趙雨，孫靚

(中交第一航務(wù)工程局第二工程有限公司，山東青島266071)

新型多用途起錨艇的研發(fā)與建造

趙雨，孫靚

(中交第一航務(wù)工程局第二工程有限公司，山東青島266071)

為了滿足港珠澳大橋沉管安裝的起、拋錨需要，研發(fā)建造新型多用途起錨艇。通過計(jì)算沉管的水流力，優(yōu)化沉管安裝布錨方案，對錨抓力進(jìn)行試驗(yàn)，對沉管進(jìn)行物模試驗(yàn)和對起錨設(shè)施進(jìn)行分析，最終確定起錨艇的主要技術(shù)指標(biāo)和設(shè)備配置。實(shí)船建造投產(chǎn)后使用表明，新造多用途起錨艇的各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)良，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

沉管安裝;起錨艇;錨抓力

港珠澳大橋海底隧道長約6 km，共使用節(jié)段式沉管33個，其中標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)外形尺寸為180 m× 39.5 m×9.9 m，重約73 000 t，沉管定位和安裝都需要強(qiáng)大的錨系設(shè)施。國內(nèi)現(xiàn)有起錨艇的能力不滿足施工要求，需要研發(fā)建造專用起錨艇進(jìn)行起、拋錨作業(yè)。

1 主要性能參數(shù)

1．1 航區(qū)與用途

該船適合在中國沿海航區(qū)航行、拖帶作業(yè)，具有起錨功能，并可在近海單航。

1．2 主要參數(shù)

1．3 總體布置

該船為單甲板，三層甲板室，傾斜首柱和方艉形式。駕駛室和居住艙位于前部，一層甲板室布置廚房、衛(wèi)生間、會議室等;二層甲板室為船員居住艙室，三層甲板室為駕駛室。主船體以下由4道鋼質(zhì)水密橫艙壁分割為:艏尖艙、錨鏈艙、船員艙(其底部為雙層底艙)、壓載水艙、機(jī)艙(其底部有部分雙層底艙)、舵槳艙。

2 相關(guān)技術(shù)措施與試驗(yàn)

由于該船的首要任務(wù)是為沉管安裝進(jìn)行起、拋錨作業(yè)，起錨力是最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，為了確定起錨力，需要開展一系列的技術(shù)研究和試驗(yàn)工作，主要有如下內(nèi)容。①計(jì)算沉管的水流力;②研究沉管安裝工藝;③研究沉管安裝布錨方案;④委托大連理工大學(xué)對沉管(標(biāo)準(zhǔn)管節(jié))安裝的系纜力進(jìn)行物模試驗(yàn)，確定系纜力最大值;⑤進(jìn)行錨抓力試驗(yàn)、選取錨的類型和錨重;⑥研究起錨艇的起錨設(shè)施和主要設(shè)備配置。

2．1 沉管水流力的計(jì)算

選用《港口工程荷載規(guī)范》(JTS144-1-2010)［1］中的水流力計(jì)算公式計(jì)算沉管水流力，公式如下。將CW=1.2，ρ=1.0 t/m3，V=1.0 m/s，以及A=1 764 m2代入式(1)，得FW=1 058.4 kN。

2．2 沉管安裝工藝的研究

經(jīng)研究采用1對(2艘)安裝船騎跨在沉管上方進(jìn)行沉管的吊放安裝。每艘安裝船設(shè)置4個錨纜用于沉管定位，另設(shè)置2個錨纜用于控制沉管下沉安裝過程的軸向位置，見圖1。

圖1 沉管安裝布錨示意

2．3 沉管安裝布錨方案

沉管安裝選擇在平流時進(jìn)行，因占用航道，為保障安全，需要縮短安裝時間。利用本船提前將12個錨定點(diǎn)拋設(shè)，沉管拖至安裝現(xiàn)場后，使用本船和其他拖船快速將錨纜連接好。

經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化，沉管安裝的施工布錨方案見圖1，圖中M1～M8為安裝船定位錨纜，H1～H4為沉管安裝控制纜，內(nèi)側(cè)橢圓點(diǎn)為安裝布錨點(diǎn)，外側(cè)橢圓點(diǎn)為安裝船定位布錨點(diǎn)。

2．4 沉管系纜力的計(jì)算

沉管定位時的流向?yàn)榇怪庇诔凉馨惭b軸線，水流力靠水流來向的一側(cè)的4根定位纜來克服，考慮4根纜受力不均衡，按3根纜受力進(jìn)行計(jì)算。

假定系纜力為F，系泊纜與沉管安裝軸線的夾角為α，系泊纜與水面夾角為β，則

根據(jù)布錨方案，α在35°～60°之間變化，β在5°～15°之間變化，由式(2)可見，α越小，β越大，系纜力越大，選取α=35°、β=15°進(jìn)行計(jì)算，則算得F=636．8 kN。

2．5 沉管系纜力的物模試驗(yàn)

為驗(yàn)證系纜力計(jì)算結(jié)果，委托大連理工大學(xué)對沉管系纜力進(jìn)行物模試驗(yàn)，物模試驗(yàn)結(jié)果為:沉管上4根纜繩系泊標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)(E20)單根系泊纜力最大值為914 kN。

因此，選取沉管(標(biāo)準(zhǔn)管節(jié))系纜力的最大值為914 kN。

2．6 錨抓力試驗(yàn)

由于施工區(qū)域地質(zhì)為軟泥，為降低錨重，需要選擇大抓力型的錨，為此選用了AC-14、HYD-14和HY-17等3種大抓力錨在施工現(xiàn)場分別進(jìn)行多次錨抓力試驗(yàn)，試驗(yàn)抓重比結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)抓重比結(jié)果

根據(jù)前面的分析討論，選用8t HYD-14錨作為沉管定位錨和控制錨。

2．7 起錨力的確定

根據(jù)8t HYD-14錨的錨抓力(1 096 kN)，8個定位錨提前進(jìn)行布設(shè)，錨會有下沉量，錨抓力會加大，考慮富裕量，起錨力選取1 200 kN。

3 主要設(shè)備的配置

3．1 起錨設(shè)施

1)起錨絞車。選用組合式，液壓驅(qū)動，帶主、副2個同軸的卷筒，主卷筒用于起錨，副卷筒用于起重吊桿的吊鉤，泵站與錨機(jī)、吊桿變幅油缸及絞車等共用。絞車?yán)? 200 kN，主卷筒容繩量為直徑68 mm、長150 m，副卷筒的容繩量為直徑30 mm、長60 m。

2)起錨吊桿。用于吊錨和吊放的輔助設(shè)備，可放倒在二層甲板支架上，由A字架和2個變幅油缸組成，A字架底部絞接于甲板上，可通過2個液壓缸起升和收回，起重能力15 t，起升高度為設(shè)計(jì)吃水線上11 m，起吊點(diǎn)距船艉水平距離為3 m。

3)液壓擋銷和鯊魚鉗為50 t連桿式鯊魚鉗，液壓伸縮控制，帶鯊魚鉗和液壓擋銷，在機(jī)旁控制，工作時伸出甲板，不工作時可收到甲板下與甲板齊平。

4)艉部滾筒設(shè)于船艉舯部，滾筒長度4 m，直徑600 mm。

5)系泊絞車用于起錨輔助作業(yè)和系泊使用，液壓馬達(dá)驅(qū)動，臥式、單卷筒，拉力10 t，容繩量為直徑30 mm、長120 m。

3．2 主、輔機(jī)

1)主機(jī)。主機(jī)選用2臺濟(jì)柴(G12V190ZLC)生產(chǎn)的900 kW柴油機(jī)，額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min，空氣壓縮啟動，閉式冷卻，海水泵、冷卻淡水泵、滑油泵和燃油泵由主機(jī)直接驅(qū)動。雙機(jī)工作可提供300 kN的正拖系柱拖力。

2)輔機(jī)。輔機(jī)選用2臺250 kW的發(fā)電機(jī)組及1臺75 kW應(yīng)急發(fā)電機(jī)組。主發(fā)電柴油機(jī)為康明NTA855-G2(M)，額定功率284 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，電啟動，閉式冷卻。電機(jī)型式為無刷勵磁，AC400 V，50 Hz，三相，功率250 kW。停泊發(fā)電柴油機(jī)為康明斯6BT5.9-D(M)，額定功率86 kW，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，壓縮空氣起動，閉式冷卻。發(fā)電機(jī)型式為無刷勵磁，AC400 V，50 Hz，三相，功率75 kW。

3．3 推進(jìn)裝置

選用Z型舵槳推進(jìn)，型號NRP120，數(shù)量2臺，功率900 kW，輸入轉(zhuǎn)數(shù)1 450 r/min，螺旋槳直徑約1 750 mm，4葉定距螺旋槳。

3．4 壓載設(shè)備

設(shè)壓載總用泵1臺(100 m3/h×20 m)、艙底泵(兼作消防泵)兩臺，艙底泵可作壓載泵使用，用于調(diào)節(jié)船舶的浮態(tài)。

3．5 錨機(jī)

液壓馬達(dá)驅(qū)動，帶2個錨鏈輪，1個纜繩卷筒及2個副絞纜輪。配錨780 kg，錨鏈直徑26 mm，制動力600 kN，可在機(jī)旁和駕駛室遙控。

3．6 駕控臺

1)前駕控臺。駕駛室前部設(shè)2個控制臺(左右舷各1個)用于航行，由以下幾部分組成:主機(jī)轉(zhuǎn)速控制、舵槳轉(zhuǎn)向控制、以及主機(jī)、舵槳的報(bào)警及指示系統(tǒng);各通訊導(dǎo)航設(shè)備、電話，等;艏錨機(jī)操縱控制及指示系統(tǒng);電羅徑復(fù)示器。在駕駛室中部安裝集中控制板，由以下控制單元組成:航行燈控制板、信號燈控制板、火警探測和報(bào)警板、通用報(bào)警板、氣笛控制板、風(fēng)機(jī)油泵切斷按鈕、室外照明分電箱、助航分電箱、低壓分電箱、無線電分電箱及公共廣播，等。

2)后駕控臺。在駕駛室后部設(shè)2個控制臺(左右舷各1個)用于起錨作業(yè)，由以下幾部分組成:主機(jī)轉(zhuǎn)速控制、舵槳轉(zhuǎn)向控制、以及主機(jī)、舵槳必要的儀表等;后部拖纜機(jī)、A型架、卷車、鯊魚鉗等甲板機(jī)械操縱控制及指示系統(tǒng);后探照等控制板，拖鉤釋放按鈕，等。

3．7 測量設(shè)備

安裝多波束測深儀1套，型號為Kongsberg EM2040，掃寬可達(dá)140°(單聲吶探頭)，深度分辨率為2 mm，頻率范圍為200～400 kHz，最大頻率為50 Hz。

3．8 拖鉤

配40 t蝶形氣控拖鉤1個，可受機(jī)旁控制和駕駛室遙控，用于船舶拖帶。

3．9 其他設(shè)備

救生、消防、航行、信號、防止污染設(shè)備、生活污水處理裝置、通訊、導(dǎo)航設(shè)備及報(bào)警設(shè)備等按中國海事局《國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》(2011)［2］和中國船級社《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》(2009)［3］及相關(guān)修改通報(bào)的要求配備［2］。

4 主要技術(shù)特點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)

4．1 主要技術(shù)特點(diǎn)

1)起錨力大。該船的起錨力為1200kN，遠(yuǎn)大于常規(guī)起錨艇的起錨力。

2)采用艉起錨方式。該船采用艉起錨方式，有足夠的起錨作業(yè)面積。

3)自由航速大。常規(guī)起錨艇的航速一般在7～8 kn左右，該船自由航速為11kn。

4)船舶操縱性能好。該船采用雙全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)，回轉(zhuǎn)半徑小、操縱靈活，在狹窄區(qū)域作業(yè)優(yōu)勢更加明顯。主機(jī)功率大，系柱拖力為300 kN，有足夠的推進(jìn)力。

5)經(jīng)濟(jì)性好。該船除用作沉管安裝船、平臺式碎石鋪設(shè)船、供料船等進(jìn)行起、拋錨作業(yè)外，還可進(jìn)行船舶拖帶作業(yè)，使用率大大提高，經(jīng)濟(jì)性較好。

6)起錨設(shè)施配置高。常規(guī)起錨艇一般僅配置起錨絞車或起錨吊桿，該船除配置1 200 kN起錨絞車外，還配置了艉滾筒、液壓擋銷、鯊魚鉗、起吊錨桿和收放纜絞車。

7)設(shè)置前后駕控臺。該船設(shè)置前后駕控臺，前駕控臺用于正常航行，后駕控臺用于起錨作業(yè)使用。可遙控2臺主機(jī)、2臺舵槳、起錨絞車、液壓擋銷、鯊魚鉗和起錨吊桿工作。

8)船舶線型好。該船采用拖輪船型，艏部線型瘦削，提高了快速性;船艉豐滿，水線面積大，一般起錨作業(yè)不用調(diào)載。

9)干舷高。該船航區(qū)為近海，干舷大，可在外海施工區(qū)域進(jìn)行施工作業(yè)，使用范圍大大擴(kuò)展。

4．2 創(chuàng)新點(diǎn)

1)起錨工藝。常規(guī)起錨艇采用艏起錨方式，該船采用艉起錨方式，起錨輔助設(shè)施齊全，起錨能力和效率都大大提高。

2)多用途、多功能。該船安裝了1套多波束測深儀，除具有較強(qiáng)的起錨功能和中長途拖帶作業(yè)功能外，還具備了工前掃海測量及低精度測量驗(yàn)收功能。

5 使用效果與評價

經(jīng)過充分的技術(shù)調(diào)研和一系列的技術(shù)分析，2012年2月確定了該船的總體技術(shù)方案，隨后由煙臺海越船舶服務(wù)有限公司進(jìn)行了船舶詳細(xì)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)圖紙獲得CCS審批后，2012年6月該船在廣州文沖船廠有限公司開工建造，2013年1月16日完成建造并投入了港珠澳大橋的施工，主要為沉管安裝進(jìn)行起錨、布錨及通、解纜作業(yè)。由于起錨能力強(qiáng)和作業(yè)效率高，為沉管安裝提供了重要保障，發(fā)揮了無可替代的重要作用，截止目前為止已順利完成17個沉管的安裝。

該船是以滿足港珠澳大橋?qū)嶋H施工需求為目標(biāo)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新的新拖輪船型，其建造質(zhì)量優(yōu)良，性能優(yōu)異，達(dá)到了研發(fā)建造的預(yù)期目的。由于該船采用了較佳的線型，功率適中，設(shè)備配置合理，性能優(yōu)良，操縱性和回轉(zhuǎn)性能好，多用途，特別適用于港口施工單位使用，是今后港口施工單位老舊拖輪更新的首選船型之一。

［1］中華人民共和國交通運(yùn)輸部.港口工程荷載規(guī)范［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［2］中國海事局.國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［3］中國船級社.國內(nèi)航行海船建造規(guī)范［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［4］吳梵.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2010.

Development and Construction of the New Type of Multi-purpose Anchor Boat

ZHAO Yu，SUN Liang
(CCCC First Harbour Engineering Company Ltd.，Qingdao Shandong 266071，China)

The function of the new multipurpose anchor boat is to meet the demands of anchor handing work in the process of immersed pipes installation in the project of Hong Kong-Zhuhai-Macau bridge.Through calculating the flow force of immersed pipes，optimizing the plans of immersed pipes installation and anchor，testing of anchor holding power，experimenting with immersed pipes physical models and analyzing of the anchor handing facilities，the main technical parameter indicators and device configurations of anchor boat are determined.The results after anchor boat putted into using show that all of the performance indexes are good to achieve the desired objectives.

installation of immersed pipe;anchor boat;anchor holding force

U674.4

A

1671-7953(2015)02-0036-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.009

2014-10-28

修回日期:2014-12-26

國家科技支撐計(jì)劃課題(2011BAG07B01)

趙雨(1980-)，男，學(xué)士，工程師

研究方向:輪機(jī)工程

E-mail:zy198047@163.com