10000t舉力半潛駁總體設(shè)計(jì)

王 輝

（天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司，上海 201612）

0 引 言

半潛駁是指在進(jìn)行裝卸作業(yè)或有操作需要時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)自身的壓載水量將載貨甲板潛入水中而呈半潛狀態(tài)的駁船，主要用于預(yù)制、裝運(yùn)和沉浮水上建筑工程所用的大型混凝土沉箱，也可用于裝運(yùn)大型鋼結(jié)構(gòu)、設(shè)備及其他可移動(dòng)的海上建筑物等。

近年來(lái)，隨著海上橋梁、港口碼頭等水上建筑工程的迅猛發(fā)展，半潛駁的應(yīng)用越來(lái)越廣，需求量越來(lái)越大。同時(shí)，根據(jù)工程的需要，半潛駁呈現(xiàn)出多樣化、大型化的發(fā)展趨勢(shì)。天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司自成立以來(lái)，設(shè)計(jì)和改裝了一系列半潛駁，主要有左右塢墻式（見(jiàn)圖 1）和四角塔樓式（見(jiàn)圖 2）2種，舉力從5000t到25000t不等。本文以某10000t舉力半潛駁為例，對(duì)其總體設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹和分析。

圖1 左右塢墻式半潛駁

1 10000t舉力半潛駁的船型設(shè)計(jì)與主尺度選取

1.1 船型與外觀設(shè)計(jì)

半潛駁通常設(shè)計(jì)為無(wú)動(dòng)力的駁船，在移動(dòng)定位時(shí)往往需拖船輔助，這會(huì)影響其作業(yè)效率，而設(shè)計(jì)為有動(dòng)力的半潛駁會(huì)大幅增加設(shè)計(jì)和建造成本。對(duì)此，將該船設(shè)計(jì)為具有輔助推進(jìn)功能的非自航半潛駁船型。該設(shè)計(jì)既可提高船舶進(jìn)出港和在作業(yè)區(qū)域內(nèi)短距離移位的效率，又不會(huì)過(guò)多地增加成本。

該船的主船體采用方駁型單甲板浮箱，艏艉底部采用流線(xiàn)型以減小航行阻力，艉部設(shè)置3只呆木以提高航行的穩(wěn)定性；為便于在裝運(yùn)沉箱時(shí)布置墊木，舉升甲板無(wú)脊弧無(wú)梁拱；主船體舉升甲板以上采用四角塔樓式設(shè)計(jì)，使該船既可采用縱向過(guò)駁沉箱，也可采用橫向過(guò)駁沉箱，方便沉箱的裝卸作業(yè)；艉部左右塔樓橋接，橫向連接橋設(shè)計(jì)便于艙室、管路及電纜布置和人員通行。

該船在設(shè)計(jì)塔樓時(shí)進(jìn)行特殊考慮，將艏艉塔樓設(shè)計(jì)成階梯形外形，即分別在艏塔樓前端和艉塔樓后端設(shè)置一個(gè)與塔樓相連的小平臺(tái)。小平臺(tái)的設(shè)置可增加半潛駁舉升甲板入水時(shí)的水線(xiàn)面面積，提高半潛駁下潛的穩(wěn)性；同時(shí)，小平臺(tái)高度適中不會(huì)造成結(jié)構(gòu)自重大幅增加，進(jìn)而影響船舶的載重量、穩(wěn)性和建造成本。該船的外形設(shè)計(jì)已獲得半潛駁外觀設(shè)計(jì)專(zhuān)利[1]。圖3為該10000t舉力半潛駁外形圖。

圖3 10000t舉力半潛駁外形圖

1.2 主尺度選取

主尺度選取是半潛駁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，是多參數(shù)、多目標(biāo)、多約束的求解和優(yōu)化問(wèn)題，是一個(gè)逐步近似的過(guò)程，通常按螺旋線(xiàn)形式[2]進(jìn)行。該船的船寬設(shè)計(jì)為42m，船寬的確定綜合考慮目標(biāo)沉箱的寬度、塔樓的寬度、進(jìn)出沉箱空間要求和船舶穩(wěn)性，若過(guò)寬，其橫向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高，會(huì)大大增加結(jié)構(gòu)自重，造成成本大幅增加。船長(zhǎng)需根據(jù)船寬，結(jié)合設(shè)計(jì)吃水和載重量要求選擇，以確保該船在設(shè)計(jì)吃水下具有足夠的載重量。該船的設(shè)計(jì)吃水為4.8m，經(jīng)初步計(jì)算，確定船長(zhǎng)為76.8m。型深主要根據(jù)干舷要求、過(guò)駁碼頭標(biāo)高和潮位情況選擇，經(jīng)初步計(jì)算，確定該船的型深為6m。該船最大沉深由目標(biāo)沉箱浮游穩(wěn)定高度確定，這里取26m，舉升甲板以上20m。

由上述分析，初步確定該船的主尺度為：船長(zhǎng)L=76.80m；型寬B=42.00m；型深D=6.00m；設(shè)計(jì)吃水d=4.80m；最大沉深為26.00m；舉力為10000t；運(yùn)載力為8000t。

在初步選定主尺度之后，還需精確計(jì)算，保證取值的可靠性。以半潛駁最危險(xiǎn)情況下的下潛穩(wěn)性為校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用NAPA軟件建模計(jì)算，確保該半潛駁的下潛穩(wěn)性滿(mǎn)足法規(guī)[3]要求：半潛駁滿(mǎn)載甲板貨物在舉升甲板入水或出水過(guò)程中，在蒲氏風(fēng)級(jí)≤6級(jí)、有義波高≤0.5m的水域，或蒲氏風(fēng)級(jí)≤4級(jí)、有義波高≤1m的水域，經(jīng)自由液面修正之后的初穩(wěn)性高度≥0.15m；在半潛船下潛至最大沉深時(shí)，經(jīng)自由液面修正之后的初穩(wěn)性高度≥0.5m。

該半潛駁裝運(yùn)8000t沉箱下潛時(shí)的穩(wěn)性校核結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 10000t半潛駁載運(yùn)8000t沉箱下潛時(shí)的穩(wěn)性校核結(jié)果 單位：m

由表1可知，該半潛駁裝運(yùn)沉箱下潛過(guò)程中的穩(wěn)性滿(mǎn)足法規(guī)要求且具有一定的裕度，因此該半潛駁的主尺度選取是合理可靠的。

2 船體總布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該半潛駁主體為方駁型單甲板浮箱，舉升甲板以下由3道水密縱艙壁和5道水密橫艙壁分隔成20只壓載水艙、機(jī)艙、舵槳艙和艏艉泵艙，艏艉泵艙分別橫向貫通連接左右塔樓，艏艉泵艙之間設(shè)置縱向管弄，便于內(nèi)部通行，便于管道及電纜安裝和維護(hù)檢修等。舉升甲板上的四角設(shè)塔樓，為半潛駁下潛提供足夠的水線(xiàn)面面積，保證半潛駁半潛作業(yè)時(shí)具有足夠的穩(wěn)性；艉部左右塔樓橫向橋接，塔樓內(nèi)部設(shè)置甲板室，用于布置生活艙室、工作艙室、機(jī)器處所、服務(wù)處所和控制站等。塔樓頂甲板上設(shè)置錨系泊設(shè)備，用于進(jìn)行錨系泊作業(yè)。圖4為該半潛駁艙底布置圖。

圖4 10000t舉力半潛駁艙底布置圖

該半潛駁船體結(jié)構(gòu)按規(guī)范[4]要求設(shè)計(jì)。舉升甲板和船底結(jié)構(gòu)采用縱骨架式，舷側(cè)結(jié)構(gòu)采用縱骨架式，每隔1.8m設(shè)置一檔強(qiáng)框以支持縱向結(jié)構(gòu)，舉升甲板載荷按25t/m2設(shè)計(jì)，沉箱行走區(qū)域甲板載荷按35t/m2設(shè)計(jì)。四角塔樓結(jié)構(gòu)采用橫骨架式，橫向連接橋采用橫骨架式。船體結(jié)構(gòu)材料滿(mǎn)足材料與焊接規(guī)范[5]的要求。

該半潛駁不滿(mǎn)足L/ B＞3的要求，其總縱強(qiáng)度應(yīng)通過(guò)直接計(jì)算確定，波浪彎矩和切力采用三維勢(shì)流繞射/輻射軟件HYDROSTAR與波浪運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和載荷長(zhǎng)短期預(yù)報(bào)軟件FATA進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，利用MARS軟件對(duì)船體梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析校核，滿(mǎn)足規(guī)范要求；該半潛駁采用有限元分析方法進(jìn)行直接計(jì)算校核，其橫向強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3 錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

錨泊系統(tǒng)作為半潛駁的一個(gè)重要系統(tǒng)，配置過(guò)高會(huì)增加成本，配置過(guò)低會(huì)影響作業(yè)安全。該半潛駁配置4點(diǎn)錨泊定位系統(tǒng)用于下潛作業(yè)時(shí)的錨泊定位。在設(shè)計(jì)該錨泊系統(tǒng)時(shí)，采用三維勢(shì)流繞射/輻射的源匯分布法和懸鏈線(xiàn)法進(jìn)行耐波性運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析及錨泊分析的水動(dòng)力計(jì)算。目前該方法已廣泛應(yīng)用于海洋工程船和常規(guī)船的水動(dòng)力計(jì)算分析中，成為解決海洋工程船水動(dòng)力問(wèn)題的首選方法。

該半潛駁下潛作業(yè)時(shí)的4點(diǎn)錨泊定位系統(tǒng)配置有4只AC-14大抓力錨，每只錨重6975kg，錨索采用直徑為46mm的鋼絲繩，每根錨索的長(zhǎng)度為600m。圖5為該半潛駁下潛作業(yè)時(shí)的4點(diǎn)錨泊定位系統(tǒng)布置圖。

圖5 半潛駁進(jìn)行下潛作業(yè)時(shí)的4點(diǎn)錨泊定位系統(tǒng)布置圖

選取最大風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下的載荷，采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)分析方法對(duì)下潛作業(yè)時(shí)4點(diǎn)錨泊定位系統(tǒng)進(jìn)行受力分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 錨泊系統(tǒng)受力分析結(jié)果

由表2可知，下潛作業(yè)錨泊定位時(shí)，在6級(jí)風(fēng)、1.0m有義波高、2.0m/s流速和90°環(huán)境力下，鋼絲繩最大軸向拉力小于設(shè)計(jì)張力和錨能提供的最大抓力，滿(mǎn)足要求。

4 壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

壓載系統(tǒng)作為半潛駁的一個(gè)重要系統(tǒng)，也是該半潛駁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。壓載系統(tǒng)的好壞直接影響半潛駁沉浮作業(yè)的安全性、穩(wěn)定性和效率；同時(shí)，半潛駁沉浮作業(yè)的時(shí)間也是用戶(hù)考核的一項(xiàng)重要指標(biāo)。該半潛駁壓載管路采用集中注入或排出總管的方式，設(shè)艏艉2個(gè)泵艙，分別布置2臺(tái)壓載泵。全船共設(shè)4臺(tái)壓載泵，每臺(tái)壓載泵的排量為1500m3/h，揚(yáng)程為13m，4臺(tái)壓載泵既可同時(shí)工作，也可單獨(dú)控制。壓載管路采用前后2路，分區(qū)控制，前后管路之間設(shè)有縱向連通管，前后壓載系統(tǒng)互為備用，確保整個(gè)壓載系統(tǒng)可靠運(yùn)行。該船從設(shè)計(jì)吃水下潛至最大沉深大約需3h。圖6為該半潛駁壓載系統(tǒng)管系原理圖。

當(dāng)半潛駁下潛至底部接近海底時(shí)，海底區(qū)域的海水會(huì)因船體的擾動(dòng)而變得渾濁，導(dǎo)致海水中的泥沙增多。為減少進(jìn)入壓載艙的泥沙量，該半潛駁同時(shí)設(shè)置高位海水箱和低位海水箱，其中高位海水箱通過(guò)海水總管與低位海水箱相連。通常情況下，半潛駁外的海水通過(guò)低位海水箱進(jìn)入海水總管，在半潛駁下潛時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況切換為由高位海水箱進(jìn)入海水總管，這樣可減少進(jìn)入艙內(nèi)的泥沙量，減少清艙工作量，降低泥沙對(duì)壓載系統(tǒng)的不利影響。

圖6 10000t舉力半潛駁壓載系統(tǒng)管系原理圖

5 結(jié) 語(yǔ)

半潛駁設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)性工作，需考慮的因素較多。為設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足規(guī)范、法規(guī)要求且令用戶(hù)滿(mǎn)意的半潛駁，設(shè)計(jì)者應(yīng)盡可能地綜合考慮各方面的因素。

本文以 10000t舉力半潛駁為例闡述半潛駁總體設(shè)計(jì)的思路，并對(duì)半潛駁設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行介紹，對(duì)以后半潛駁的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)具有一定的幫助。