鐘文軍，劉菊娥，王 琮，羅 超，毛建輝，周 健

（1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2. 708研究所，上海 200011）

0 引 言

進入 21世紀(jì)以來，由于對能源需求日益增加，世界各國都不約而同地把海洋作為能源戰(zhàn)略的重點，海洋石油及天然氣產(chǎn)量占全球油氣產(chǎn)量的份額越來越高。同時人類也加大了對風(fēng)能、潮汐能等海洋新能源的開發(fā)利用。為此不少國家紛紛加大了對海洋開發(fā)的力度，海洋工程建設(shè)方興未艾。大型起重船作為海洋工程建設(shè)中一支重要的建設(shè)力量，隨著海洋工程的飛速發(fā)展開拓了廣闊的前景。

1 起重船發(fā)展概況

在歐洲，早期專門用于碼頭作業(yè)的起重船在14世紀(jì)就已經(jīng)出現(xiàn)了。到了20世紀(jì)，起重船開始向大型化發(fā)展。1997年，大型起重船的起重能力已達(dá)到2×7100t。

本世紀(jì)以來，我國和東南亞地區(qū)海上工程建設(shè)不斷增多，如南海、東海的油氣開發(fā)，海上風(fēng)電場的建設(shè)，跨海大橋、人工島建設(shè)，以及一些大型打撈工程，都需要起重能力強的大型起重船，因而建造大型起重船興起了一個小高潮。大型回轉(zhuǎn)起重船簡稱為起重船（Crane Vessel或Crane Ship）。常用兩類船型，即單船體單起重機式的 MHCV（Mono Hull Crane Vessel）和半潛平臺船體雙起重機式的 SSCV（Semi-Submersible Crane Vessel）。有別于在內(nèi)河、港灣作業(yè)的另一種用途較廣的扒桿式起重駁船 SLB（Sheer Legs Barge）及自升式起重平臺[1]等。2001年中海油工程公司投資建造了“藍(lán)疆”號起重鋪管船，起重能力為3800t。最近又投資建造了3000m深水起重鋪管船“海洋石油201”，起重能力為4000t，2011年交船。2006年，廣州打撈局投資建造的4000t起重船“華天龍”號投入使用。另外，Seaway Heavy Lifting公司投資建造的起重能力為 5000t的新一代起重船，已于 2010年交船。NordicHeavyLift公司投資建造“Borealis”，采用桅式起重機，最大起重能力為5000t，2011年交船。表1列出了部分現(xiàn)役、在建的大型起重船的起重能力。表2為其主要參數(shù)。

表1 大型起重船的起重性能

表2 大型起重船主要參數(shù)

2 應(yīng)用范圍

大型起重船的強大功能體現(xiàn)在很多方面，如海上結(jié)構(gòu)物拆除、打撈救助等，更多的則用于海洋工程特別是海洋油氣開發(fā)裝備建設(shè)工程作業(yè)領(lǐng)域。

2.1 起重作業(yè)

在海洋油氣裝備的建設(shè)中，需要大型起重船吊裝的主要是固定式導(dǎo)管架、“半”固定式（如Spar、TLP）采油平臺的上部結(jié)構(gòu)（Topside）。由于浮式起重船在海上進行起吊作業(yè)的時間幾率即所謂“好窗口”（fair window）很低，因而希望盡可能減少吊裝次數(shù)，采取的措施就是將Topside高度模塊化，使單次吊重量越來越大，幾千噸的模塊已很常見，甚至有上萬噸的模塊。這就是起重船大型化的市場需求反映。圖1為2艘SSCV在Spar平臺上安裝現(xiàn)場：右邊為世界上最大的起重船Thialf SSCV，吊重能力2×7100t；中間是世界上最大的Spar平臺Holstein；左邊是Balder SSCV，吊重能力3628t/4536t。Holtstein平臺需吊裝的處理設(shè)備模塊重達(dá)8370t，生活/動力模塊重5324t，模塊支撐結(jié)架重4421t。另據(jù)報道，Thialf SSCV最大吊重紀(jì)錄是12150t，而S7000 SSCV的記錄是9521t。

圖1 SSCV吊裝現(xiàn)場

圖2 “Balder”SSCV進行鋪管作業(yè)（J-lay）

2.2 鋪管作業(yè)

大型起重船具有甲板面積大、承載能力強以及良好的抗風(fēng)浪能力和一定的定位能力等特點。因此大型起重船都設(shè)有或預(yù)留J-lay鋪管系統(tǒng)或S-lay鋪管系統(tǒng)，可承擔(dān)海底（淺水或深水）油氣管線的敷設(shè)任務(wù)，見圖2。

2.3 打撈作業(yè)

大型起重船具有強大的深水起重能力，如“Saipem 7000”水下450m處的起重能力為900t，可用于海底打撈作業(yè)。2007年，“華天龍”在半潛船“重任1601”號的配合下，將裝有“南海一號”的總重4600t鋼箱整體打撈出海，見圖3，為我國的考古事業(yè)做出了貢獻(xiàn)。起重打撈海損核潛艇“庫爾斯克”號的作業(yè)，不是用常規(guī)起重船，而是用專門改裝的駁船來實施的，見圖4。庫艇的排水量約20000t，駁船“GIANT4”號裝了26臺起升機構(gòu)（帶波浪補償），從船體中放繩起吊，每臺起重能力900t，總起重能力超過20000t。

2.4 打樁作業(yè)

由于大型起重船具有寬敞的甲板面積，良好的抗風(fēng)浪性能，較強的抗水流和適應(yīng)各種泥面駐位的能力，并配置高精度的GPS定位系統(tǒng)等，因此在配備專用的打樁設(shè)備后，就可用于沿海及港內(nèi)水域大型橋梁及高樁碼頭等水工工程樁基施工作業(yè)，成為施工能力強、作業(yè)效率高的打樁船。

2.5 平臺施工住艙支持

大型起重船定員很多，一般達(dá)300-400人，最多700多人。由于主尺度大，有可供備用住艙布置的空間，船上淡水、食品儲存量也有增大的可能。因而可以設(shè)計(或改裝)成有住艙支持的能力。除了滿足船員居住需要外，還可提供住艙支持，滿足其他大量施工人員居住生活的需要。

圖3 “華天龍”號正在起吊宋代古船“南海一號”（鋼箱內(nèi)）

圖4 庫爾庫斯號核潛艇起重打撈示意圖

3 主要技術(shù)特征[2,3]

3.1 船型

大型起重船主要有單體式和半潛平臺式2種船型。

1)單體式起重船最初采用駁船船型，后來發(fā)展為簡單型線船型。其主要特點是：方形系數(shù)大（Cb=0.9左右），平行中體長，中剖面系數(shù)大。起重作業(yè)時，要求有足夠的穩(wěn)性，因此一般水線面面積都較大。

2)半潛平臺式起重船主要由2個下浮體、多個立柱和上平臺組成。下浮體提供拖航和作業(yè)時所需的浮力；立柱主要用于連接浮箱和上平臺，其截面一般為圓形或矩形。作業(yè)時，下浮箱和部分立柱沉入水中，水線位于立柱截面，這樣可大大減小水線面面積及波浪和水流作用在平臺上的載荷，而其較大的水線面慣性矩又提供了平臺作業(yè)時所需的穩(wěn)性。上平臺是存放設(shè)備和人員居住工作的主要場所。半潛平臺式與單體式船型相比，有起重能力強、適應(yīng)水深廣、抗風(fēng)浪能力強、甲板面積和甲板裝載量大的優(yōu)點。

3.2 主尺度

1)船長。大型起重船一般都需考慮鋪管作業(yè)線的布置，其船長往往由鋪管形式（單節(jié)管或雙節(jié)管）等確定，通常船長150～200m。

2)船寬。由于起重作業(yè)時的高穩(wěn)性要求，因此一般大型起重船的船寬都比較大。單體式起重船的船寬與相近船長的半潛平臺式起重船相比要小得多，因為單體式起重船的起重能力，除個別實例外，均在5000t以下。初步統(tǒng)計，起重能力 2000～3000t，船寬主要集中在 35～40m；起重能力 3000～5000t，船寬主要集中在45～50m。

3)總噸位。由于大型起重船配備錨泊定位或/和動力定位、各種特種作業(yè)設(shè)備（包括大型起重機、整套鋪管作業(yè)設(shè)備等）、復(fù)雜的壓載系統(tǒng)等，因此總噸位都較大。目前大型起重船的（起重量3000～14000t）總噸位為 20000～40000gt。

3.3 總布置

大型起重船（包括單體式、半潛平臺式）主甲板首部一般設(shè)有甲板室，主要布置船員以及施工人員的生活居住艙室和部分工作艙室。甲板室一般有6～8層，最上層是駕駛（操縱）室。甲板室頂部一般設(shè)直升機起降甲板，為接送人員往來提供便利。

單體式起重船一般在主甲板尾部中心線處設(shè)一臺全回轉(zhuǎn)起重機，半潛平臺式起重船一般在主甲板尾部兩側(cè)設(shè)2臺全回轉(zhuǎn)起重機。與單體式起重船相比，半潛平臺式起重船的2臺起重機聯(lián)合作業(yè)，可大大增強起重能力，目前最大起重量達(dá)14200t。甲板有2000～6000m2，且承載力強，一般10～20t/m2，主要用于放置各種作業(yè)設(shè)備、海底管線、大型鉆井生產(chǎn)模塊等，為海上施工提供良好的作業(yè)平臺。

3.4 機動能力

上世紀(jì) 60年代，由于海上石油開發(fā)的技術(shù)剛剛興起，勘探開發(fā)成本比較高，海上油田主要集中在北海、墨西哥灣等地區(qū)。為海洋工程建設(shè)服務(wù)的大型起重船作業(yè)范圍也主要集中在這些地區(qū)，采用非自航形式，或航速較低（6 kn左右），主要滿足短距離航行的要求。近年來，隨著海洋工程的發(fā)展，施工作業(yè)范圍越來越廣，因此設(shè)計航速有不斷提高的趨勢。

3.5 定位方式

在20世紀(jì)70、80年代，大型起重船的作業(yè)范圍主要集中在大陸架及淺水水域，一般水深較?。ㄋ睿?50m），主要采用8～12點的錨泊定位方式。隨著深海的開發(fā)，大型起重船的作業(yè)水深不斷增加，以前的錨泊定位方式已不能滿足要求。動力定位系統(tǒng)利用DGPS等測位設(shè)施，對風(fēng)浪流造成的船舶位移進行判定，自動產(chǎn)生抗力，定位精度誤差可達(dá)到0.5m，而這一切都由電腦控制自動完成。一些大型起重船紛紛進行改裝，增加動力定位系統(tǒng)，以適應(yīng)深水作業(yè)的需要。

3.6 動力配置

由于起重船航行時不作業(yè)，作業(yè)時不航行的特點，因此推進方式一般都采用全電力驅(qū)動的方式，以提高裝船動力裝置的利用率。為兼顧動力定位的需要，推進器一般采用全回轉(zhuǎn)推進器（包括伸縮式和不可伸縮式）。

雖然大型起重船航速不高，但用電設(shè)備眾多，如大型全回轉(zhuǎn)起重機、主要作業(yè)設(shè)備（鋪管系統(tǒng)等）、動力定位系統(tǒng)（或錨泊定位系統(tǒng)）、日常生活設(shè)施等都需要電力驅(qū)動，作業(yè)時其能量消耗十分巨大，為此大型起重船的電站配置都很大。一般非動力定位起重船電站功率3000～15000kW，而具有動力定位的起重船電站功率達(dá)10000～30000kW。

3.7 壓載系統(tǒng)

起重船在起吊作業(yè)時，起吊重物重量大、重心高、跨距遠(yuǎn)，整個系統(tǒng)的重量分布是變化的，重心的位置會發(fā)生偏移，因此起吊前后船舶會產(chǎn)生明顯的縱傾或橫傾，如果不進行調(diào)載就不能滿足起重機作業(yè)的要求。大型起重船一般采用壓載水進行預(yù)壓載和動態(tài)調(diào)載的方法來平衡重吊過程中的船舶浮態(tài)?，F(xiàn)代起重船都采用電氣遙測、遙控的壓載水系統(tǒng)，能在較短的時間內(nèi)精準(zhǔn)地調(diào)整船的浮態(tài)，船上一般設(shè)有多個壓載水艙，總壓載水艙容15000～80000m3。壓載泵的排量也很大。

4 國內(nèi)應(yīng)用

4.1 國外引進設(shè)計的“藍(lán)疆”號

2000年中國海油工程有限公司投資建造的大型起重鋪管船“藍(lán)疆”號，是一艘非自航、無限航區(qū)作業(yè)的大型工程船，由煙臺萊福士船廠建造。該船總長157.5m，型寬48m，型深12.5m，滿載排水量58000t，可在150m水深實施起重作業(yè)和鋪管作業(yè)。該船主甲板尾部裝有1臺起重能力為3800t的近海起重機。船上設(shè)鋪管系統(tǒng)，最大鋪設(shè)管徑達(dá)1220mm。船上生活區(qū)設(shè)施可滿足280人居住的需要。

4.2 自行設(shè)計建造的“華天龍”號

“華天龍”號是集打撈、起重于一身的大型海洋工程船，見圖5。總長174.8m，型寬48m，型深16.5m，滿載排水量約80000t。工作甲板長130m，寬48m，甲板面積6240m2，船上可同時容納300人生活和工作，自持力60天。船尾的近海起重機最大起重能力4000t，其109m長的臂架直聳入云?！叭A天龍”可在水深8～300m海域進行海上打撈、起重作業(yè)。在現(xiàn)有單體式起重船中，其起重能力名列前茅，大大拓展了我國海洋工程和救助打撈作業(yè)領(lǐng)域。

4.3 3000t自航起重船“威力”號

上海打撈局投資建造的3000t自航打撈起重船，一改以往起重船遠(yuǎn)距離調(diào)遣依靠拖輪的狀況，不但有自航能力，而且具備動力定位功能（DP2）。該船總長約135m，型寬40m、型深12.8m，配有直升機起降平臺，可滿足無限航區(qū)航行的要求，見圖6。由于采用了動力定位的控制系統(tǒng)，能將船舶固定在指定位置，因此可在水底管線復(fù)雜、不適宜錨定位的港內(nèi)或航道內(nèi)進行快速打撈清障作業(yè)。此外，還可在深水海域進行重吊作業(yè)，為深海海洋開發(fā)提供服務(wù)。

圖5 大型海上起重船“華天龍”

圖6 動力定位自航起重船“威力”

4.4 “海洋石油201”號深水鋪管起重船[4]

“海洋石油201”號是海油工程有限公司投資建造的深水鋪管起重船，見圖7。于2008年9月在江蘇熔盛重工開工建造，2011年交付使用。該船是中海油第一艘從事深水鋪管、起重作業(yè)的工程船舶。能在除北極外的全球無限航區(qū)作業(yè)，建成后將填補我國大型深水海洋工程作業(yè)船舶的空白。該船總長204.6m，型寬39.2m，最大作業(yè)水深可達(dá)3000m，鋪管速度5km/d，海上最大起重能力4000t。該船采用全電力推進、DP-3動力定位、4000t重型海洋工程起重機、自動鋪管作業(yè)線等一系列國際先進的技術(shù)和裝備，總體技術(shù)水平和作業(yè)能力在國際同類工程船舶中位于前列。

圖7 “海洋石油201”號深水鋪管起重船效果圖

5 發(fā)展趨勢[5]

5.1 大型化

隨著海洋開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，模塊化、大型化成為海洋工程建設(shè)的主要特點。一般大型生產(chǎn)模塊重量從2000～3000t不斷增大到10000～12000t。使得起重船不斷向大型化方向發(fā)展，并具有起重能力大，吊高大的特點。

5.2 作業(yè)范圍不斷加大

近幾年，由于陸上石油資源日趨減少，常規(guī)水深海域的石油勘探開發(fā)已相當(dāng)成熟。因此，深水石油勘探和開發(fā)不斷升溫，全球各大石油公司都紛紛加大對深水石油勘探開發(fā)的力度。北海、墨西哥灣、巴西、南海、西非等海域紛紛成為相關(guān)各國的開發(fā)重點。這些海域要求海洋工程作業(yè)船具有作業(yè)水深大（作業(yè)水深 2000～3000m），抗風(fēng)浪能力強，適應(yīng)惡劣海況等特點。同時，隨著人們對極地資源利用意識的增強，大型起重船必然要走向地球的南北極，為開發(fā)兩極作貢獻(xiàn)。

5.3 提高航速

在海洋石油開發(fā)初期，一般航速不高（平均6～8kn左右）或者是非自航。隨著新油田的發(fā)現(xiàn)，海上油田呈現(xiàn)出分布廣的特點，因此要求大型起重船具有較高的航速（一般要求12kn左右），這樣可以縮短航行時間，提高遠(yuǎn)距離作業(yè)的盈利能力。

5.4 良好的水動力性能以及抗風(fēng)暴能力

隨著海上開發(fā)逐漸向深海發(fā)展，海上環(huán)境更趨惡劣，同時海上施工技術(shù)要求越來越高，時間要求緊。為了提高大型起重船作業(yè)的安全性以及全年作業(yè)率，增強其盈利能力，未來大型起重船要求有良好的水動力性能以及抗風(fēng)暴能力。

5.5 安全、環(huán)保、節(jié)能

由于大型起重船排水量大（最大排水量可達(dá)到幾十萬噸），動力定位以及作業(yè)設(shè)備所需功率大，因此整船裝機功率也大（可達(dá)15000～30000kW），加上船上人員眾多（一般200～400人），使整艘起重船儼然成為一個不小的人居區(qū)。國際海事組織對該型船的安全、環(huán)保提出了更加嚴(yán)格的要求。對未來起重船要求進一步提高安全性，更加關(guān)注節(jié)能和環(huán)保。

6 結(jié) 語

大型起重船最早出現(xiàn)于上世紀(jì) 70年代，目前進入了新的發(fā)展時期。雖然起重船外形大且粗笨，但是它卻集中了眾多尖端科技，使其成為名副其實的高科技鋼鐵巨獸。 它造價昂貴，數(shù)量稀少，成為工程船家族中頗具特色的一員。

隨著我國海洋油氣勘探開發(fā)向東海、南海等深海海域進軍，迫切需要開發(fā)作業(yè)水深大、起重能力強的大型起重船，為我國海洋石油勘探開發(fā)提供新型、經(jīng)濟、實用的海洋工程裝備。

[1]劉振輝，譚衛(wèi)衛(wèi)，譚家華.超大型海洋工程起重系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 中國海洋平臺，2006, (2).

[2]中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計實用手冊[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1998.

[3]ABS. Rules for Building and Classing - Mobile Offshore Drilling Units (2008)[S], American Bureau of Shipping, 2009.

[4]www.GustoMSC.com[EB/OL].

[5]Alain Wassink. Next generation crane vessel. deep offshore technology.