程維杰

（1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院 上海200240；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

大型起重鋪管船船型開發(fā)

程維杰1，2

（1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院 上海200240；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

［摘 要］文章對開發(fā)新一代5 000 t起重鋪管船的總體設計進行研究，總結了起重鋪管船新的發(fā)展趨勢，提出一種新的平衡穩(wěn)性、快速性和耐波性的船體多吃水變船寬的設計思路，為進一步提高單船體起重鋪管船的總體性能以及拓展單船體的應用范圍提供方向，并對其他海工船型的開發(fā)也提供一定的參考依據(jù)。

［關鍵詞］起重船；鋪管；耐波性；快速性；動力定位能力

引 言

進入21世紀以來，隨著陸地資源的日益枯竭，世界各國都不約而同地將海洋作為資源開發(fā)的重點方向。海洋石油及天然氣產量占全球油氣產量的份額越來越高，海上風電方興未艾，潮汐能和海底錳結核等新資源的開發(fā)利用也初露端倪，海洋工程建設的數(shù)量急劇增加。作為海洋工程開發(fā)的核心裝備，大型起重鋪管船的應用前景十分廣闊。

1 大型起重鋪管船發(fā)展概況

起重船屬于工程船，主要承擔海上結構物的起吊工作，按用途可分為用于海上吊裝、拆卸的大型起重船，用于鋪設海底油氣管線的起重鋪管船（裝有回轉式起重機），以及用于大型水上工程吊裝的起重船（大多裝設固定臂架式起重機）［1］。

起重鋪管船按回轉式起重機的能力大小，又分為常規(guī)起重鋪管船和大型起重鋪管船。對于常規(guī)起重鋪管船，其起重機的能力以滿足本船鋪管作業(yè)要求為極限（如安裝鋪管系統(tǒng)的托管架等），典型的船型如“海洋石油202”號起重鋪管船，其起重機的最大起重量約1 200 t，其他類似船型的起重能力也大致相當。本文所指的大型起重鋪管船，是以起重作業(yè)為主，兼具較強鋪管作業(yè)能力（或具備相關的改造潛力），起重量在3 000 t以上的起重鋪管船。

按照載體型式的不同，大型起重鋪管船又可分為單船體式（Mono Hull Crane Vessel）和半潛式（Semi-Submersible Crane Vessel）兩種型式。單船體是主流和常見的型式，發(fā)展歷史最長。根據(jù)所裝備的起重機型式不同，又可分為桅桿式或全回轉式。大型桅桿式起重機自重較輕，但設計、制造及裝配工藝要求較高，價格也較昂貴；大型全回轉式起重機應用較廣，但其自重稍大、質心稍高，對載體限制稍多。不過，無論是裝配桅桿式還是全回轉式起重機，單船體起重船的起重能力都受到船寬的限制。雖然目前已有7 500噸級 “藍鯨號”起重船投入使用，但其實際的最大起重能力也僅為5 000 t左右?？偟膩碚f，目前一般單體船大型起重鋪管船的船寬不超過50 m，起重能力不超過5 000 t［2-3］。

半潛式突破單船體寬對穩(wěn)性的限制，最大起重能力達到14 200 t（如1985年建成的“Thiaf”號）。該船型在20世紀70和80年代發(fā)展達到高潮，有5艘同類型平臺投入使用。但由于建造和營運的成本均十分高昂，且細分市場有限，近年來雖時有建造方案推出，但迄今為止均未能再有同類型平臺投入使用。

2 大型起重鋪管船發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

隨著全球性海洋油氣工程大量開發(fā)的需要，作業(yè)水域全球化發(fā)展，跨海域使用和長距離調遣也日益普遍，因而對航速的要求也越來越高。早期建造的起重船以非自航為主，即便有推進動力，也僅考慮到近距離移船的需要，一般航速在5～8 kn（如2006年建成的“華天龍”號和2008年建成的“Sapura 3000”號）。但近年來，新開發(fā)建造的大型起重船航速要求越來越高，一般都不低于11 kn（如2011建成的“威力”號和“海洋石油201”號），有些更是達到了14 kn（如2011年建成的“Oleg Strahnov”號和2012年建成的 “Borealis”號）。與此同時，起重船的作業(yè)能力也迅速提高，主尺度也隨之大型化。如3 000噸級自航起重船“威力”號，船長約為140 m、船寬達到40 m；4 000噸級“華天龍”號，船長約為165 m、船寬達到48 m；4 000噸級 “海洋石油201”號，船長達到205 m、船寬達到39.2 m；5 000噸級 “Oleg Strahnov”號和“Borealis”號，船長均超過180 m、船寬分別達到47 m和46.2 m。隨著船舶尺度增大和航速提高，需配置的動力也成幾何級數(shù)增長，穩(wěn)性以及建造和使用的經濟性矛盾越來越突出。

海洋開發(fā)向近海和外海延伸，裝備功能的多樣化趨勢明顯，這就要求盡可能做到一船多能、一船多用，由起重和鋪管功能結合而成的起重鋪管船最為典型。海上大型結構物的吊裝作業(yè)對船舶穩(wěn)性的要求，導致船寬增加、橫搖周期變短、耐波性變差，而耐波性的優(yōu)劣直接關系到鋪管作業(yè)的全年海上可作業(yè)天數(shù)，對其整個生命周期的經濟效益產生重大影響。因此大型起重鋪管船的穩(wěn)性與快速性和耐波性的矛盾尤為顯著。

3 新型起重鋪管船船型開發(fā)

起重鋪管船在重載起重作業(yè)時，重心高度極高，并且吊著重物旋轉時會產生巨大的傾側力矩。為確保穩(wěn)性安全，此類船舶應具有很大的初穩(wěn)性高度（GM）和復原力矩，因此船寬比常規(guī)船大得多。然而船寬增大，航行時的阻力必然大，所以在同樣功率下的航速較低。此外，GM高則船舶的橫搖固有周期短，在波浪中劇烈搖擺則限制了船舶鋪管的作業(yè)效率。

因此，新型起重鋪管船型需要解決的技術問題在于：克服現(xiàn)有技術中存在的問題，提供一種由光順曲面構成船體的海洋作業(yè)工程船。其航行和作業(yè)吃水由淺到深、覆蓋較大的范圍，船體的舯橫剖面呈倒置時鐘形。在較淺吃水處寬度較小，隨吃水的增加寬度逐漸增大，直至最大船寬。在較淺吃水狀態(tài)（如航行、起重準備或其他作業(yè)工況），船的水線面較窄，因而阻力小，可達到較高的航速，同時具有較好的橫搖性能。當船舶進行起重作業(yè)或其他可能嚴重危及船舶穩(wěn)性的工程作業(yè)時，通過壓載水艙的注水，使船達到較大吃水，此時船寬達到最大，從而確保船舶具有適度的穩(wěn)性安全。

3.1 多吃水變船寬船型方案

目標船型是具有DP3動力定位和錨泊定位功能的自航大型全回轉起重鋪管船，用于全球主要海區(qū)，具備進行大型組塊、平臺模塊、導管架的起重吊裝、提供平臺作業(yè)支持、潛水作業(yè)支持和鋪管作業(yè)等需求，最大作業(yè)水深3 000 m。該船總布置圖及三維仰視圖如圖1至圖3所示。

圖1 總布置圖——首視圖

圖2 總布置圖——側視圖

圖3 線型的三維仰視圖

船上設置一臺全回轉起重機，其最大固定起重能力為5 000 t，全回轉起重能力為4 000 t。該船航速不低于13 kn，流線型首尾、舭部有圓角、設舭龍骨。船上設兩層連續(xù)甲板，主甲板為干舷甲板。作為鋪管作業(yè)船，船中心附近設兩道縱艙壁，中間為S型鋪管主作業(yè)線，管道經過起重機基座的下部，從尾封板的開口伸出船體，左右兩側為雙節(jié)管預制和管道輸送作業(yè)區(qū)。露天甲板為作業(yè)甲板，作業(yè)面積不少于5 000 m2，可運載吊裝作業(yè)的大型結構物。鋪管作業(yè)時，可儲存管子，最大存儲能力約為12 000 t。

該船主要參數(shù)如下：

船體總長 約190 m

水線長 180 m

型寬 48 m

型深（干舷甲板） 16 m

設計吃水（起重作業(yè)） 11.50 m

設計吃水（鋪管作業(yè)） 10.45 m

航行吃水 8.50 m

動力定位 DP-3

錨泊定位 10點

定員 398 人

自持力 60 天

續(xù)航力 12 000 n mile

最大排水量 約70 000 t

多吃水變船寬船型設計方案見表1。

3.2 常規(guī)設計船型

起重鋪管船船型為肥大性船舶。為了簡化施工工藝、降低造價，傳統(tǒng)起重鋪管船的平行中體一般采用圓舭部直壁型。其中剖面設計如圖4所示，線型設計如圖5所示。

表1 多吃水變船寬船型的設計方案

圖4 常規(guī)起重鋪管船型的中剖面設計

圖5 常規(guī)起重鋪管船型的型線圖

常規(guī)船型設計方案見表2。

4 快速性

使用Holtrop方法，對兩個方案的快速性進行初步評估，考慮到快速性僅與航行吃水有關，故只對兩個方案在滿載航行吃水時進行評估。傳統(tǒng)船型（方案1）的滿載航行吃水為7.1 m，而多吃水變船寬船型（方案2）的滿載航行吃水為8.5 m。兩個方案的滿載航行有效功率計算結果及對比如表3所示。在10 ～14 kn的航速范圍內，相差均為8%。

表2 常規(guī)船型的設計方案

表3 滿載航行工況下的有效功率比較

由于在同等排水量情況下，多吃水變船寬船型方案吃水約增加1.4 m，因此可采用槳徑更大的全回轉舵槳。在螺旋槳收到功率相等的情況下，螺旋槳設計轉速可適當降低，螺旋槳效率也能獲得一定的提升。總之，多吃水變船寬船型方案在快速性方面優(yōu)勢顯著。

5 耐波性

5.1 耐波性與橫搖周期

耐波性是船舶在波浪中運動特性的統(tǒng)稱，包括橫搖、縱搖、首搖、橫蕩、縱蕩和垂蕩，以及由這些運動引起的航行阻力增加、上浪、甲板加速度變化等性能，直接影響船舶在風浪作用下維持其正常作業(yè)能力。其中的橫搖運動最容易發(fā)生且幅度最大，是耐波性研究的核心內容。

根據(jù)橫搖頻率響應函數(shù)的線性理論，橫搖既取決于波浪能量的大小，也取決于譜密度曲線與放大因數(shù)曲線的關系。若根據(jù)后者，可將船舶在不規(guī)則波中的橫搖狀態(tài)作如下劃分為亞臨界狀態(tài)、臨界狀態(tài)和超臨界狀態(tài)。亞臨界狀態(tài)為諧搖波長小于2倍船寬時，船舶橫搖運動非常小，但在較高的海況下，稍大尺度的船舶難以做到這一點。當諧波波長位于主成分波區(qū)間以內時，橫搖運動最嚴重，稱為臨界狀態(tài)；當諧波波長大于最大有義波長時，橫搖運動比較緩和，稱為超臨界狀態(tài)。設計中通常希望船舶處于超臨界狀態(tài)，為此需要增加橫搖固有周期T?。而常規(guī)的起重鋪管船船型橫搖周期T?僅為10 s左右，橫搖諧波波長λ = 1.56×T?2= 156（m）。

當有義波高HS為2.5 m時，最大有義波長為150 m，可以認為船舶處于超臨界狀態(tài)，橫搖不嚴重；但當有義波高HS提高為3.0 m時，最大有義波長為180 m，船舶進入臨界狀態(tài)，會產生較嚴重的橫搖。換言之，對于常規(guī)起重鋪管船船型，2.5 m有義波高HS是極限的作業(yè)海況。在實際設計中，類似的參數(shù)也極為常見，這也從另一方面驗證了傳統(tǒng)船型在耐波性方面已面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。

通過開發(fā)多吃水變船寬船型，將船舶橫搖周期提高到12 s以上，這時橫搖諧波長度可達到225 m，可以將船舶最大作業(yè)海況的有義波高HS提高到3 m以上，而船舶仍能較安全地處于超臨界狀態(tài)。

5.2 耐波性模型試驗

考慮到船舶水動力分析的復雜性，我們仍然采用較可靠的模型試驗方法。通過船模不同狀態(tài)靜水自由橫搖衰減試驗獲得衰減曲線，確定其橫搖固有周期；進行零航速下的迎浪、斜浪和橫浪規(guī)則波模型試驗，根據(jù)線性迭加原理把試驗結果換算為不規(guī)則波（波譜取JONSWAP譜）；對不同吃水下的縱搖、橫搖、加速度和垂蕩的結果預報等。

通過安裝于船模上的陀螺測量船模的橫搖角時歷，獲得衰減曲線和固有周期。結果如表4和圖6 -圖8所示［8］。

表4 橫搖自由衰減周期匯總

圖6 吃水8.5 m橫搖自由衰減時歷（橫搖周期17.15 s）

圖7 吃水10.45 m橫搖自由衰減時歷（橫搖周期13.05 s）

圖8 吃水11.5 m橫搖自由衰減時歷（橫搖周期25.55 s）

在有義波高HS= 3.0 m（平均跨零周期T2= 8.0 s）時的縱搖、橫搖、加速度和垂蕩結果預報如表5-表7所示［8］。

表5 吃水8.5 m（滿載航行）時，不規(guī)則波　預報結果（HS= 3 m，T2= 8.0 s）

表6 吃水10.45 m（鋪管作業(yè)）時，不規(guī)則波　預報結果（HS= 3 m，T2= 8.0 s）

表7 吃水11.5 m（起重作業(yè)）時，不規(guī)則波　預報結果（HS= 3 m，T2= 8.0 s）

5.3 耐波性歸納總結

1.2.3 統(tǒng)計學方法。采用SPSS 21.0統(tǒng)計學軟件，對所有數(shù)據(jù)進行描述性分析，符合正態(tài)分布的計量資料以（x-±s）表示，計數(shù)資料用率表示。計量資料兩組間差異檢驗采用獨立樣本t檢驗，計數(shù)資料兩組間差異檢驗采用非參數(shù)秩和檢驗和χ2檢驗，采用二元Logistic回歸，進一步研究影響血腫增大的危險因素，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

從以上結果獲知，在滿載航行工況時，由于水線面較窄而船舶重心位置相對較高，橫搖周期超過17 s，不規(guī)則波中的運動幅值較小，耐波性表現(xiàn)非常突出。而最大起吊作業(yè)時，由于起重機及吊重的關系，船舶重心較高、橫搖周期較長（超過25 s）、船舶運動幅值較小，有利于控制起重機的動載荷因子，增加起重機實際可利用的起吊能力。

在鋪管作業(yè)的最大吃水時，橫搖周期超過了13 s，雖然較常規(guī)的起重鋪管船船型已大為改善，但仍未遠離平均跨零周期T2= 8.0 s，不規(guī)則波中的運動幅值較大。起重鋪管作業(yè)時的耐波性衡準為：橫搖單幅最大值小于2.5°，縱搖單幅最大值小于2°［10］。由表6可知，多吃水變船寬船型在3 m有義波高下，艏斜浪（45°）情況下，橫搖角稍微超過鋪管作業(yè)耐波性衡準，即在艏向正負40°范圍內，能滿足鋪管作業(yè)耐波性標準?？紤]到本文較為保守的耐波性試驗，選取鋪管作業(yè)工況的最大吃水，此時露天甲板裝載著12 000 t管子，同時還攜帶100%的油水。若適當降低吃水，即控制船舶燃油淡水的裝載率（如50%）、調節(jié)壓載艙的裝載以及調整甲板上管子數(shù)量，水線寬將可減窄，同時重心增高，能顯著改善船舶的耐波性能，其極限就是航行工況（吃水8.5 m）時的情況，即燃油淡水裝載率為50%，甲板上裝載的管子質量仍能達到6 000 t左右，能夠覆蓋絕大多數(shù)的作業(yè)情況。

這就是說，多吃水變船寬起重鋪管船船型實際上可以在很大的氣象窗口內實施鋪管作業(yè)，作業(yè)效率比常規(guī)起重鋪管船大大提高。

6 結 論

經過比較分析，本文推薦的起重鋪管船船型采用多吃水變船寬方案，在滿足穩(wěn)性要求的前提下，顯著改善了起重鋪管船航行時快速性和鋪管作業(yè)時耐波性；使大型起重鋪管船在提高起重能力的同時，又能以較低的推進功率達到較高航速，從而拓展了船舶的可作業(yè)范圍；而耐波性的改善，大大增加了鋪管作業(yè)的氣象窗口，改善了大型起重鋪管船的經濟性能。與傳統(tǒng)船型相比，多吃水變船寬的船型，其吃水自然稍有增加，但考慮到大型起重鋪管船的作業(yè)海域絕大部分為深水和遠海，因此并不會對該船型的應用產生實質性的影響。

隨著深海、遠海油氣田等資源開發(fā)逐步進入實施階段，不僅是起重鋪管船船型面臨穩(wěn)性與快速性、耐波性的矛盾，其他海洋工程船型（如鉆井船）的可變載荷在不斷加大，且作業(yè)設備的能力日益增強、船體尺度越來越大，從而形成波浪載荷大、運動性能差、對環(huán)境載荷敏感等現(xiàn)狀［11］，正面臨與起重鋪管船船型相類似的挑戰(zhàn)。

本文僅以起重鋪管船船型為例，闡述了多吃水變船寬的基本原理、主要特征和優(yōu)點，其應用范圍還可以有各種變化和改進，例如不設置起重機而是設置鉆井井架，即應用鉆井船。因此，多吃水變船寬的船型實際上是一種新型的海洋工程船船型，可以在深水、遠海的海洋工程開發(fā)中廣泛應用。

［參考文獻］

［ 1 ］ 康為夏，閔兵，李含蘋. 大型起重船的發(fā)展與市場前景［J］. 船舶，2009（6）：15-16.

［ 2 ］ 毛建輝，周健. 大型回轉起重船發(fā)展概況［C］//大型起重/鋪管船及工程船舶的研發(fā)論文集，上海，2010：98-99.

［ 3 ］ 張志明，徐丹錚，張超，等. 大型起重船船型開發(fā)的若干技術問題初探［J］.船舶，2005（1）：10-15.

［ 4 ］ 708所海工部. 5 000噸打撈起重船全船技術規(guī)格書［R］. 2012.

［ 5 ］ 708所海工部. M02012-051-002_總布置圖［R］. 2012.

［ 6 ］ 盛振邦，劉應中. 船舶原理（上）［M］. 第一版，上海：上海交通大學出版社，2004：194-195.

［ 7 ］ 708所基礎研究部. 5 000噸打撈起重船快速性模型試驗報告［R］. 2012.

［ 8 ］708所基礎研究部. 5 000噸打撈起重船耐波性模型試驗報告［R］. 2012.

［ 9 ］ 盛振邦，劉應中.船舶原理（下）［M］. 第一版，上海：上海交通大學出版社，2004：384.

［10］ 王曉波，許文兵，肖龍. 深水鋪管起重船“海洋石油201”在荔灣3-1氣田開發(fā)工程的適用性分析［C］//紀念顧懋祥院士海洋工程學術研討會論文集，北京，2011：164-165.

［11］ 劉學勤，張海彬.深水鉆井船運動性能分析［J］. 船舶，2013（6）：12-15.

［中圖分類號］U674.34

［文獻標志碼］A

［文章編號］1001-9855（2015）03-0028-07

［收稿日期］2014-10-11；［修回日期］2014-10-17

［作者簡介］程維杰（1982-），男，碩士，高級工程師，研究方向：船舶總體設計。

Development of hull line for huge crane and pipe-laying vessels

CHENG Wei-jie1,2

(1. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University Shanghai 200240, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Abstract：This paper presents a research on the key technologies involved in the general design of a new generation of 5 000 t crane and pipe-laying vessels. Through summarizing latest development tendency of huge crane and pipe-laying vessels， it proposes a new solution for balancing its seakeeping capacity， power performance and stability. It provides a scientific basis for improving the overall performance and expanding the operating scope of mono-hull crane and pipe-laying vessels， and also a reference for the design of other types of offshore vessels.

Keywords：crane vessel； pipe-laying； seakeeping capacity； power performance； DP capability