间比“2.1”节中估算的时间稍长，但相对更接近实际。若需要更为准确的理论抬船时间，可对上述阶段进一步细分，但计算方法一致。

3 结 语

由上述计算可知，实际计算的抬船作业时间比采用传统计算方法所得时间要长，主要是因为阶段3和阶段4压载泵向左偏离额定工作状态点，导致压载泵实际排量均少于压载泵额定排量，而这2个阶段又是排水量最大的阶段。

计算理论抬船作业时间最大的困难是确定抬船作业过程中压载泵的实际排量。本文通过分析抬船作业过程的沉浮曲线，对抬船作业过程进行细分，首先计算各阶段的压载泵实际排量，其次计算各阶段的抬船时间，最后对各阶段的抬船时间进行累加得到最终的理论抬船时间，计算结果与采用传统估算方法所得结果相比更准确，而阶段划分得越细，其计算结果越接近实际值。