鐘文軍，彭小佳，何 寧

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

深水半潛式起重鋪管船是深水油氣田開發(fā)的重要裝備，分為上浮體、立柱、下浮體三部分，船上設備眾多，全船的總體方案設計需要綜合考慮船舶運動性能、穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)強度、設備布置、建造難度、總體造價等因素，設計難度較大。本文對船型總體布置設計中船型優(yōu)化、上浮體布置、立柱布置、下浮體布置等幾個關(guān)鍵技術(shù)[1]進行總結(jié)。希望為國內(nèi)技術(shù)人員進一步的研究提供參考。

1 船型優(yōu)化

全船的總體布置方案和主尺度優(yōu)化是一個不斷循環(huán)、持續(xù)改進的過程。設計出一套總布置方案后，要對浮力、穩(wěn)性、運動、壓載等進行計算分析，根據(jù)分析結(jié)果再不斷完善總布置方案。優(yōu)化的原則是盡可能增大垂蕩、縱搖固有周期，避開波譜能量集中區(qū)域，使船舶具備最優(yōu)的運動性能。建議的優(yōu)化設計過程如下。

(1) 設計方首先應根據(jù)船東的功能需求，對主要設備的尺寸、重量等參數(shù)進行調(diào)研。

(2) 確定J-lay塔布置位置，初步完成主甲板布置設計，參考母型船或類似船型完成第一版總布置設計。

(3) 估算空船重量重心、質(zhì)量回轉(zhuǎn)半徑、風力系數(shù)、流力系數(shù)等基本參數(shù)。

(4) 核算船舶在空船吃水、航行吃水、作業(yè)吃水的排水量是否能滿足浮力需求。

(5) 進行穩(wěn)性計算，根據(jù)計算結(jié)果確定最小水線面面積，并對立柱尺寸進行調(diào)整。

(6) 對船舶的固有周期、運動幅值、氣隙等進行計算，根據(jù)計算結(jié)果修正船型。

(7) 對壓載艙和抗橫傾艙的艙容進行校核，確保能夠滿足壓載和吊機回轉(zhuǎn)的要求。

(8) 綜合考慮各方面因素，對船型及艙室布置進行調(diào)整，直至各方面性能都滿足規(guī)范和船舶功能要求。

2 上浮體布置

上浮體主要分為起重作業(yè)區(qū)域、鋪管作業(yè)區(qū)域、主機艙區(qū)域和人員居住生活樓區(qū)域這四大部分，整個上浮體的布置也主要圍繞著這四大功能的實現(xiàn)來考慮，并且需要盡量提高作業(yè)效率。

起重作業(yè)區(qū)域的布置比較常規(guī)，兩臺主吊機通常布置在船尾的兩舷；生活樓的布置需要注意救生艇的布置以及人員居住的舒適度；而鋪管作業(yè)區(qū)域和主機艙區(qū)域的布置需要重點關(guān)注。

2.1 J-lay鋪管系統(tǒng)布置

J-lay塔布置位置有三種：舷側(cè)布置、船尾布置及船中布置。設計方應根據(jù)項目實際情況選擇合適的布置位置[2]。三種布置位置的優(yōu)缺點比較如表1所示。

表1 不同J-lay塔布置方式比較Table 1 Comparison among different J-lay arrangement schemes

整個鋪管系統(tǒng)除了J-lay塔還包括堆管區(qū)、管道傳輸系統(tǒng)、管道預制系統(tǒng)、A/R絞車等。確定J-lay塔布置位置后，管道預制系統(tǒng)和A/R絞車通常就布置在J-lay塔附近區(qū)域，方便鋪管作業(yè)。堆管區(qū)可以布置在主吊機下方區(qū)域，也可以布置在上浮體艙室中。管道傳輸系統(tǒng)將海管由堆管區(qū)運輸?shù)筋A制系統(tǒng)區(qū)域，需盡量簡化傳輸路徑以提高作業(yè)效率。

2.2 機艙區(qū)域布置

半潛式起重鋪管船電力負荷需求較大，通常會設置8～12臺主機，可行的主機艙方案有四機艙和六機艙兩種方案，如圖1所示。六機艙方案與四機艙方案相比，最大故障模式動力定位(DP)冗余更小，總裝機功率略低，但是機艙需配置的冗余設備增多，如分油機、滑油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、鋼制懸鏈線立管(SCR)系統(tǒng)等。綜合比較后發(fā)現(xiàn)，兩個機艙方案的整體造價差別不大，但是六機艙方案的電氣、輪機系統(tǒng)設計難度更高，全船電纜布置復雜，且缺乏船舶實例，建造階段項目風險過高，推薦優(yōu)先采用系統(tǒng)配置更為簡單的四機艙方案[3]。

主機艙區(qū)域有主機、輔機、鍋爐、配電盤柜、日用油柜、制冷壓縮機等眾多設備，機艙區(qū)域的布置方案主要需考慮以下幾個方面：(1)主機艙之間相互分隔，滿足DP3的要求；(2)考慮主機艙與輔機艙及配電間之間的管路、電纜布置；(3)整體艙壁結(jié)構(gòu)的布置合理性；(4)煙囪管道布置及煙囪位置的影響。

圖1 四機艙布置方案和六機艙布置方案Fig.1 Four-engine-room plan and six-engine-room plan

3 立柱布置

立柱的尺寸是決定船舶運動性能的關(guān)鍵。綜合考慮穩(wěn)性、耐波性、氣隙等計算結(jié)果可以初步確定立柱尺寸，確定主尺度后，立柱的布置主要注意以下幾個方面[4]。

(1) 由于立柱處于水面附近，存在一定碰撞破損風險，因此人員經(jīng)?；顒訁^(qū)域、電梯井、油艙等重要艙室應盡量布置在內(nèi)部安全區(qū)域(立柱中心連接成的矩形內(nèi)部區(qū)域，見圖2)。如需布置在外部暴露區(qū)時，須設置隔離空艙。

(2) 立柱與上浮體、下浮體的連接部位是高應力區(qū)，應盡量保證艙壁結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，并設置傾斜過渡。

(3) 立柱位置還布置有水平橫撐、系泊纜導向輪等結(jié)構(gòu)，受力都較大，結(jié)構(gòu)布置上應予以考慮。

圖2 安全區(qū)域示意圖Fig.2 Sketch of safe area

4 下浮體布置

下浮體中主要布置油艙、壓載艙、泵艙和推進器艙，其中推進器艙的布置最為關(guān)鍵[5]。推進器的布置方案要考慮以下幾個方面。

(1) 盡量避免推進器之間的相互干擾。經(jīng)計算，功率在4500kW左右的推進器相互距離在28m以上時，相互干擾才可以忽略。

(2) 推進器的布置位置應盡量遠離船舶旋轉(zhuǎn)中心，提供最大的回轉(zhuǎn)力矩。

(3) 推進器艙應有足夠空間能布置下電機、變頻器、滑油系統(tǒng)等輔助設備。

(4) 航行工況時，應盡量使推進器來流穩(wěn)定，提高推進器推力輸出。

圖3 推進器布置方案Fig.3 Thrusters arrangement plan

推薦的推進器布置方案如圖3所示，推進器橫向干擾較小，且遠離旋轉(zhuǎn)中心。

5 結(jié) 語

本文歸納了主尺度優(yōu)化的流程，對半潛式起重鋪管船的總體布置關(guān)鍵技術(shù)進行了總結(jié)，并分別對上浮體的鋪管系統(tǒng)布置、機艙區(qū)域布置、立柱布置、下浮體推進器系統(tǒng)布置等重點問題進行了闡述。希望國內(nèi)技術(shù)人員繼續(xù)研究，早日建造出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的半潛式起重鋪管船。

[1] 彭小佳,宋安科,何寧,等.深水半潛式起重鋪管船船型優(yōu)化方法[J].中國海洋平臺,2015,30(6)：20.

Peng Xiao-jia,Song An-ke,He Ning,et al.Hull optimization for deepwater semi-submersible crane vessel [J].China Offshore Platform,2015,30(6)：20.

[2] 海洋石油工程股份有限公司.半潛式起重鋪管船總體方案論證報告[R].2016.

Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.Semi-submersible crane vessel general report [R].2016.

[3] The International Marine Contractors Association.IMCA M 140 Rev.Ι.Specification for DP capability plots [S].2000.

[4] Det Norske Veritas.DNV-RP-C205.Environmental conditions and environmental loads [S].2014.

[5] American Petroleum Institute.API-RP-2SK.Design and analysis of stationkeeping systems for floating structures [S].2005.