吳恭鼎

(福建省馬尾造船股份有限公司，福建 福州 350015)

0 引言

長樂外海海上風(fēng)電場C區(qū)項目位于福州市長樂區(qū)東部海域、閩江口南岸，場址距離長樂海岸線31～50km海域，平均水深37～45m，長樂外海C區(qū)海上風(fēng)電項目(總裝機規(guī)模為496MW)，單機容量8MW及以上海上風(fēng)力發(fā)電機組62臺，業(yè)主單位計劃2021年并網(wǎng)。其中本標段三筒(吸力樁)導(dǎo)管架25套。單套導(dǎo)管架最大重量約1020t(含過渡段，不含附屬構(gòu)件)，吸力樁部分最大重量約1050t(3個吸力筒)。單套吸力樁導(dǎo)管架重約 2070t。項目計劃在馬尾造船(連江新址) 基地進行制作、 總拼、 運輸。

“船政駁一號”甲板駁項目是響應(yīng)當前馬尾造船轉(zhuǎn)型升級，解決長樂C區(qū)導(dǎo)管架租借駁船運輸困難局面及以后鋼構(gòu)運輸、業(yè)務(wù)拓展等戰(zhàn)略布局。該項目2020年9月中旬開始立項，2020年9月下旬開始設(shè)計，2020年10月初開始送審CCS船級社。在設(shè)計中，考慮盡量利用現(xiàn)有庫存鋼板、管子、設(shè)備、電纜等。

1 運輸吸力桶導(dǎo)管架的甲板駁特點

1.1 吸力桶導(dǎo)管架主尺度簡介

馬尾造船承建三樁(吸力樁)導(dǎo)管架基礎(chǔ)上部導(dǎo)管架由3根主導(dǎo)管和3層斜撐導(dǎo)管組成，均采用圓形鋼管焊接而成，斜撐導(dǎo)管為“X”型連接形式。導(dǎo)管架主導(dǎo)管采用雙斜布置方式，主導(dǎo)管頂部間距15.0m，底部間距28.0m。三樁(吸力樁)導(dǎo)管架基礎(chǔ)筒基采用鋼制筒，筒基為直筒結(jié)構(gòu)，吸力樁筒頂蓋直徑10～12m，壁厚30mm，吸力樁直徑10～12m，壁厚30～45mm，吸力樁入土深度18.5～25.5m，吸力樁總長為19.0～26.0m，吸力桶導(dǎo)管架總高約80～90m。

1.2 吸力桶導(dǎo)管架相關(guān)施工考量

1.2.1 吸力桶導(dǎo)管架擺放

吸力桶導(dǎo)管架是一個高度極高的大型構(gòu)件。假如將吸力桶導(dǎo)管架平躺運輸?shù)侥康暮Ｓ颍瑒t需2艘重吊船同時施工將其翻轉(zhuǎn)過來，方可將其吊裝下來到海域中。假如是將吸力桶導(dǎo)管架直立擺放運輸?shù)侥康暮Ｓ?，則只需1艘重吊船將吸力桶導(dǎo)管架直接吊裝到海域中。兩者對比下來，顯然直立運輸方案不但節(jié)省了一艘重吊船的物力，且無需翻轉(zhuǎn)吸力桶導(dǎo)管架的工序，降低了施工風(fēng)險。而且將吸力桶導(dǎo)管架直立擺放，運輸時可考慮同時運輸兩套吸力桶導(dǎo)管架方案。

1.2.2 四點系泊布置

由于甲板駁為無動力漂浮物且施工時會受海上風(fēng)、浪、流的影響，因此在吸力桶導(dǎo)管架施工時需進行系泊固定，較為常規(guī)的方案是在甲板駁上進行四點系泊布置?？紤]到船舶安裝四點系泊絞車，前后各兩臺絞車。導(dǎo)管架由運輸小車從尾部登船。按常規(guī)操作的話，需將尾部絞車割除，將導(dǎo)管架運輸至駁船后，再將尾部絞車焊接安裝回去，這樣的操作費時費力。為盡可能減少滾裝作業(yè)前后設(shè)備拆裝工作量，壓縮滾裝落位后設(shè)備復(fù)位至開航前間隔時間，假如將絞車位置設(shè)置成避開小車行車路線位置，則每次運輸導(dǎo)管架上去時就無需再將尾部絞車割除。

圖1 同時運輸兩套吸力桶導(dǎo)管架方案側(cè)視圖

圖2 駁船艉定位錨設(shè)備布置及托盤工裝行走路徑對照圖

1.2.3 甲板人孔蓋布置

人孔蓋的許用載荷按甲板許用載荷選取，但從結(jié)構(gòu)、安裝、受力形式上考慮，人孔蓋的承載能力低于甲板的承載能力。特別是主甲板放置吸力桶導(dǎo)管架不易存在人孔蓋。因此在人孔蓋布置時應(yīng)盡量避開運輸小車的行車路線。

圖3 甲板人孔蓋布置及運輸小車行車路線對照圖

2 主尺度選定

甲板駁主尺度依據(jù)需求和條件限制選定，且應(yīng)滿足施工海域內(nèi)及運輸航線內(nèi)的水文條件及復(fù)雜海況及氣候條件下拋錨駐泊等工況要求。

2.1 船長

船長越大，耐波性越好，可改善縱搖、垂蕩及失速[1]，對海上吊裝施工有利。同時所受波浪中拱彎矩/中垂彎矩也越大，對結(jié)構(gòu)強度要求也越高。綜合考慮，本甲板駁L取值126.6m。

2.2 型寬

型寬B增加可使初穩(wěn)性高和最大靜穩(wěn)性力臂值增大，型寬B考慮吸力樁直徑10～12m，底部間距28.0m，本甲板駁型寬B=42m。

2.3 結(jié)構(gòu)吃水

結(jié)構(gòu)吃水d綜合考慮吸力桶導(dǎo)管架運輸及后續(xù)鋼構(gòu)運輸，本甲板駁取d=5m。

2.4 型深

根據(jù)2021年1-6月閩江口(川石)的潮汐表，潮汐高度范圍為0.4～6.5m。其中超過60%日期的潮汐高度范圍超出1.0～5.5m，按此范圍為型深選取進行初步分析。

圖4 甲板駁滾裝潮水校核

裝載吸力桶導(dǎo)管架后，船舶甲板與碼頭面平齊需滿足下式：

h1>H-(D-dmax)

(1)

式中，D——甲板駁型深(m)；H——碼頭面距潮高基準垂直高度，取7.72m；h1——最高潮水高度，取5.5m；dmax——裝載吸力桶導(dǎo)管架后甲板駁最大吃水，取5m。

通過以上計算，得出D>7.22m。

裝載吸力桶導(dǎo)管架前，船舶甲板與碼頭面平齊需滿足下式：

h2

(2)

式中，D——甲板駁型深(m)；H——碼頭面距潮高基準垂直高度，取7.72m；h2——最低潮水高度，取1m；dmin——裝載吸力桶導(dǎo)管架前甲板駁最小吃水，取3.5m。

通過以上計算，得出D<10.22m。

由于吸力桶導(dǎo)管架高度很高，綜合考慮現(xiàn)有重吊船吊高，甲板駁的干舷不宜超過3m。

F=D-d

(3)

式中，F(xiàn)——甲板駁干舷(m)；D——甲板駁型深(m)；d——結(jié)構(gòu)吃水，取5m。

通過以上計算，得出D≤8m。

通過計算，取型深D=7.5m。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

甲板駁按《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》[2]對全船結(jié)構(gòu)進行計算，“船政駁一號”船體構(gòu)件采用鋼質(zhì)材料，全船采用全電焊焊接結(jié)構(gòu)。主船體結(jié)構(gòu)采用縱骨架式。主船體由主甲板及骨架、底板及骨架、側(cè)板及骨架、5道縱向艙壁、7道水密橫艙壁等結(jié)構(gòu)構(gòu)成?？紤]吸力桶導(dǎo)管架下方支座受力較大，可在支座下方進行結(jié)構(gòu)加強設(shè)計。但是考慮到后期吸力桶導(dǎo)管架運輸結(jié)束后，下方單獨的結(jié)構(gòu)加強并不能適用于運輸其他大型鋼構(gòu)件使用。因此在綜合考慮甲板駁的整個運營生命周期下，整體加大甲板載荷更具經(jīng)濟型，“船政駁一號”的甲板載荷設(shè)計為20t/m2,吸力桶導(dǎo)管架下方支座布置在壁板或強結(jié)構(gòu)上方即可滿足強度要求。

4 穩(wěn)性計算及水動力響應(yīng)分析

4.1 穩(wěn)性計算依據(jù)

根據(jù)中華人民共和國海事局《國內(nèi)航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則》第4篇第7章對非自航海駁的相關(guān)要求進行甲板駁完整穩(wěn)性校核。

4.2 穩(wěn)性核算裝載情況

甲板駁按壓載出港、壓載到港、滿載出港、滿載到港等工況核算穩(wěn)性[3]。

在所核算裝載情況下，對于船長為100m 及以下的船舶，復(fù)原力臂曲線的正值范圍不小于20°；對于船長為150m 及以上的船舶，復(fù)原力臂曲線的正值范圍不小于15°，對于中間船長可以采用線性內(nèi)插計算。至最大復(fù)原力臂對應(yīng)的橫傾角或進水角為止的(取較小者)復(fù)原力臂曲線下的面積應(yīng)不小于0.08m·rad。

船舶在其所核算的各種裝載情況下，穩(wěn)性衡準數(shù)K應(yīng)滿足下式要求：

式中，lq——最小傾覆力臂(m);lf——風(fēng)壓傾側(cè)力臂(m)。

4.3 水動力響應(yīng)分析

船舶在波浪中所產(chǎn)生的各種搖蕩運動以及這些運動引起的砰擊和波浪彎矩變化等性能，直接影響甲板駁在風(fēng)浪作用下維持其正常功能的能力，對運輸吸力桶導(dǎo)管架重心極高的甲板駁航行的安全應(yīng)特別重視。

根據(jù)“船政駁一號”的型線圖、艙容圖、裝載手冊、導(dǎo)管架運輸積載圖、吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)形體尺寸及重量重心數(shù)據(jù)等技術(shù)文件，對該船開展了海運過程水動力響應(yīng)計算，并作為海運綁扎的設(shè)計輸入?yún)?shù)。運輸路線為由馬尾船廠至長樂C區(qū)海上風(fēng)場，計算中使用了長波，有義波高為2.5 m，考慮的波峰周期范圍是5～9s。貨物在重心處的最大運動幅值摘要如表1所示，可滿足船舶安全航行要求。

表1 吸力桶導(dǎo)管架重心位置的運動幅值

5 結(jié)束語

“船政駁一號”設(shè)計通過對運輸吸力桶導(dǎo)管架的甲板駁特點分析，進行四點系泊布置和人孔蓋布置，同時進行主尺度選定、結(jié)構(gòu)設(shè)計及穩(wěn)性計算及水動力響應(yīng)分析。最終完工使用的“船政駁一號”成功進行了吸力桶導(dǎo)管架運輸任務(wù)，表明了本設(shè)計思路的可行性，也為類似設(shè)計提供了一些參考。