楊 輝, 孫 莉

(江蘇省船舶設計研究所有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

目前,世界各國紛紛把海洋作為獲取能源資源和發(fā)展經(jīng)濟的重要方向,通過海洋油氣開發(fā)、海上風電開發(fā)、港口碼頭建設、跨海大橋建設等發(fā)展向海經(jīng)濟[1]。2019年4月11日,由江蘇省船舶設計研究所有限公司研發(fā)的“雄程1”號打樁船為佩列莎茨跨海大橋打下一根鋼管樁,受到世界媒體的廣泛關注。伴隨著海洋工程建設快速發(fā)展,打樁船已成為海洋工程建設中不可或缺的重要基礎裝備。

隨著海洋工程建設逐步向外海深水區(qū)發(fā)展,打樁船向超大型方向發(fā)展。140米級打樁船“一航津樁”號是目前全球樁架最高、吊樁能力最大、施打樁長最長、抗風浪能力最強的,首次采用全電力輔助推進,可實現(xiàn)船體全方位靈活移船及方位調(diào)整,完成作業(yè)區(qū)域內(nèi)的自航移泊定位,降低了對輔助船舶的需求,極大提高了施工效率。本文首先對140米級打樁船船長、型寬、型深進行分析,從而確定主要量度;其次為確保打樁船定位精度,研究錨泊定位和動力定位技術(shù);最后對全船總縱強度、局部強度和樁架強度進行計算校核,并提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進方案。

1 主要量度選擇

大型打樁船要求能在較復雜的海況下完成打樁作業(yè),因此船舶的主要量度選擇除了要考慮在作業(yè)和航行時的穩(wěn)性、干舷、結(jié)構(gòu)強度等滿足規(guī)范的要求外,同時還要保證在要求的作業(yè)環(huán)境條件下具有優(yōu)良的耐波性。

1.1 船長

船長的選擇需要考慮布置、穩(wěn)性、船舶作業(yè)時的縱傾變化,以及干舷、總縱強度、耐波性影響等多方面因素。船長越長,對布置、穩(wěn)性、作業(yè)時的縱傾變化等越有利,但對總縱強度、船舶造價越不利。

依據(jù)耐波性理論,船長主要影響縱搖和垂蕩;當船長大于波長的1.3倍時,諧搖、縱搖和垂蕩對船的影響較小。對于大型打樁船,在作業(yè)工況下,波浪平均周期滿足7～8 s時,船舶具有較高的作業(yè)率,波長約為76～100 m,1.3倍的船長約為99～130 m。由此可見,船長越長,適應的波浪平均周期越大。但考慮到對橫搖、總縱強度、造價等的影響,船長過長,也會產(chǎn)生不利的影響。通過對各種航行、作業(yè)和自存工況的初步估算,并對比近似船型實際作業(yè)的情況及使用要求,本船最終選擇型長為116.0 m(含象鼻梁船長124.0 m)。

1.2 型寬

型寬主要影響船舶的穩(wěn)性、抗橫傾的能力和橫搖運動,對縱搖和升沉的影響不大。在作業(yè)工況下,規(guī)范對船舶的穩(wěn)性要求主要是考核此時船舶的初穩(wěn)性值,而且打樁的作業(yè)精度在同等風速條件下船寬越寬越容易滿足。因此,對于打樁船這類以起重作業(yè)為主的船舶,船寬宜大不宜小。經(jīng)過對航行、作業(yè)和自存工況的初步計算,對比現(xiàn)有船型的型寬值,本船型寬選擇為39.0 m。

1.3 型深

根據(jù)作業(yè)要求等確定好船長和船寬后,型深的選擇將同時影響吃水和干舷。本船為箱型船舶,橫穩(wěn)心高隨吃水的增加而減小。總體而言,吃水的增加有利于減小船舶的橫搖、縱搖和升沉運動,加至考慮到波浪對船首的抨擊,吃水也需要適當大些。特別是在自存工況下,此時的風浪較大,增加吃水對船舶的生存是有利的。富裕的干舷能顯著改善甲板上浪和船舶的穩(wěn)性儲備。結(jié)合船舶吃水,本船的型深初步確定為8.0 m,較大的型深對船舶的總縱強度和耐波性均有利。型深確定后,經(jīng)過初步計算,船舶設計吃水定為3.6 m,工作吃水為5.0 m,船舶的結(jié)構(gòu)吃水為6.0 m。

實船圖見圖1。經(jīng)過綜合分析和計算比較,140米級打樁船主要量度如下：

總長(拖航狀態(tài))～136.0 m,船長(含象鼻梁)124.0 m,型長116.0 m, 型寬39.0 m,型深8.0 m, 設計吃水3.6 m,工作吃水5.0 m,結(jié)構(gòu)吃水6.0 m,輔助定位功率2×1 500 kW, 無限航區(qū)。

圖1 “一航津樁”號實船圖

2 船舶定位技術(shù)

工程船作業(yè)主要采取錨泊定位與動力定位2種方式來保證海上施工的穩(wěn)定。

錨泊定位是打樁船保證定位精度的主要方式,因此合理確定錨泊定位系統(tǒng)并提高錨泊定位自動化能力是大型打樁船設計的關鍵技術(shù)之一。打樁船的錨泊定位系統(tǒng)采用的錨一般為拖曳式大抓力錨,本船采用8 點對稱布錨方式,要求錨泊系統(tǒng)確保抓力和便于收藏布置。海軍錨結(jié)構(gòu)簡單、便于保養(yǎng)、抓重比大,適用于各種海底環(huán)境;丹福斯錨抓重比大、便于收藏。最終本船選擇海軍錨與丹弗斯錨搭配方案,以便適應船舶作業(yè)需要。

打樁船要在較復雜的海況條件下具備長時間作業(yè)的能力,所以要求船舶在作業(yè)環(huán)境條件下具有優(yōu)良的耐波性以保證打樁精度。為此,對船舶耐波性運動響應進行計算分析。結(jié)果顯示,錨絞車預張力增大能夠減小橫搖、縱搖和艏搖運動,合理的纜繩布局方向能夠有效減小橫搖和橫蕩運動。

綜合考慮各種因素后,依據(jù)錨泊力計算書,本船錨系統(tǒng)方案采取4只20 t海軍錨和4只15 t丹福斯錨配置方案,其中錨索選用長度1 000 m的鋼絲繩。每只工作錨配備1臺定位錨絞車,共計8臺900 kN定位絞車。在自存工況下,合理的拋錨方式能夠保證船舶的安全抗風性能。

本船配備的一鍵自動錨泊定位系統(tǒng),可以快速自動將打樁船準確定位到打樁位置,且在打樁過程中能始終通過錨泊系統(tǒng)保持船位,顯著提高打樁速度和沉樁精度。

本船首次在打樁船上配置DP0輔助動力定位系統(tǒng),艉部設置2臺1 500 kW全回轉(zhuǎn)電動推進裝置,艏部設置2臺600 kW側(cè)推,增加了船舶的機動性,滿足了短距離移位和狹窄水域的定位需求。

3 船體及樁架結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)

本船樁架高達140 m,總布置圖見圖2。

圖2 “一航津樁”號總布置圖(單位：m)

結(jié)構(gòu)設計具有特殊性,結(jié)構(gòu)設計需從全船總縱強度、局部強度及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面考慮。本船按照中國船級社規(guī)范要求進行結(jié)構(gòu)設計,并通過船體建模對船舶整體強度及設備加強結(jié)構(gòu)等進行校核。本船尺度比超規(guī)范,依據(jù)規(guī)范進行常規(guī)總縱強度校核,同時通過全船有限元建模,施加各裝載工況下的靜水載荷,以及依據(jù)水動力學直接計算方法獲取船舶在波浪中的運動響應和波浪載荷響應,對全船結(jié)構(gòu)進行強度校核,以保證全船的總強度。

本船主體結(jié)構(gòu)材料為屈服極限235 MPa的船用低碳鋼,在局部需要加強的區(qū)域采用加厚的板材或屈服極限為355 MPa的船舶結(jié)構(gòu)用高強度鋼。本船通過合理選擇材料等級和厚度,降低鋼材使用量,減輕重量、降低成本,提高船舶的使用經(jīng)濟性。

設計過程中,通過全船三維有限元對局部及整個船體結(jié)構(gòu)進行直接分析,并逐步優(yōu)化改進結(jié)構(gòu)方案,在控制全船結(jié)構(gòu)重量的同時,獲取最佳的結(jié)構(gòu)布置方案。

在象鼻梁底座、油缸底座、臨時支撐結(jié)構(gòu)的底座及樁架托架位置,設置局部短艙壁一直垂向貫通至船底外板,在各層甲板、平臺、水平桁位置予以對應的加強,確保集中載荷的作用反力能有效地傳遞。

樁架主結(jié)構(gòu)采用三弦桿三角形變截面桁架結(jié)構(gòu),樁架主弦桿、橫桿和斜桿采用高強度鋼管,可降低樁架結(jié)構(gòu)重量和重心,確保樁架強度。降低樁架重量,同時能夠減小主油缸的推力和拉力,以降低主油缸的制造成本和難度。

4 結(jié)論

本船的總體設計原則全面響應設計任務書的要求,論證各技術(shù)參數(shù),優(yōu)化船型、布置及結(jié)構(gòu)設計,設備選型合理,滿足船東提出的具體作業(yè)要求和相關的法規(guī)、規(guī)范要求,設計方案經(jīng)濟實用。

總體設計思路及技術(shù)路徑如下：根據(jù)設計任務書的要求,全面論證各技術(shù)參數(shù),分析出關鍵技術(shù)問題,參考同型船舶的成功經(jīng)驗,利用現(xiàn)有成熟技術(shù)及相關試驗,分析計算進行解決。根據(jù)本船樁架高度要求、作業(yè)水域要求范圍廣的特點,梳理出關鍵技術(shù)問題如下：

(1) 船舶主要量度論證。結(jié)合本船的作業(yè)海況和各種打樁作業(yè)工況,并考慮到5.0 m打樁作業(yè)吃水下的船舶各種性能要求,進行同類型船舶的對比、穩(wěn)性的計算、耐波性分析。

(2) 船舶定位能力分析。根據(jù)環(huán)境條件要求,重點分析了定位及抗風工況,由此確定錨泊設備和輔助動力定位設備。

(3) 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計。在保證結(jié)構(gòu)強度的前提下,降低用鋼量,更好地保證船舶作業(yè)性能。優(yōu)化樁架系統(tǒng)設計,在保證打樁高度條件下,進行樁架結(jié)構(gòu)設計,確保打樁系統(tǒng)安全可靠運行。

“一航津樁”號打樁船能夠適應外海復雜海況下施工要求,可用于海上風電高樁承臺樁、導管架樁及大型梁樁基等施工。該特大型打樁船的研制與開發(fā),是打樁船技術(shù)領域的一次重大突破。