田明琦，譚 美

（中集船舶海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 201206）

50000dwt半潛運(yùn)輸船總體設(shè)計(jì)

田明琦，譚 美

（中集船舶海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 201206）

50000dwt半潛運(yùn)輸船是中集船舶海洋工程設(shè)計(jì)研究院為振華船運(yùn)有限公司設(shè)計(jì)的新一代大型海工船，具有裝載能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)、安全、下潛起浮效率高和操作靈活等顯著特點(diǎn)。簡要敘述半潛運(yùn)輸船船型、特點(diǎn)和使用功能。重點(diǎn)闡述船舶穩(wěn)性安全及結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制對(duì)載重量和下潛能力的影響、壓載系統(tǒng)效率、電力推進(jìn)系統(tǒng)與動(dòng)力定位功能以及相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和技術(shù)措施。

半潛運(yùn)輸船；船型特點(diǎn)；設(shè)計(jì)

0 引 言

半潛船也稱半潛式母船，是專門用來運(yùn)輸大型海上石油鉆井平臺(tái)、大型艦船、潛艇、龍門吊和預(yù)制橋梁構(gòu)件等超長、超重但又無法分割或拆解吊運(yùn)的超大型設(shè)備的特種船舶，主要分為無動(dòng)力半潛駁船和自航式半潛運(yùn)輸船2類。其工作原理與潛艇非常類似，不同的是，潛艇可全部潛入水下航行，而半潛船是除去艏樓、上層建筑及艉浮箱之外的船身甲板潛入水下一定深度，部分在水上提供儲(chǔ)備浮力。

半潛船可通過滑上滑下、滾裝滾卸、吊上吊下及下潛上浮等多種作業(yè)方式進(jìn)行移動(dòng)和裝卸貨物［1］。下潛上浮作業(yè)最具半潛運(yùn)輸船的作業(yè)特點(diǎn)，在將需要裝運(yùn)的貨物（如游艇、潛艇、駁船、鉆井平臺(tái)、大型海洋結(jié)構(gòu)物及各類海洋平臺(tái)等）拖曳到已經(jīng)潛入水下的裝貨甲板上方時(shí)，通過大型空氣壓縮機(jī)或壓載水調(diào)載泵將半潛船壓載水艙內(nèi)的壓載水排出船體，使船身連同甲板上承載的貨物一起浮出水面，綁扎固定，由此即可通過海運(yùn)將貨物運(yùn)至目的港［2］。

半潛運(yùn)輸船可分為以下2類。

1） 常規(guī)半潛運(yùn)輸船，其承載作業(yè)僅可在低海況下進(jìn)行，該類船以運(yùn)輸為主。

2） 以海工作業(yè)為主的半潛運(yùn)輸船，不僅要兼顧海上運(yùn)輸，更要承擔(dān)海上打撈作業(yè)、海工作業(yè)及搶險(xiǎn)救援等任務(wù)；其承載作業(yè)可在相對(duì)較惡劣海況下進(jìn)行，與常規(guī)半潛船相比，在強(qiáng)度、穩(wěn)性及功率配置上均需進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足使用安全及規(guī)范要求。50000dwt半潛運(yùn)輸船的設(shè)計(jì)和實(shí)際使用就是要符合以海工作業(yè)為主的半潛運(yùn)輸船的要求［3］。

1 船型特點(diǎn)

50000dwt半潛運(yùn)輸船的設(shè)計(jì)要求是滿足船級(jí)社及國際相關(guān)法規(guī)、公約和規(guī)范的要求，并具有總體布局合理、完整破艙穩(wěn)性達(dá)標(biāo)、耐波性能優(yōu)越、定位快捷有效和操縱靈活方便等特點(diǎn)。

該半潛船為鋼質(zhì)、流線型艏、方艉的三島式半潛運(yùn)輸船，具有DP-2動(dòng)力定位功能，可在無限航區(qū)航行及作業(yè)。其艏部設(shè)艏樓，在艏樓上布置甲板室，用作生活區(qū)、駕駛室和其他處所。其艉浮箱可移動(dòng)，并能通過船上專用設(shè)備移動(dòng)和重新布置在艏樓底下。

該船采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，設(shè)4臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)組、1臺(tái)停泊發(fā)電機(jī)和1臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)。該船采用雙層底結(jié)構(gòu)，設(shè)有多道水密橫艙壁，布置有壓載艙、艏艉泵艙、艏部機(jī)艙、淡水艙、燃油艙、滑油艙及前后貫通的縱向走道。該船的主尺度見表1，總體布置見圖1。

表1 50000dwt半潛運(yùn)輸船主尺度

圖1 50000dwt半潛運(yùn)輸船總體布置

該船掛中華人民共和國國旗，船體、設(shè)備、機(jī)器及其他所有裝置入級(jí)中國船級(jí)社（China Classification Society，CCS），并獲得船級(jí)符號(hào)：

★ CSA Semi-Submersible Heavy Lift Vessel，SPS，ERS，PSPC（B），Ice Class B，Loading Computer S.I.D.， In-water survey， Clean， BWMP （MEPC.127（53） ）

★ CSM AUT-0， DP-2， SCM， Electrical Propulsion System

該船可用于：海洋石油和天然氣勘探、開采所需大型海上裝備（如大型鋼結(jié)構(gòu)件、各類平臺(tái)、導(dǎo)管架和平臺(tái)主塊等）、大型船舶及艦艇的裝載與運(yùn)輸；400英尺（1ft=0.3048m）自升式鉆井平臺(tái)（2個(gè)）的運(yùn)輸；質(zhì)量約 18000t的大型上部模塊的浮托法安裝；大型船舶的應(yīng)急搶險(xiǎn)打撈、破損船舶的裝載與調(diào)遣；通過潛浮作業(yè)，滿足排水量＜80000t的運(yùn)輸船的整體打撈（空船質(zhì)量＜20000t）；通過艉部拉移裝載大型模塊（質(zhì)量≥25000t）；水上遇險(xiǎn)的各類軍事船舶、民用船舶、器材及航空航天器的搶險(xiǎn)打撈和海上油污染防治。

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)師收集并整理了市場上已交付使用或正在建造、洽談中的幾十艘半潛運(yùn)輸船的相關(guān)資料，其中5萬噸級(jí)船舶所占的比例較大，包括舊船改造和新造船2類，包括常規(guī)動(dòng)力推進(jìn)、電力直推和吊艙推進(jìn)等不同形式。這些大型半潛運(yùn)輸船具有船齡短、載重量大和設(shè)備先進(jìn)等諸多優(yōu)點(diǎn)。半潛運(yùn)輸船大型化的發(fā)展已經(jīng)愈演愈烈，5萬噸級(jí)半潛運(yùn)輸船可作為市場上的主流船型，市場前景十分廣闊。近期，8萬噸級(jí)半潛運(yùn)輸船已在國內(nèi)開工建造。

2 穩(wěn)性的技術(shù)要求

半潛運(yùn)輸船的主要包括長距離的海上航行運(yùn)輸工況和半潛承載作業(yè)工況。

半潛運(yùn)輸船運(yùn)輸通常在無限航區(qū)海域航行，在設(shè)計(jì)吃水下，船體的各項(xiàng)性能（即浮態(tài)、穩(wěn)性、抗沉性及強(qiáng)度）均應(yīng)滿足有關(guān)船級(jí)社、海事當(dāng)局的法規(guī)及規(guī)范對(duì)無限航區(qū)船舶的要求。船舶完整穩(wěn)性應(yīng)滿足IMO MSC.267（85）決議之《2008 年國際完整穩(wěn)性規(guī)則》的有關(guān)要求。值得注意的是，完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)“最大復(fù)原力臂對(duì)應(yīng)橫傾角應(yīng)≥25°”。由于該類船的寬度很大，在較小的橫傾角時(shí)甲板就會(huì)上水，進(jìn)而復(fù)原力臂達(dá)到最大值，因此與船級(jí)社溝通，采用近海供應(yīng)船的等效規(guī)則替代該項(xiàng)規(guī)則，即把橫傾角≥25°要求降低到橫傾角≥15°，相應(yīng)地，復(fù)原力臂曲線下的面積要求由0.055m·rad提高到0.080m·rad進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)然，該船船東提出需要滿足Noble Denton Report No.0007/NDI“Guidelines for the Transportation of Cargoes on Heavy Lift Ships”的穩(wěn)性標(biāo)準(zhǔn)［4］，該標(biāo)準(zhǔn)屬非強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)內(nèi)容如下。

1） ND-RANGE：完整穩(wěn)性范圍0°橫傾角，至正復(fù)原力臂（GZ）消失角≥36°。等效地，若拖航或航行的最大運(yùn)動(dòng)幅值可通過模型試驗(yàn)或運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算得出，則完整穩(wěn)性范圍應(yīng)≥（200.8）θ+°，θ即設(shè)計(jì)海況引起的橫搖或縱搖的最大角度+設(shè)計(jì)風(fēng)所引起的靜橫傾角或縱傾角。

2） ND-WO：對(duì)完整穩(wěn)性，復(fù)原力臂曲線下的面積應(yīng)≥40%的風(fēng)傾力臂曲線下面積。該面積由 0°橫傾或縱傾及風(fēng)傾力臂曲線與復(fù)原力臂曲線的二次交點(diǎn)或進(jìn)水角組成，取小者。

3） ND-DWNFLD：任何＜20°或（5）θ＜+°指定的進(jìn)水點(diǎn)，其中θ是定義在“ND-RANGE”中，在作業(yè)工況都應(yīng)是關(guān)閉或水密的，或采用自動(dòng)關(guān)閉保護(hù)。

承載的貨物分為有浮力貨和無浮力貨兩大類。有浮力貨可以計(jì)及貨品提供的水線面積、復(fù)原力臂及排水體積等因素，對(duì)船舶的初穩(wěn)性和大傾角均有不同程度的好處。經(jīng)過計(jì)算，該方案可滿足多種典型貨物的航行狀態(tài)的穩(wěn)性要求，具有良好的性能。

國際上針對(duì)半潛船的規(guī)范并不十分完善，CCS較早提出了半潛船的附加標(biāo)志，并在《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》中對(duì)半潛船下潛、上浮工況作出如下規(guī)定。

1） 半潛船應(yīng)在不超過“4）”所規(guī)定的風(fēng)、浪外界環(huán)境條件下進(jìn)行半潛作業(yè)，并應(yīng)在穩(wěn)性計(jì)算書、操作手冊(cè)及有關(guān)的證書中予以注明。

2） 半潛船在半潛作業(yè)下應(yīng)按10%的燃料、消耗品及備品核算“3）”～“6）”各作業(yè)裝載情況下的穩(wěn)性。

3） 半潛船滿載甲板貨物準(zhǔn)備下潛時(shí)，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度≥1.0m。

4） 半潛船滿載甲板貨物在舉升甲板入水或出水過程中，其穩(wěn)性應(yīng)滿足下列衡準(zhǔn)之一：

（1） 在基本無浪的平靜水域，蒲氏風(fēng)級(jí)≤3級(jí)時(shí)，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度≥0.05m，或蒲氏風(fēng)級(jí)≤5級(jí)時(shí)，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度≥0.1m；

（2） 在蒲氏風(fēng)級(jí)≤6級(jí)、有義波高H1/3≤0.5m 的水域，或蒲氏風(fēng)級(jí)≤4級(jí)、有義波高H1/3≤1m 的水域 ，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度≥0.15m。

5） 半潛船下潛至最大沉深時(shí)，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度≥0.5m。

6） 半潛船甲板上無承載物在下潛或上浮的任何階段，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度均應(yīng)≥0.15m。

7） 存在自由液面的液體艙都應(yīng)考慮其最大的自由液面影響。

8） 承載大型物件、船舶或海洋設(shè)施進(jìn)行下潛作業(yè)時(shí)，可按承載物的實(shí)際位置及浮態(tài)計(jì)及其對(duì)穩(wěn)性的影響。

9） 應(yīng)編制相應(yīng)的半潛作業(yè)操作手冊(cè)，規(guī)定具體的下潛程序與操作步驟，以保證船舶符合“3）”～“6）”的各項(xiàng)規(guī)定。半潛作業(yè)操作手冊(cè)應(yīng)提交CCS備案。

以上幾個(gè)不同的衡準(zhǔn)值對(duì)設(shè)計(jì)者及業(yè)主設(shè)計(jì)和使用該半潛船提出了不同的要求。例如，同樣大小的半潛船在承載同一結(jié)構(gòu)物時(shí)，若海況較低（蒲氏風(fēng)級(jí)如 1～2級(jí)），則其主尺度、定位功率大小、船體強(qiáng)度均可滿足使用安全及規(guī)范要求；而在進(jìn)入高海況（4～5級(jí)）區(qū)域作業(yè)時(shí)，則只有降低承載能力并增大定位功率方可滿足使用安全及規(guī)范要求。該船的投標(biāo)方案滿足標(biāo)書要求的下潛及起浮作業(yè)環(huán)境條件：蒲氏風(fēng)級(jí)≤6級(jí)；流速≤2kn；有義波高H1/3≤2 m 。

規(guī)范規(guī)定，半潛船下潛至最大沉深時(shí)，應(yīng)滿足最大沉深水線以上第一層甲板以下部分的儲(chǔ)備浮力比率≥5%，或最大沉深水線以上第二層甲板以下的儲(chǔ)備浮力比率≥5%，但第一層甲板以下部分的儲(chǔ)備浮力比率≥3.5%。因此，在設(shè)計(jì)艏樓及艉部浮箱時(shí)，需要全面平衡臨界穩(wěn)性、下潛穩(wěn)性及有效甲板面積之間的矛盾，如果艏樓及艉部浮箱設(shè)計(jì)得過大，雖然下潛穩(wěn)性更容易滿足、儲(chǔ)備浮力充足，但要犧牲有效的裝貨甲板面積和長度。為了提高該船的各項(xiàng)性能指標(biāo)，給業(yè)主帶來最大限度的有效裝貨空間，在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行多次尺寸核算后才確定最終的設(shè)計(jì)方案。

常規(guī)的半潛運(yùn)輸船往往具有因船寬大帶來的自由液面影響、壓載水卸放難排凈等問題。該船設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)過幾種分艙布置形式的調(diào)整，最終確定液艙甲板結(jié)構(gòu)形式為向船中傾斜（見圖2）。這樣的設(shè)計(jì)既有利于清理水艙和泄放壓載水，也可降低自由液面產(chǎn)生的不利影響。另外，空氣管的布置也引入了安全區(qū)域的概念，即所有的空氣管都經(jīng)過安全區(qū)域后再拐到指定的位置。所謂安全區(qū)域，就是為了避免船體破損之后沿著空氣管發(fā)生衍生進(jìn)水而故意讓空氣管繞道，雖然增加了建造成本，但對(duì)破損后船舶的浮態(tài)有很大利好，得到船東的認(rèn)可。破艙穩(wěn)性計(jì)算針對(duì)航行工況，穩(wěn)性衡準(zhǔn)按照SOLAS 2009第Ⅱ-1章及修正要求。同時(shí)，由于該船屬B-60干舷，需按照《1966年國際載重線公約》的相關(guān)要求進(jìn)行確定性破艙的計(jì)算。

圖2 傾斜甲板

半潛船的空船質(zhì)量直接影響載重量和穩(wěn)性等關(guān)鍵性能指標(biāo)，其質(zhì)量的預(yù)估既不能過重也不能過輕。過重，影響裝載能力；過輕，則在裝滿壓載水的情況下不能達(dá)到最大的下潛深度，無法滿足使用要求。另外，重心高度也直接影響大型貨物的裝載能力。該船的設(shè)計(jì)既可滿足空船狀態(tài)（10%油水）下潛至27m的最大沉深，同時(shí)也可滿足航行狀態(tài)的載重要求及其他相關(guān)規(guī)范要求。

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)

該船入級(jí)CCS，設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)主要滿足《CCS鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）中對(duì)干貨船及半潛船的要求。由于該船/B D（型寬/型深）≥2.5，不完全滿足《規(guī)范》給出的波浪彎矩及波浪剪力公式使用條件，因此需采用水動(dòng)力法對(duì)其波浪彎矩及剪力進(jìn)行直接計(jì)算。另外，根據(jù)標(biāo)書技術(shù)要求，該船有B級(jí)冰區(qū)加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按《規(guī)范》對(duì)相關(guān)區(qū)域外板及扶強(qiáng)材進(jìn)行加強(qiáng)。針對(duì)沉浮作業(yè)及遠(yuǎn)洋航行2種工況，需對(duì)船體總縱、總橫強(qiáng)度及局部強(qiáng)度進(jìn)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(jià)。

1） 沉浮裝貨：主要考慮船舶下沉后船體壓載艙構(gòu)件承受的水壓力及船舶浮起時(shí)排壓載的壓縮空氣壓力，對(duì)船體構(gòu)件局部強(qiáng)度有較高要求。

2） 航行狀態(tài)：主要考慮波浪彎矩、剪力及載貨與船舶自重產(chǎn)生的靜水彎矩、剪力對(duì)船體總縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度的要求［5］。

3） 當(dāng)有重貨從艉部滑移上貨時(shí)，可能產(chǎn)生很大的中拱彎矩及剪力，也應(yīng)特別關(guān)注；經(jīng)對(duì)多種典型工況進(jìn)行分析校核，可保證該船具有足夠的強(qiáng)度。

4 電站及推進(jìn)系統(tǒng)

設(shè)計(jì)中選用先進(jìn)、穩(wěn)定的動(dòng)力裝置及電力系統(tǒng)。除改裝船以外，新建的半潛運(yùn)輸船大多采用全電力推進(jìn)模式，帶有動(dòng)力定位能力，主推進(jìn)器選用全回轉(zhuǎn)舵槳、AZIPOD等形式。具有動(dòng)力定位能力的船舶能積極參與海洋工程作業(yè)、打撈搶險(xiǎn)救援、海上浮托安裝和海上托舉作業(yè)等，能大幅提升船舶的作業(yè)效率和作業(yè)范圍。該船設(shè)計(jì)中充分論證電站功率、壓載系統(tǒng)配置、推進(jìn)功率和定位能力等諸多因素，經(jīng)過船模試驗(yàn)驗(yàn)證及動(dòng)力定位能力分析確認(rèn)，證明選擇3臺(tái)吊艙推進(jìn)器不僅能滿足該船的航速要求，而且更有利于海上施工作業(yè)。動(dòng)力定位的海況條件為：蒲氏風(fēng)級(jí)6級(jí)，流速2kn，有義波高H1/3≤2 m 。在此海況條件下，通過艉部品字形排列的3臺(tái)ABB全回轉(zhuǎn)吊艙推進(jìn)器及布置在艏部的2臺(tái)大功率側(cè)推器，共同完成海上的動(dòng)力定位，滿足冗余設(shè)計(jì)，在一臺(tái)推進(jìn)器失效的前提下，仍可實(shí)現(xiàn)DP-2的動(dòng)力定位要求。

在設(shè)計(jì)吃水10m、3臺(tái)推進(jìn)電機(jī)功率均為90%（3×4500×0.9kW）情況下，清潔船體、平靜海面、蒲氏風(fēng)級(jí)≤2級(jí)、水深≥50m時(shí)的航速≥14.0kn。在服務(wù)航速下，基于柴油（燃油低熱值為42700kJ/kg），燃油消耗≈50.3t/d。

5 壓載水系統(tǒng)

壓載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)使船舶在各種航行運(yùn)輸、下潛上浮及浮態(tài)調(diào)整狀態(tài)下保持平衡。壓載系統(tǒng)、艙室液位測量系統(tǒng)、吃水測量系統(tǒng)、船體甲板撓度測量系統(tǒng)與裝載計(jì)算機(jī)信號(hào)要整合在一起，對(duì)船舶狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并保證與全船管理系統(tǒng)的正確通信。

壓載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，從最大半潛吃水（27m）上浮至設(shè)計(jì)吃水（10m）的時(shí)間≈4h。該船設(shè)有2套獨(dú)立的壓載系統(tǒng)：① 壓縮空氣壓載/排載系統(tǒng)，使用空壓機(jī)對(duì)主甲板以下的壓載水艙進(jìn)行操作；② 泵壓載系統(tǒng)，用于全船壓載艙，包括艉浮箱。

在進(jìn)行無需處理壓載水的下潛/上浮作業(yè)時(shí)，用壓縮空氣系統(tǒng)服務(wù)主甲板以下的壓載艙， 用泵壓載系統(tǒng)服務(wù)主甲板以上的壓載艙。壓縮空氣壓載/排載系統(tǒng)設(shè)置 4臺(tái)電驅(qū)動(dòng)、水冷卻的空壓機(jī)，每臺(tái)的排量≈6500m3/h，排出壓力 270kPa。由空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣打至壓載水艙可以排空壓載水，反之也可作為減壓裝置加速壓載?？諌簷C(jī)作為減壓裝置時(shí)，根據(jù)制造商標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)減少空壓機(jī)排量。

當(dāng)需要使用壓載水處理裝置時(shí)，設(shè)在艏部泵艙的排量為1400m3/h的5臺(tái)艏?jí)狠d泵和設(shè)在排量為500m3/h的艉部泵艙的2臺(tái)艉壓載泵可調(diào)節(jié)全船所有壓載艙的壓載水，控制全船浮態(tài)。

6 結(jié) 語

該50000dwt半潛運(yùn)輸船充分考慮了業(yè)主使用、船舶安全等因素，是系統(tǒng)集成度較高的半潛運(yùn)輸船。該船預(yù)定2016年交船，將為中集船舶海洋工程設(shè)計(jì)研究院進(jìn)入大型半潛運(yùn)輸船設(shè)計(jì)領(lǐng)域奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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General Design of 50000dwt Semi-submersible Heavy Lift Vessel

TIAN Ming-qi，TAN Mei
（CIMC Marine Engineering Design and Research Institute， Shanghai 201206， China）

50000dwt semi-submersible heavy lift vessel is a new generation of offshore vessel designed by CIMC ORIC for ZPMC Shipping， which has the features of large loading capacity， economical performance， safety， high submerging/floating efficiency， flexible operation and etc. This paper briefly introduces the characteristics and functions of the semi-submersible heavy lift vessel， and elaborates the technologies adopted as well as the optimization in the design with the focus on the stability safety， influence of structure weight control on loading capacity and submerging ability， ballast system efficiency， electrical propulsion system and its dynamic positioning function.

semi-submersible heavy lift vessel； ship feature； design

U674.1

A

2095-4069 （2016） 05-0040-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.05.008

2015-09-23

田明琦，男，工學(xué)碩士，主任工程師，1980年生。2006年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)船舶與海洋工程專業(yè)（研究生），現(xiàn)從事船舶與海洋工程總體設(shè)計(jì)工作。