張 弩 宗 智 林 哲

大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部船舶工程學(xué)院，遼寧大連 116024

“發(fā)展之路”號(hào)自航半潛船船體改裝設(shè)計(jì)研究

張 弩 宗 智 林 哲

大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部船舶工程學(xué)院，遼寧大連 116024

半潛船是專門運(yùn)輸無法分割的大型整體設(shè)備的高技術(shù)含量、高附加值船舶，在世界上為數(shù)不多。特別是改裝半潛船，受到的限制較多，加之船型特殊，國(guó)內(nèi)外可供參考資料缺乏?！鞍l(fā)展之路”號(hào)是世界首艘由液化石油氣船改裝而成的自航半潛船。概述了該船的主要技術(shù)性能和特點(diǎn)，從總布置、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)性等方面介紹了該船在改裝設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)和要點(diǎn)，為此類船舶的改裝設(shè)計(jì)提供了新的思路。

半潛船；改裝；設(shè)計(jì)

1 引言

“發(fā)展之路”號(hào)是世界首艘由液化石油氣船（LPG）改裝而成的自航半潛運(yùn)輸船，由中交國(guó)際航運(yùn)有限公司投資，大連理工大學(xué)全面負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，入級(jí)中國(guó)船級(jí)社，屬于重大裝備改造。該船于2010年1月22日駛離山海關(guān)船廠，在經(jīng)過10余天的處女航后，于2月2日由韓國(guó)釜山啟航駛回，2月6日順利抵達(dá)天津港。圖1所示為 “發(fā)展之路”號(hào)自航半潛船。

半潛船是專門運(yùn)輸無法分割的大型整體設(shè)備的船舶。其工作原理是通過注入壓載水將舉升甲板潛入水中，待貨物浮移至半潛船的舉升甲板上，再排出壓載水使船上浮將貨物“托起”并固定，運(yùn)送到指定位置［1－3］。 半潛船屬高技術(shù)含量、高附加值船舶，在世界上為數(shù)不多，特別是改裝半潛船，受到的限制較多，國(guó)內(nèi)外可供參考資料缺乏。而在“發(fā)展之路”號(hào)的改裝中，原船按照日本船級(jí)社規(guī)范設(shè)計(jì)，改裝則要按照中國(guó)船級(jí)社規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，改裝難度很大。

2 原船概況

該船的原型是1983年在日本川崎重工業(yè)有限公司船廠建造的液化石油氣船（LPG）。主要參數(shù)見表1。

表1 原船主要參數(shù)Tab.1 Main dimensions of the original vessel before conversion

3 改裝船的主要參數(shù)和特點(diǎn)

3.1 船 級(jí)

本改裝船的船體（包括設(shè)備）、輪機(jī)（包括設(shè)備）由中國(guó)船級(jí)社（CCS）審圖和檢驗(yàn)，并由中國(guó)船級(jí)社授予以下符號(hào)和附加標(biāo)志：

★CSA ★CSM，Semi－Submersible Vessel。

3.2 主要參數(shù)

本改裝船是一艘采用柴油機(jī)推進(jìn)、航行于無限航區(qū)的半潛船。主要參數(shù)見表2。

表2 改裝船的主要參數(shù)Tab.2 Main dimensions of the converted vessel

3.3 潛浮性能

本船利用壓載水系統(tǒng)能夠下潛的最大潛深為18 m。從設(shè)計(jì)吃水（9.3 m）下潛至最大潛深（18 m）的時(shí)間小于5 h；從最大潛深（18 m）上浮到設(shè)計(jì)吃水（9.3 m）時(shí)，所需時(shí)間約為 4 h。

3.4 裝卸貨性能

本船通過上?。聺摰姆椒ㄑb卸漂浮貨物，如近海裝置、工程挖泥設(shè)備、無動(dòng)力的船舶等。貨物甲板總長(zhǎng)約為130 m，最大船寬38 m，甲板可利用面積約為 4 800 m2，最大設(shè)計(jì)載荷為20 t／m2。在裝卸貨物過程中，利用船上的4臺(tái)絞車對(duì)漂浮物進(jìn)行定位。

3.5 航行性能

本船為柴油驅(qū)動(dòng)、常規(guī)軸系傳動(dòng)、螺旋槳推進(jìn)。在設(shè)計(jì)吃水9.3 m 時(shí)，航速大約為16.47 kn。

4 改裝設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 總布置

半潛船突出的特點(diǎn)就是載貨 （舉升）甲板較低。因此在改裝設(shè)計(jì)時(shí)，需要切除原船主船體部分結(jié)構(gòu)，使船體側(cè)投影呈凹形，如圖2所示。本船改裝設(shè)計(jì)中切除原船F(xiàn)R50～FR93、距基線12.71 m以上主船體結(jié)構(gòu)和管路，設(shè)置雙層縱骨架式水密甲板。又分別加裝5道從舉升甲板至雙層底的橫艙壁。在左右舷艙距船中7.895 m處，各新增一道水密縱壁。這樣原船的液貨艙、壓載水艙和艏艉尖艙等將被改裝為改裝船的44個(gè)壓載水艙。

從載貨考慮，改裝船需要較大的船寬，而原船船寬較小。改裝設(shè)計(jì)中在FR48～FR94貨物甲板兩舷側(cè)加裝寬度為2 m水密浮箱，使甲板寬度從34 m增加至38 m，如圖2所示。同時(shí)，浮箱作為邊輔助壓載水艙的一部分，增加了壓載水的容積，可以參與船舶的下潛操作。而正常航行時(shí)，水密浮箱在水線以上，不會(huì)對(duì)船舶的航行產(chǎn)生過多的阻力。

為滿足2009年1月1日生效的SOLAS公約［4］環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的防污染要求，將燃油艙由兩舷改裝至船中，并設(shè)計(jì)為雙底雙殼。燃油艙改裝設(shè)計(jì)中，同時(shí)兼顧了原供油管路利用、壓載水艙布置以及改裝工作量等問題。

半潛船需要承載海洋工程作業(yè)機(jī)械、海洋石油開采平臺(tái)等大型海洋工程構(gòu)件。從駕駛室視線的角度考慮，新設(shè)計(jì)半潛船的上層建筑一般在船首。而原船的上層建筑在船尾，因此改裝船在船首增加了輔助瞭望臺(tái)。

本船所能提供的全部壓載水的艙容 （所有可能用做壓載水艙的貨艙空間）只能將船體壓載到14.5 m處的吃水，達(dá)不到下潛18 m的要求。為此，需使用總重大約3 800 t固體壓載，置于雙層底內(nèi)部。如圖3所示。

4.2 總縱強(qiáng)度

由于本船改裝設(shè)計(jì)中切除原船部分主船體結(jié)構(gòu)，使總縱強(qiáng)度受到很大損失，如圖4折線所示截面都是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱的截面。因此需要像4.1節(jié)所述加裝5道橫艙壁和兩道縱壁，并且縱艙壁向艏艉延伸，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在切除原船部分主船體結(jié)構(gòu)時(shí)，本船并沒有在原船分艙處切割，而是前后各切了半個(gè)艙，這是為了保持艙壁的連貫性，避免應(yīng)力集中。

切除原船部分主船體結(jié)構(gòu)，使得改裝船的船寬型深比大于2.5，因此不能用“鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范2006”［5］的規(guī)定來計(jì)算波浪載荷。在設(shè)計(jì)中，采用大連理工大學(xué)編制的計(jì)算程序?qū)Σɡ溯d荷進(jìn)行了直接法三維頻域計(jì)算分析，并根據(jù)IACS推薦的海浪譜及方法給出了長(zhǎng)期預(yù)報(bào)極值，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。事實(shí)證明這種計(jì)算方法行之有效，可以在半潛船設(shè)計(jì)中進(jìn)行推廣。

4.3 局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

原船的設(shè)計(jì)吃水是12 m，而新改裝船下潛的最大沉深為18 m，因此對(duì)局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求增大，原船的一些構(gòu)件強(qiáng)度不再滿足規(guī)范要求，需要重新計(jì)算，并對(duì)構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)的增厚，變水密等處理。根據(jù)《鋼制海船入級(jí)規(guī)范2006》，最大壓差水頭高系指半潛船在工作沉浮過程中，船體結(jié)構(gòu)某處所承受的內(nèi)外最大水面差所形成的水頭高。所以在改裝設(shè)計(jì)時(shí)，需計(jì)算船內(nèi)壓載水位與船外水面差值隨半潛船吃水的變化，確定最大壓差水頭高。圖5所示的兩組曲線，分別給出半潛船空船下潛和載貨下潛時(shí)輔助壓載艙內(nèi)水面與舷外水面高度差情況。

其中需要提出的是，日本船級(jí)社（NK）的規(guī)范《Rules and Guidance 2007》［6］要求對(duì)純壓力水頭進(jìn)行驗(yàn)證，如果按照NK規(guī)范，本船的很多構(gòu)件強(qiáng)度并不滿足強(qiáng)度要求，事實(shí)也證明了NK規(guī)范中對(duì)純壓力水頭的要求偏于嚴(yán)格。

對(duì)于本船，在船中0.4 L區(qū)，各艙最大壓差水頭高不超過9.4 m。固體壓載區(qū)下潛深度按最大沉深18 m計(jì)算，固體壓載高度取為1.5 m，密度取為4.3 t／m3， 則在固體壓載區(qū)其計(jì)算壓頭取為 d＝18 － 4.3 × 1.5 ＝ 11.6 m。

機(jī)艙區(qū)通過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元計(jì)算進(jìn)行校核。

經(jīng)局部強(qiáng)度計(jì)算校核后，本船局部結(jié)構(gòu)做出的改裝主要有：

1）設(shè)置縱骨架式舉升甲板和縱骨架式下甲板；

2）距基線3 530 mm增設(shè)縱骨架式平臺(tái)；

3）FR44～FR45的燃油艙設(shè)水密內(nèi)側(cè)壁，內(nèi)底板改為水密；

4）在FR59、FR71及FR83處設(shè)置水密橫艙壁至左右兩舷，相應(yīng)位置處的實(shí)肋板改為水密肋板；

5）在FR50和FR93處增設(shè)橫艙壁，舉升甲板以下為非水密；

6）在FR12～FR44的機(jī)艙區(qū)域的船底外板增厚；

7）雙層底區(qū)域，加密平板龍骨縱骨，以及增厚載貨區(qū)雙層底實(shí)肋板厚度等。

4.4 全船結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

由于改裝船的船寬型深比大于2.5，按照《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范2006》的規(guī)定，船體強(qiáng)度必須采用有限元直接計(jì)算確定。根據(jù)半潛船的改裝設(shè)計(jì)圖紙和分析的需要，建立半潛船的全船有限元模型，用于分析半潛船在各種工況下的總縱強(qiáng)度。建模使用 MSC.PATRAN， 分析程序是 MSC.NASTRAN。模型采用具有拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲能力的殼單元模擬板結(jié)構(gòu)，采用具有拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲能力的梁?jiǎn)卧M型材結(jié)構(gòu)。整個(gè)模型共計(jì)128 616個(gè)節(jié)點(diǎn)和273 736個(gè)單元。

以壓載出港工況為例，此種工況下船體受到的載荷包括：半潛船的自重（包括龍骨墩）；90%燃油、滑油及淡水；特定吃水下的外部靜水壓力；特定吃水下且半潛船壓載航行時(shí)，壓載水的內(nèi)部靜水壓力。這里僅列出該工況下全船、船舯的Von Mises應(yīng)力和x方向應(yīng)力云圖，以及船首、船尾的Von Mises應(yīng)力云圖，見圖6～圖8。根據(jù)分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)的總強(qiáng)度在計(jì)算載荷作用下滿足強(qiáng)度要求。

4.5 穩(wěn) 性

和普通船相比，半潛船的靜水力曲線最大的特點(diǎn)是存在著非常明顯的間斷。本船的靜水力曲線如圖9所示，間斷發(fā)生在距基線12.71 m的貨物甲板入水處，在該吃水處，除了縱向浮心位置（LCB）以外，所有靜水力參數(shù)在形式上均有所變化。

由于半潛船的船型特殊，經(jīng)初穩(wěn)性計(jì)算，半潛船在下潛時(shí)初穩(wěn)性變差，其中貨物甲板出（入）水的時(shí)候初穩(wěn)性最差［7］。半潛船通常用來運(yùn)載昂貴的海洋結(jié)構(gòu)物，出（入）水時(shí)船體的初穩(wěn)性直接關(guān)系到貨物的安全，因此需要最大限度地改進(jìn)此時(shí)船體的初穩(wěn)性。而且經(jīng)計(jì)算論證，在出（入）水階段，初穩(wěn)性可以通過使船舶保持一定的縱傾來加以改善。縱傾能夠增加橫穩(wěn)心高，減緩水線面面積的突變程度，增大水線面面積，從而提高初穩(wěn)性。同時(shí)，必須要限制半潛船作業(yè)時(shí)的海況。

而對(duì)于破艙穩(wěn)性，目前國(guó)際上尚無針對(duì)半潛船的規(guī)范約定，半潛船的載貨特性決定了其屬于目前ICLL66規(guī)范［8］中的B型貨船。按SOLAS規(guī)范，該類型船舶的破艙穩(wěn)性應(yīng)采用概率方法進(jìn)行校核計(jì)算［9－10］。 由于正常航行時(shí)，半潛船的貨物是放在甲板上的，而不是在艙內(nèi)，因此，半潛船的主要艙室?guī)缀醵际菈狠d艙。同時(shí)，為了方便壓載水的調(diào)整，本船共有44個(gè)壓載水艙，眾多的壓載水艙給破艙穩(wěn)性的計(jì)算帶來了很大的困難。根據(jù)目前的SOLAS規(guī)定，破艙穩(wěn)性的核心是計(jì)算不同艙室以及它們不同組合發(fā)生破壞時(shí)的穩(wěn)性。隨著壓載水艙的增多，可能的破損組合數(shù)成指數(shù)增加，破艙穩(wěn)性的計(jì)算就越困難［11］?？紤]到船舶上浮和下潛時(shí)可能遇到的復(fù)雜多變情況，為確保萬無一失，本船使用概率法計(jì)算半潛運(yùn)輸船的破艙穩(wěn)性，計(jì)算了多達(dá)990多種的工況。

5 結(jié)論

本文介紹了“發(fā)展之路”號(hào)改裝自航半潛船的主要技術(shù)性能和改裝設(shè)計(jì)要點(diǎn)。改裝半潛船的船型非常特殊，又受到了原船很多方面的限制，改裝設(shè)計(jì)工作的困難很多。本船在改裝設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：

1）總布置——在貨物甲板兩舷側(cè)加裝了水密浮箱，增大了甲板寬度，同時(shí)浮箱作為邊輔助壓載水艙的一部分，也增加了壓載水的容積。船首增加了輔助瞭望臺(tái)用于輔助裝卸貨時(shí)的瞭望。

2）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度——對(duì)波浪載荷進(jìn)行了直接法三維頻域計(jì)算分析，并根據(jù)IACS推薦的海浪譜及方法給出了長(zhǎng)期預(yù)報(bào)極值。對(duì)全船結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元直接計(jì)算分析。

3）穩(wěn)性計(jì)算——使用概率法計(jì)算半潛船破艙穩(wěn)性，采用2009年1月1日公布的SOLAS公約，滿足了最新防污染要求。

由于半潛運(yùn)輸船規(guī)范、檢驗(yàn)規(guī)則尚處于摸索階段，特別是改裝半潛船，受到了更多的限制，“發(fā)展之路”的改裝設(shè)計(jì)的成功為此類船舶的改裝設(shè)計(jì)提供了新的思路，也為海事部門完善船舶規(guī)范、檢驗(yàn)規(guī)則積累了新的經(jīng)驗(yàn)。

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Hull Conversion Design of a Self-Propelled Semi-Submersible Vessel Known as Development Way

Zhang Nu Zong ZhiLin Zhe
School of Naval Architecture Engineering， Faculty of Vehicle Engineering and Mechanics， State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China

The semi-submersible vessel is designed as an efficient transportation specifically used to carry large－scale undividable integral equipment， which is regarded as the high－tech and high value－added vessel in the shipbuilding industry.This kind of semi－submersible vessel nowadays is rarely in service worldwide.The “Development Way” identified so far as such kind of semi－submersible vessel was the first self－propelled vessel in the world which was originally converted from a LPG carrier.Many restrictions imposed on the conversion activities of such LPG carrier due to lack of relative reference and experiences on the design.This paper presents a description of this conversion designed LPG carrier with respect to the main technical performance and features，together with the aspects including general arrangement， structure strength， stability and design difficulties facing in the conversion design.

semi－submersible vessel； conversion； design

U672.6

A

1673－3185（2011）01－30－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.01.006

2010-03-21

創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金：海洋環(huán)境災(zāi)害與結(jié)構(gòu)安全防護(hù)（50921001）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目：復(fù)雜裝備研發(fā)數(shù)字化工具中的計(jì)算力學(xué)和多場(chǎng)耦合若干前沿問題課題資助（2010CB83270）

張 弩（1984－），男，博士研究生。研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。E-mail：zhangnu＠yahoo.cn

宗 智（1964－ ），男，教授，博士生導(dǎo)師。 研究方向：船舶與海洋工程。 E-mail：zongzhi＠ dlut.edu.cn