仲偉東，王忠復(fù)

（708研究所，上海 200011）

0 前 言

半潛運輸船（以下簡稱半潛船）是一種以裝運超長、超重、且不可分離的超大件特殊貨物運輸、裝卸的特種工程船，它擁有巨大的作業(yè)甲板面積，利用自身的調(diào)載系統(tǒng)，使船體的裝載甲板在較短時間內(nèi)沉入水中，將承載物拖至甲板上方，再通過調(diào)載系統(tǒng)使船體上浮，將承載物托舉出水面并系固；當承載物運達目的地后，帶著承載物下沉，解開系固，待承載物浮起與半潛船分離后，半潛船撤離、自行浮起，承載過程即告完成。半潛船還是水下救撈工程不可或缺的重要裝備，配合大型起重船進行起重打撈較之常規(guī)的浮筒打撈具有快速、安全等優(yōu)勢。

我國自1990年代開始，由708所設(shè)計研發(fā)用于水工作業(yè)的非自航半潛船。目前世界各國不少海洋石油平臺已處于保修期，急需用半潛船將這些平臺拖運到基地維修，在轉(zhuǎn)移井位時也需使用半潛船。其市場前景看好，租金價格高昂，具有很高的經(jīng)濟效益。

1 708所開發(fā)設(shè)計半潛船的歷史

1990年代初，708所承擔了兩型用于大型水工作業(yè)的非自航半潛船——半潛駁的開發(fā)設(shè)計，這是國內(nèi)首次涉足這種新船型的自主開發(fā)。

1994年建成使用的 2500t半潛駁采用舊船改裝，一次成功完成2450t的電廠冷卻水取水頭的制作、拖運和沉放作業(yè)，節(jié)省施工投資上百萬元。隨后在3000t半潛駁建造中，先后完成了幾十個砼沉箱的制作及沉放，較大地降低了預(yù)算的投資額。該船的鋼材用料中新舊料比例為 1:5，整船造價約為進口二手船的50%，全新船的25%。3000t半潛駁于1996年建成。

2000年初，708所又承接了將一艘17萬t的“南海希望”號生產(chǎn)儲油輪改裝成5萬t半潛駁“重任3”號的設(shè)計任務(wù)。將該輪的船艏及部分船體結(jié)構(gòu)作為主體，利用原卸貨管路作為壓載系統(tǒng)，改進原船錨泊系統(tǒng)的相應(yīng)機械，重新安裝甲板載荷為 15t/m2的全新舉升甲板等。2001年交船后至2005年9月間，該船充分發(fā)揮其特長承運重大貨物包括半潛平臺38次[1]，見圖1，創(chuàng)造了很大的經(jīng)濟效益。

圖1 “重任3”號裝運Spar平臺立柱

此后，708所又設(shè)計開發(fā)了1.5～5萬t的半潛船、自航半潛船等，積累了成熟的半潛船設(shè)計經(jīng)驗。

2 國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

半潛船型產(chǎn)生之初是沒有動力的半潛駁船，世界上第一艘建造的具有開敞甲板型的自航半潛船是 1979 年交付的“Super Servant 1”[2]。1980 年代開始，半潛船逐步建造和發(fā)展起來，至今具有開敞甲板型的新建半潛船有20余艘，近5年得到了快速的發(fā)展。目前世界上最大的半潛船營運商是荷蘭的Dockwise 公司。我國中遠航運2002年擁有了當時技術(shù)先進的2艘1.8萬t半潛船后，也逐步成為一家主要的營運公司。 典型半潛船主要參數(shù)見表1，部分參數(shù)摘自網(wǎng)絡(luò)公開信息[3]。

表1 典型半潛船主要參數(shù)表

續(xù) 表 1

半潛船外型有普通貨船改造的開敞甲板型（二島式或三島式）、浮塢式或新建造的三島或四島式。動力裝置由早期駁船僅供壓載泵及移定位絞車等設(shè)備的電站，發(fā)展到依靠自身動力推進的自航式半潛船。航速也由最初的5～8km/h增加到10～15km/h，進入 21世紀后，更是出現(xiàn)了具有動力定位能力的半潛船，使船型適應(yīng)范圍更廣，作業(yè)能力更強。

3 半潛船型總體設(shè)計技術(shù)

3.1 技術(shù)關(guān)鍵

研發(fā)目標是設(shè)計一艘同時滿足現(xiàn)行國內(nèi)外有關(guān)法規(guī)、公約、規(guī)范條件下，布置合理，強度足夠，浮力富余，浮態(tài)合適，穩(wěn)性可靠，耐波性好，定位迅速，操縱方便的安全、實用、經(jīng)濟、環(huán)保的大型半潛作業(yè)工程船。其技術(shù)關(guān)鍵包括：

1)優(yōu)化主要尺度及線型，在載重量舉力、作業(yè)面積、續(xù)航力等主要性能滿足技術(shù)任務(wù)書的要求下，控制船體尺度、降低初投資；

2)權(quán)衡各種作業(yè)方式(上浮下沉、滑上滑下等)，對船舶調(diào)載能力的要求，選用合適可靠的裝置與系統(tǒng)。使之快速沉浮，同時與成本相結(jié)合，減少運營費用；

3)針對船舶作業(yè)快速沉浮及滿載遠洋航行的兩種重要工況的船體總縱、總橫強度及局部強度進行有限元分析，確保船體在足夠安全的情況下控制自重，降低造價；

4)選用先進、穩(wěn)定的動力裝置及電力系統(tǒng)，使船舶各項操縱可靠方便。同時又經(jīng)濟、實用。論證并確定功率，既要滿足限定海況的作業(yè)要求，又要達到必要的航速，控制好運營成本。

3.2 研發(fā)內(nèi)容

1)大型半潛船船型及總體性能研究：收集國內(nèi)外船型資料、分析研究，選擇合適的主尺度、線型，應(yīng)用船模試驗和計算研究其作業(yè)和航行兩種工況下的運動性能和快速性能；

2)主船體結(jié)構(gòu)研究：以有限元分析計算為基礎(chǔ)，對半潛船的主體、艏體、艉浮箱以及各重大節(jié)點的優(yōu)化設(shè)計，對多工況下的船體抗彎、抗扭強度及疲勞分析；

3)定位系統(tǒng)研究：應(yīng)用計算及模型試驗確定半潛船在風(fēng)、浪、流作用下的環(huán)境外力，作為錨系統(tǒng)定位或動力定位系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)，從技術(shù)和經(jīng)濟角度研究其適用水深的合理性。對不同推進器配置的動力定位性能分析計算，優(yōu)化推進器配置，尋求滿足同等環(huán)境條件和定位能力情況下的優(yōu)化配置；

4)大功率電站系統(tǒng)配置研究：進行大型半潛船電力負荷及電站優(yōu)化配置研究。結(jié)合目標船型研究滿足相應(yīng)動力定位要求的船舶電氣系統(tǒng)，并對配電系統(tǒng)采用分段或環(huán)形電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特點研究，包括短路電流計算，繼電保護的設(shè)計研究；

5)壓載、調(diào)載系統(tǒng)研究：通過各種壓載系統(tǒng)技術(shù)性能或目標裝載操作流程的比較分析，提出適合半潛船的壓載系統(tǒng)配置方案，確定滿足半潛裝載及調(diào)遣航行時的壓載與調(diào)載系統(tǒng)的形式，壓載泵或空壓機等的數(shù)量以及參數(shù)的選定。

3.3 實例分析

現(xiàn)給出708所為廣州打撈局開發(fā)設(shè)計的3萬t自航半潛船的總體技術(shù)分析和關(guān)鍵參數(shù)選擇：

3.3.1 型船統(tǒng)計

分析任務(wù)書要求，在世界上同類船舶中選取部分船舶作為本船的尺度分析母型，建立參數(shù)表格。分析同類船舶的參數(shù)，統(tǒng)計該船型的主要尺度范圍。鑒于半潛船本身數(shù)量有限，統(tǒng)計范圍相應(yīng)放大。本方案統(tǒng)計的參數(shù)范圍如下：

載重量 8300～76000t；船長 120～224m；船寬29～63m；航行吃水5～11m；下潛吃水19～28.4m。

再通過對半潛船長寬比，寬度吃水比，寬度型深比，甲板作業(yè)面積/載重量，載重量與船長、船寬之間的比例關(guān)系深入分析，大致確定本船的尺度規(guī)劃。

3.3.2 船級社規(guī)范

目前，國際上有關(guān)半潛船的規(guī)范并不完善，多數(shù)船級社都未對半潛船勘劃半潛吃水標記，使得半潛船盡管滿足半潛吃水下的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)性安全，但卻得不到半潛船的附加標志。一些相對具有審查半潛船經(jīng)驗的船級社（如DNV）尚在對半潛船的穩(wěn)性、抗沉性、結(jié)構(gòu)和設(shè)備等進行研究之中。中國船級社率先提出了半潛船的附加標志為：Semi-Submersible Heavy lift Vessel，并在《國內(nèi)航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則》2006修改通報中規(guī)定了對半潛船的特殊穩(wěn)性要求，在《國際航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則》2008的載重線浸沒說明中重申了對半潛船半潛作業(yè)狀態(tài)下的要求。同時在《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范（2006）》第15章規(guī)定了對半潛船結(jié)構(gòu)強度的要求。

3.3.3 主尺度

從不同角度來確定船長、下潛深度、船寬、型深及吃水等。如：從同類船船長、載重噸及航行的阻力波峰來選擇垂線間長；從最大下潛深度和載重噸的要求，對壓載水設(shè)置進行優(yōu)化；船寬是滿足最大下潛起浮狀態(tài)臨界穩(wěn)性要求的關(guān)鍵；型深主要與總強度、機艙的布置等有關(guān)，同時兼顧干舷計算、或特定作業(yè)水域的吃水要求等。

3.3.4 空船重量重心

半潛船空船重量的要求不同于常規(guī)運輸船，重量預(yù)估不能過重也不能過輕。過重，影響裝載能力；過輕，在滿載壓載水情況下達不到最大下潛深度。此外，重心高度也必須嚴格控制，它直接影響特殊貨物的裝載能力。

3.3.5 完整穩(wěn)性

半潛船的完整穩(wěn)性按不同作業(yè)工況劃分，應(yīng)用不同的衡準。通過與船級社溝通確認最終選用的衡準要求。同時對不同的貨品，又分為有浮力貨和無浮力貨兩類，因有浮力貨可以計及貨品提供的水線面積、復(fù)原力臂、排水體積等，對船舶的初穩(wěn)性和大傾角穩(wěn)性發(fā)揮作用。顯然，計及貨品浮力時的半潛船可以裝載重量更大、重心更高的貨物，國際上實際運營的半潛船也多數(shù)承載的是這類貨品，但因重量分布、外形尺寸的差異，穩(wěn)性計算不能像常規(guī)船那樣用一套裝載手冊涵蓋基本的工況。目前通行的方式是通過專業(yè)認可的公司對每一次貨品進行穩(wěn)性安全分析計算，并對貨品裝卸全過程的各個環(huán)節(jié)進行分析，并制定詳細的裝載、綁扎、運輸、拆卸作業(yè)手冊，然后通過專業(yè)的保險公司對每次運輸過程進行投保，以保證其對承運的貴重貨品的安全。

對于下潛、起浮工況，目前CCS和DNV在規(guī)范或指導(dǎo)通則中的要求并不相同，選用的時候要予以區(qū)別。但對作業(yè)過程中的危險工況均給予了高度重視。如在穩(wěn)性最難滿足的入水后瞬間，此時若不計入甲板貨的水線面積（CCS規(guī)范要求無浮力貨不能計入貨品在主甲板處的水線面積），半潛船本身的水線面積在主甲板入水后迅速減小，造成經(jīng)自由液面修正后的最小初穩(wěn)心高度多數(shù)接近甚至小于零。因此設(shè)計人員要制定安全的操作說明。理想的半潛船下潛、起浮過程，可通過艏傾（或艉傾）的方式，使得入水或出水的水線面積逐步減小或增加，在跨過危險的瞬間后，要么由裝載貨物水線面積頂替上來，要么通過更大吃水處傾斜船身后相對較大的水線面積獲得更大的橫穩(wěn)心半徑，以得到足夠的初穩(wěn)心高度。

3.3.6 干舷和破艙穩(wěn)性

半潛船可按1966《載重線公約》中載重線對B型、B-60型、B-100型船舶的規(guī)定核算干舷。滿足B型干舷的船舶，只需針對航行工況按照 SOLAS Ch.II-1 Part B-1章節(jié)的有關(guān)要求進行核算。滿足B-60或B-100型干舷的船，還需對一艙段或二艙段用確定性方法進行校核。DNV還提出了一些針對下潛工況破損安全布置方面的建議，在選用時應(yīng)給予重視。

3.3.7 推進形式與動力定位能力

新建半潛船大多采用全電力推進形式，主推進器可選用全回轉(zhuǎn)推進器和常規(guī)槳形式，從性能分析，相同功率情況下，動力定位用全回轉(zhuǎn)推進器的推進效率要優(yōu)于常規(guī)舵槳形式；從使用角度來說，常規(guī)舵槳形式更適用于航行工況，且維護保養(yǎng)簡單；還可從造價、設(shè)備的供貨周期等方面比較。動力定位能力分析要按照作業(yè)海況條件進行分析計算，按船級社規(guī)定的動力定位等級要求進行配置和布置。

3.3.8 主尺度方案

建立多方案模型比較來確定半潛船的最終主尺度。在充分研究船型資料、載重量以及壓載艙容等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對船長、船寬、型深、重量、重心高度的變化進行敏感度分析，確定最終的主尺度方案。3萬t自航半潛船的最終主尺度方案如下：

總長 182.2m

垂線間長 170.4m

型寬 43.6m

型深 11.0m

設(shè)計吃水 7.8m

半潛吃水 23m

壓載艙容積 75000m3

4 結(jié) 語

回顧708所自主開發(fā)半潛船型近20年的歷程，舉力從幾千噸到數(shù)萬噸。如今，3萬t自航大沉深打撈半潛船已建造過半，3.8萬t、5萬t自航半潛船已開工建造，可以預(yù)期半潛運輸船的自主研發(fā)必將開創(chuàng)我國研制該船型的新局面。

[1] 交通部上海打撈局網(wǎng)站新聞.重大拖航業(yè)績[EB/OL].

[2] Frank van Hoorn, Semi-submersible heavy lift ships in operation[M].SenW57STEJAARGANG NR8, P448-453.

[3] www.dockwise.com; www.fairstar.com;www.vuykrotterdam.com[OL].