大型回轉起重船技術特點與發(fā)展研究

鐘文軍，劉菊娥，王 琮，羅 超，毛建輝，周 健

（1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2. 708研究所，上海 200011）

0 引 言

進入 21世紀以來，由于對能源需求日益增加，世界各國都不約而同地把海洋作為能源戰(zhàn)略的重點，海洋石油及天然氣產量占全球油氣產量的份額越來越高。同時人類也加大了對風能、潮汐能等海洋新能源的開發(fā)利用。為此不少國家紛紛加大了對海洋開發(fā)的力度，海洋工程建設方興未艾。大型起重船作為海洋工程建設中一支重要的建設力量，隨著海洋工程的飛速發(fā)展開拓了廣闊的前景。

1 起重船發(fā)展概況

在歐洲，早期專門用于碼頭作業(yè)的起重船在14世紀就已經(jīng)出現(xiàn)了。到了20世紀，起重船開始向大型化發(fā)展。1997年，大型起重船的起重能力已達到2×7100t。

本世紀以來，我國和東南亞地區(qū)海上工程建設不斷增多，如南海、東海的油氣開發(fā)，海上風電場的建設，跨海大橋、人工島建設，以及一些大型打撈工程，都需要起重能力強的大型起重船，因而建造大型起重船興起了一個小高潮。大型回轉起重船簡稱為起重船（Crane Vessel或Crane Ship）。常用兩類船型，即單船體單起重機式的 MHCV（Mono Hull Crane Vessel）和半潛平臺船體雙起重機式的 SSCV（Semi-Submersible Crane Vessel）。有別于在內河、港灣作業(yè)的另一種用途較廣的扒桿式起重駁船 SLB（Sheer Legs Barge）及自升式起重平臺[1]等。2001年中海油工程公司投資建造了“藍疆”號起重鋪管船，起重能力為3800t。最近又投資建造了3000m深水起重鋪管船“海洋石油201”，起重能力為4000t，2011年交船。2006年，廣州打撈局投資建造的4000t起重船“華天龍”號投入使用。另外，Seaway Heavy Lifting公司投資建造的起重能力為 5000t的新一代起重船，已于 2010年交船。NordicHeavyLift公司投資建造“Borealis”，采用桅式起重機，最大起重能力為5000t，2011年交船。表1列出了部分現(xiàn)役、在建的大型起重船的起重能力。表2為其主要參數(shù)。

表1 大型起重船的起重性能

表2 大型起重船主要參數(shù)

2 應用范圍

大型起重船的強大功能體現(xiàn)在很多方面，如海上結構物拆除、打撈救助等，更多的則用于海洋工程特別是海洋油氣開發(fā)裝備建設工程作業(yè)領域。

2.1 起重作業(yè)

在海洋油氣裝備的建設中，需要大型起重船吊裝的主要是固定式導管架、“半”固定式（如Spar、TLP）采油平臺的上部結構（Topside）。由于浮式起重船在海上進行起吊作業(yè)的時間幾率即所謂“好窗口”（fair window）很低，因而希望盡可能減少吊裝次數(shù)，采取的措施就是將Topside高度模塊化，使單次吊重量越來越大，幾千噸的模塊已很常見，甚至有上萬噸的模塊。這就是起重船大型化的市場需求反映。圖1為2艘SSCV在Spar平臺上安裝現(xiàn)場：右邊為世界上最大的起重船Thialf SSCV，吊重能力2×7100t；中間是世界上最大的Spar平臺Holstein；左邊是Balder SSCV，吊重能力3628t/4536t。Holtstein平臺需吊裝的處理設備模塊重達8370t，生活/動力模塊重5324t，模塊支撐結架重4421t。另據(jù)報道，Thialf SSCV最大吊重紀錄是12150t，而S7000 SSCV的記錄是9521t。

圖1 SSCV吊裝現(xiàn)場

圖2 “Balder”SSCV進行鋪管作業(yè)（J-lay）

2.2 鋪管作業(yè)

大型起重船具有甲板面積大、承載能力強以及良好的抗風浪能力和一定的定位能力等特點。因此大型起重船都設有或預留J-lay鋪管系統(tǒng)或S-lay鋪管系統(tǒng)，可承擔海底（淺水或深水）油氣管線的敷設任務，見圖2。

2.3 打撈作業(yè)

大型起重船具有強大的深水起重能力，如“Saipem 7000”水下450m處的起重能力為900t，可用于海底打撈作業(yè)。2007年，“華天龍”在半潛船“重任1601”號的配合下，將裝有“南海一號”的總重4600t鋼箱整體打撈出海，見圖3，為我國的考古事業(yè)做出了貢獻。起重打撈海損核潛艇“庫爾斯克”號的作業(yè)，不是用常規(guī)起重船，而是用專門改裝的駁船來實施的，見圖4。庫艇的排水量約20000t，駁船“GIANT4”號裝了26臺起升機構（帶波浪補償），從船體中放繩起吊，每臺起重能力900t，總起重能力超過20000t。

2.4 打樁作業(yè)

由于大型起重船具有寬敞的甲板面積，良好的抗風浪性能，較強的抗水流和適應各種泥面駐位的能力，并配置高精度的GPS定位系統(tǒng)等，因此在配備專用的打樁設備后，就可用于沿海及港內水域大型橋梁及高樁碼頭等水工工程樁基施工作業(yè)，成為施工能力強、作業(yè)效率高的打樁船。

2.5 平臺施工住艙支持

大型起重船定員很多，一般達300-400人，最多700多人。由于主尺度大，有可供備用住艙布置的空間，船上淡水、食品儲存量也有增大的可能。因而可以設計(或改裝)成有住艙支持的能力。除了滿足船員居住需要外，還可提供住艙支持，滿足其他大量施工人員居住生活的需要。

圖3 “華天龍”號正在起吊宋代古船“南海一號”（鋼箱內）

圖4 庫爾庫斯號核潛艇起重打撈示意圖

3 主要技術特征[2,3]

3.1 船型

大型起重船主要有單體式和半潛平臺式2種船型。

1)單體式起重船最初采用駁船船型，后來發(fā)展為簡單型線船型。其主要特點是：方形系數(shù)大（Cb=0.9左右），平行中體長，中剖面系數(shù)大。起重作業(yè)時，要求有足夠的穩(wěn)性，因此一般水線面面積都較大。

2)半潛平臺式起重船主要由2個下浮體、多個立柱和上平臺組成。下浮體提供拖航和作業(yè)時所需的浮力；立柱主要用于連接浮箱和上平臺，其截面一般為圓形或矩形。作業(yè)時，下浮箱和部分立柱沉入水中，水線位于立柱截面，這樣可大大減小水線面面積及波浪和水流作用在平臺上的載荷，而其較大的水線面慣性矩又提供了平臺作業(yè)時所需的穩(wěn)性。上平臺是存放設備和人員居住工作的主要場所。半潛平臺式與單體式船型相比，有起重能力強、適應水深廣、抗風浪能力強、甲板面積和甲板裝載量大的優(yōu)點。

3.2 主尺度

1)船長。大型起重船一般都需考慮鋪管作業(yè)線的布置，其船長往往由鋪管形式（單節(jié)管或雙節(jié)管）等確定，通常船長150～200m。

2)船寬。由于起重作業(yè)時的高穩(wěn)性要求，因此一般大型起重船的船寬都比較大。單體式起重船的船寬與相近船長的半潛平臺式起重船相比要小得多，因為單體式起重船的起重能力，除個別實例外，均在5000t以下。初步統(tǒng)計，起重能力 2000～3000t，船寬主要集中在 35～40m；起重能力 3000～5000t，船寬主要集中在45～50m。

3)總噸位。由于大型起重船配備錨泊定位或/和動力定位、各種特種作業(yè)設備（包括大型起重機、整套鋪管作業(yè)設備等）、復雜的壓載系統(tǒng)等，因此總噸位都較大。目前大型起重船的（起重量3000～14000t）總噸位為 20000～40000gt。

3.3 總布置

大型起重船（包括單體式、半潛平臺式）主甲板首部一般設有甲板室，主要布置船員以及施工人員的生活居住艙室和部分工作艙室。甲板室一般有6～8層，最上層是駕駛（操縱）室。甲板室頂部一般設直升機起降甲板，為接送人員往來提供便利。

單體式起重船一般在主甲板尾部中心線處設一臺全回轉起重機，半潛平臺式起重船一般在主甲板尾部兩側設2臺全回轉起重機。與單體式起重船相比，半潛平臺式起重船的2臺起重機聯(lián)合作業(yè)，可大大增強起重能力，目前最大起重量達14200t。甲板有2000～6000m2，且承載力強，一般10～20t/m2，主要用于放置各種作業(yè)設備、海底管線、大型鉆井生產模塊等，為海上施工提供良好的作業(yè)平臺。

3.4 機動能力

上世紀 60年代，由于海上石油開發(fā)的技術剛剛興起，勘探開發(fā)成本比較高，海上油田主要集中在北海、墨西哥灣等地區(qū)。為海洋工程建設服務的大型起重船作業(yè)范圍也主要集中在這些地區(qū)，采用非自航形式，或航速較低（6 kn左右），主要滿足短距離航行的要求。近年來，隨著海洋工程的發(fā)展，施工作業(yè)范圍越來越廣，因此設計航速有不斷提高的趨勢。

3.5 定位方式

在20世紀70、80年代，大型起重船的作業(yè)范圍主要集中在大陸架及淺水水域，一般水深較?。ㄋ睿?50m），主要采用8～12點的錨泊定位方式。隨著深海的開發(fā)，大型起重船的作業(yè)水深不斷增加，以前的錨泊定位方式已不能滿足要求。動力定位系統(tǒng)利用DGPS等測位設施，對風浪流造成的船舶位移進行判定，自動產生抗力，定位精度誤差可達到0.5m，而這一切都由電腦控制自動完成。一些大型起重船紛紛進行改裝，增加動力定位系統(tǒng)，以適應深水作業(yè)的需要。

3.6 動力配置

由于起重船航行時不作業(yè)，作業(yè)時不航行的特點，因此推進方式一般都采用全電力驅動的方式，以提高裝船動力裝置的利用率。為兼顧動力定位的需要，推進器一般采用全回轉推進器（包括伸縮式和不可伸縮式）。

雖然大型起重船航速不高，但用電設備眾多，如大型全回轉起重機、主要作業(yè)設備（鋪管系統(tǒng)等）、動力定位系統(tǒng)（或錨泊定位系統(tǒng)）、日常生活設施等都需要電力驅動，作業(yè)時其能量消耗十分巨大，為此大型起重船的電站配置都很大。一般非動力定位起重船電站功率3000～15000kW，而具有動力定位的起重船電站功率達10000～30000kW。

3.7 壓載系統(tǒng)

起重船在起吊作業(yè)時，起吊重物重量大、重心高、跨距遠，整個系統(tǒng)的重量分布是變化的，重心的位置會發(fā)生偏移，因此起吊前后船舶會產生明顯的縱傾或橫傾，如果不進行調載就不能滿足起重機作業(yè)的要求。大型起重船一般采用壓載水進行預壓載和動態(tài)調載的方法來平衡重吊過程中的船舶浮態(tài)?，F(xiàn)代起重船都采用電氣遙測、遙控的壓載水系統(tǒng)，能在較短的時間內精準地調整船的浮態(tài)，船上一般設有多個壓載水艙，總壓載水艙容15000～80000m3。壓載泵的排量也很大。

4 國內應用

4.1 國外引進設計的“藍疆”號

2000年中國海油工程有限公司投資建造的大型起重鋪管船“藍疆”號，是一艘非自航、無限航區(qū)作業(yè)的大型工程船，由煙臺萊福士船廠建造。該船總長157.5m，型寬48m，型深12.5m，滿載排水量58000t，可在150m水深實施起重作業(yè)和鋪管作業(yè)。該船主甲板尾部裝有1臺起重能力為3800t的近海起重機。船上設鋪管系統(tǒng)，最大鋪設管徑達1220mm。船上生活區(qū)設施可滿足280人居住的需要。

4.2 自行設計建造的“華天龍”號

“華天龍”號是集打撈、起重于一身的大型海洋工程船，見圖5。總長174.8m，型寬48m，型深16.5m，滿載排水量約80000t。工作甲板長130m，寬48m，甲板面積6240m2，船上可同時容納300人生活和工作，自持力60天。船尾的近海起重機最大起重能力4000t，其109m長的臂架直聳入云?！叭A天龍”可在水深8～300m海域進行海上打撈、起重作業(yè)。在現(xiàn)有單體式起重船中，其起重能力名列前茅，大大拓展了我國海洋工程和救助打撈作業(yè)領域。

4.3 3000t自航起重船“威力”號

上海打撈局投資建造的3000t自航打撈起重船，一改以往起重船遠距離調遣依靠拖輪的狀況，不但有自航能力，而且具備動力定位功能（DP2）。該船總長約135m，型寬40m、型深12.8m，配有直升機起降平臺，可滿足無限航區(qū)航行的要求，見圖6。由于采用了動力定位的控制系統(tǒng)，能將船舶固定在指定位置，因此可在水底管線復雜、不適宜錨定位的港內或航道內進行快速打撈清障作業(yè)。此外，還可在深水海域進行重吊作業(yè)，為深海海洋開發(fā)提供服務。

圖5 大型海上起重船“華天龍”

圖6 動力定位自航起重船“威力”

4.4 “海洋石油201”號深水鋪管起重船[4]

“海洋石油201”號是海油工程有限公司投資建造的深水鋪管起重船，見圖7。于2008年9月在江蘇熔盛重工開工建造，2011年交付使用。該船是中海油第一艘從事深水鋪管、起重作業(yè)的工程船舶。能在除北極外的全球無限航區(qū)作業(yè)，建成后將填補我國大型深水海洋工程作業(yè)船舶的空白。該船總長204.6m，型寬39.2m，最大作業(yè)水深可達3000m，鋪管速度5km/d，海上最大起重能力4000t。該船采用全電力推進、DP-3動力定位、4000t重型海洋工程起重機、自動鋪管作業(yè)線等一系列國際先進的技術和裝備，總體技術水平和作業(yè)能力在國際同類工程船舶中位于前列。

圖7 “海洋石油201”號深水鋪管起重船效果圖

5 發(fā)展趨勢[5]

5.1 大型化

隨著海洋開發(fā)技術的不斷發(fā)展，模塊化、大型化成為海洋工程建設的主要特點。一般大型生產模塊重量從2000～3000t不斷增大到10000～12000t。使得起重船不斷向大型化方向發(fā)展，并具有起重能力大，吊高大的特點。

5.2 作業(yè)范圍不斷加大

近幾年，由于陸上石油資源日趨減少，常規(guī)水深海域的石油勘探開發(fā)已相當成熟。因此，深水石油勘探和開發(fā)不斷升溫，全球各大石油公司都紛紛加大對深水石油勘探開發(fā)的力度。北海、墨西哥灣、巴西、南海、西非等海域紛紛成為相關各國的開發(fā)重點。這些海域要求海洋工程作業(yè)船具有作業(yè)水深大（作業(yè)水深 2000～3000m），抗風浪能力強，適應惡劣海況等特點。同時，隨著人們對極地資源利用意識的增強，大型起重船必然要走向地球的南北極，為開發(fā)兩極作貢獻。

5.3 提高航速

在海洋石油開發(fā)初期，一般航速不高（平均6～8kn左右）或者是非自航。隨著新油田的發(fā)現(xiàn)，海上油田呈現(xiàn)出分布廣的特點，因此要求大型起重船具有較高的航速（一般要求12kn左右），這樣可以縮短航行時間，提高遠距離作業(yè)的盈利能力。

5.4 良好的水動力性能以及抗風暴能力

隨著海上開發(fā)逐漸向深海發(fā)展，海上環(huán)境更趨惡劣，同時海上施工技術要求越來越高，時間要求緊。為了提高大型起重船作業(yè)的安全性以及全年作業(yè)率，增強其盈利能力，未來大型起重船要求有良好的水動力性能以及抗風暴能力。

5.5 安全、環(huán)保、節(jié)能

由于大型起重船排水量大（最大排水量可達到幾十萬噸），動力定位以及作業(yè)設備所需功率大，因此整船裝機功率也大（可達15000～30000kW），加上船上人員眾多（一般200～400人），使整艘起重船儼然成為一個不小的人居區(qū)。國際海事組織對該型船的安全、環(huán)保提出了更加嚴格的要求。對未來起重船要求進一步提高安全性，更加關注節(jié)能和環(huán)保。

6 結 語

大型起重船最早出現(xiàn)于上世紀 70年代，目前進入了新的發(fā)展時期。雖然起重船外形大且粗笨，但是它卻集中了眾多尖端科技，使其成為名副其實的高科技鋼鐵巨獸。 它造價昂貴，數(shù)量稀少，成為工程船家族中頗具特色的一員。

隨著我國海洋油氣勘探開發(fā)向東海、南海等深海海域進軍，迫切需要開發(fā)作業(yè)水深大、起重能力強的大型起重船，為我國海洋石油勘探開發(fā)提供新型、經(jīng)濟、實用的海洋工程裝備。

[1]劉振輝，譚衛(wèi)衛(wèi)，譚家華.超大型海洋工程起重系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 中國海洋平臺，2006, (2).

[2]中國船舶工業(yè)總公司.船舶設計實用手冊[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1998.

[3]ABS. Rules for Building and Classing - Mobile Offshore Drilling Units (2008)[S], American Bureau of Shipping, 2009.

[4]www.GustoMSC.com[EB/OL].

[5]Alain Wassink. Next generation crane vessel. deep offshore technology.