5000t起重鋪管船總體布置設(shè)計

高 飛，胡 敏

（天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司，上海 201612）

0 引 言

隨著海洋油氣資源勘探與開采從淺海走向深海，海底管道作為油氣輸送的一種重要方式得到廣泛應(yīng)用。然而，國內(nèi)的鋪管船起步較晚，除了“海洋石油201”可實現(xiàn)深水鋪管以外，其他船舶都只能進行淺水鋪管。對此，天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司自主研發(fā)了一艘具有DP3動力定位和錨泊定位能力的自航全回轉(zhuǎn)起重鋪管船。該船具有3000m深水鋪管能力和5000t起重能力，是我國繼“海洋石油201”之后又一艘深水鋪管船[1-2]。該船交付使用之后將成為我國海上搶險打撈領(lǐng)域功能最齊全、作業(yè)能力最強大的工程船[3]。

1 設(shè)計概述

該船為鋼質(zhì)全焊接自航起重船，雙甲板；艉部設(shè)置有主起重機；中部為載貨區(qū)；艏部為流線型，設(shè)置有居住區(qū)和直升機平臺；S型鋪管作業(yè)區(qū)主要布置在干舷甲板上。該船配備有當(dāng)前最先進的動力定位系統(tǒng)和自動防橫傾系統(tǒng)；主起重機配備有先進的主動升沉波浪補償系統(tǒng)；可同時支持2臺無人遙控潛水器（Remote Operated Vehicle, ROV）進行水下作業(yè)，預(yù)留有飽和潛水作業(yè)相關(guān)系統(tǒng)的接口；配置有10點錨泊定位系統(tǒng)，用于淺水（水深不大于150m）定位，定位能力不僅滿足起重工況要求，而且滿足S型鋪管工況要求[4]。該船主尺度參數(shù)見表1[4]。

表1 5000t起重鋪管船主尺度參數(shù)[4]

2 總體布置設(shè)計原則

該船的總布置是一個包含功能區(qū)塊劃分、設(shè)備合理選型、系統(tǒng)規(guī)劃布置、結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)設(shè)計和性能參數(shù)優(yōu)化等內(nèi)容的綜合設(shè)計過程。該船的總體設(shè)計主要遵循以下原則：

1) 滿足安全、舒適和快速航行調(diào)遣的要求；

2) 滿足起重作業(yè)和鋪管作業(yè)的要求；

3) 確保具有足夠的DP3動力定位能力，以滿足要求的環(huán)境條件；

4) 滿足防火、防爆、脫險和安全返港等方面的要求；

5) 滿足儲備浮力、完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性等對艙室和上層建筑劃分的要求；

6) 滿足設(shè)備和系統(tǒng)維護、預(yù)留及升級空間的要求。

3 總體布置設(shè)計

該船設(shè)有舭龍骨、呆木、10道水密橫艙壁、2道水密縱艙壁和2.4m高的雙層底。采用雙甲板的設(shè)計主要是為了滿足S型鋪管線和堆管的要求[4]。對于該船來說，特種設(shè)備種類多，定員多，還需滿足DP3、安全返港和客船的相應(yīng)規(guī)范，總體布置較為繁瑣。例如，該船作為船長大于120m，具有3個以上主豎區(qū)的客船，需滿足安全返港的要求，即當(dāng)船舶發(fā)生火災(zāi)或進水事故時，能支持其自航安全返回港口的各組重要系統(tǒng)要滿足分隔、雙套、冗余、保護或上述各項組合的要求。這些要求反映到總體布置上，需考慮使2套主推進器及其電力系統(tǒng)的布置相互分隔、冗余等。另外，該船還需設(shè)置2個獨立的駕駛室、安全中心和安全區(qū)域等。由于該船整個上層建筑是在一個主豎區(qū)內(nèi)的，因此安全區(qū)域只能布置在上層建筑以外的鋪管線內(nèi)，在該船鋪管線布置較為緊密的情況下，預(yù)留出兩側(cè)輔線作業(yè)區(qū)后部的區(qū)域作為安全區(qū)域，這些都是在綜合考慮各種因素的制約之后設(shè)計布置的。

總體上看，該船的總體布置區(qū)域主要包含起重機區(qū)域、甲板堆貨區(qū)、鋪管作業(yè)區(qū)、主體功能區(qū)、上層建筑和直升機甲板區(qū)域（見圖1和圖2）。

圖1 總布置-側(cè)視圖

圖2 總布置-B甲板平面圖

3.1 主起重機區(qū)

艉部居中區(qū)域設(shè)置有一臺具有固定吊5000t起重能力和全回轉(zhuǎn)吊3500t起重能力的大型海洋工程起重機，筒體直徑為24m，采用可倒式A架，航行時A架最高點距水面57.2m，吊臂長度達106m，吊臂擱架和鉤箱布置在艏部D甲板上方。該船主起重機配有深水波浪補償功能，波浪補償系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備主要布置在主起重機下方的主船體內(nèi)部，配有儲繩絞車、牽引絞車、升沉油缸和液壓單元泵組等。

3.2 甲板堆貨區(qū)

該船B甲板露天甲板中后部布置有木甲板（總面積約為1150m2），并設(shè)置有若干擋貨立柱，具有載貨和堆管9000t的能力；同時，左右舷各配有1臺40t×35m的理管吊，可用于裝卸管子或在鋪管作業(yè)時調(diào)撥管子。

3.3 鋪管作業(yè)區(qū)

該船的設(shè)計滿足S型鋪管功能的需要，作業(yè)管徑為6～60in（1in=2.54cm），最大作業(yè)水深為3000m。該船采用雙層甲板結(jié)構(gòu)，上層甲板具有載貨和運管能力，鋪管設(shè)備主要布置在下層主甲板上。鋪管線作業(yè)區(qū)的布置和作業(yè)流程按照功能的不同大致劃分為B甲板中部的管子橫移區(qū)、開坡口區(qū)、主甲板兩側(cè)的輔線作業(yè)區(qū)、舯部的主線作業(yè)區(qū)、艉部的包覆區(qū)和托管架區(qū)，其中B甲板左舷設(shè)置有雙節(jié)管吊口，可直接將岸上預(yù)制好的雙節(jié)管吊至船上進行鋪設(shè)，或在主甲板輔線作業(yè)區(qū)用單節(jié)管預(yù)制雙節(jié)管之后進行鋪設(shè)。另外，該船主甲板艉部設(shè)有A&R（Abandonment and Recovery）絞車區(qū)，用于進行收管和棄管作業(yè)（見圖3和圖4）。

圖3 B甲板鋪管區(qū)布置

圖4 主甲板鋪管區(qū)布置

3.4 主體功能區(qū)

目前的大型起重鋪管船大多都有動力定位功能，其中DP3動力定位的級別和要求最高，在一艙失火或浸水的情況下能自動保持船位和艏向，因此對機艙的布置要求非常高。

為更好地滿足DP3的要求，該船獨創(chuàng)性地采用四機艙電力推進系統(tǒng)布置理念，使推進器的損失率最?。ㄈ鐑蓹C艙可能會損失1/2的推進功率，而四機艙只損失1/4的推進功率），提高船舶的推進能力，降低運行成本[5]。

該船主體功能區(qū)的另一個主要布置是推進器。根據(jù)水動力分析結(jié)果，為滿足DP定位和航速要求，該船共配有8臺推進器，包括2臺功率為1500kW的艏側(cè)推、4臺功率為3500kW的伸縮推和2臺功率為5500kW的主推進器，分別布置在主體功能區(qū)的艏部、舯部和艉部（見圖6）。

3.5 上層建筑

該船的上層建筑主要包含住艙、辦公室、餐廳、廚房、冷庫、娛樂健身、洗衣間、衛(wèi)生間和控制處所等。艙室布置滿足398人同時在船上作業(yè)住宿的要求；滿足國際勞工組織《海事勞工公約2006》、C92及C133船員住宿公約對客船的要求；船員和工作人員的艙室采用分區(qū)布置，便于進行人員管理，滿足分區(qū)的要求。另外，該船還滿足[美國船級社（American Bureau of Shipping, ABS）入級符號]HAB（WB）的要求，充分提高船員居住環(huán)境的舒適度。

3.6 直升機甲板

艏部上層建筑頂部設(shè)有鋁制直升機甲板，配有2個消防平臺和甲板下逃生通道。另外，B甲板右舷布置有直升機加油設(shè)施，便于給遠距離飛行的直升機加油，適停機型為EC 225、Sikorsky S92和Sikorsky S61N。

4 關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)分析

主要設(shè)備和艙室劃分是該船總體布置技術(shù)的關(guān)鍵，下面分別對起重機系統(tǒng)、鋪管系統(tǒng)、動力定位系統(tǒng)和推進器布置及艙室劃分等進行分析。

4.1 起重機系統(tǒng)

起重機是該船的主要裝備之一，具有最大固定艉吊5000t和全回轉(zhuǎn)吊3500t的起重能力，并配有主動式和被動式波浪補償系統(tǒng)。配置2個2500t的主鉤，附加1個5000t的四爪鉤、1個深水副鉤和1個200t的小鉤。全回轉(zhuǎn)起重機可繞起重機圓筒360°回轉(zhuǎn)吊重，其機動性遠優(yōu)于固定式起重機，在兩舷轉(zhuǎn)移吊重時此特性更為顯著。起重機主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 起重機主要技術(shù)參數(shù)

4.2 鋪管系統(tǒng)

鋪管船作為海上管線作業(yè)車間，其鋪管線的布置設(shè)計需滿足作業(yè)流水線工作流暢、連續(xù)、高效和安全等基本要求。該船的鋪管主作業(yè)線布置在船體縱向中心線上，用來預(yù)制雙節(jié)管的作業(yè)輔線布置在兩側(cè)。通過2臺升降機實現(xiàn)管子在開坡口區(qū)和輔線作業(yè)區(qū)的轉(zhuǎn)換。2條輔線各設(shè)3個工作站，主線設(shè)4個工作站，所有管子在兩側(cè)輔線預(yù)制雙節(jié)管之后進入主線作業(yè)區(qū)進行焊接、NDT檢測及包覆作業(yè)，兩側(cè)輔線同時作業(yè)，這樣的設(shè)計會使整個作業(yè)流程更加流暢、高效。另外，為避免大風(fēng)浪導(dǎo)致的竄管破壞艏部船體結(jié)構(gòu)，在艏部設(shè)置流線型液壓艏門，可在需要時開啟，以保證安全。表3為鋪管傳輸及張緊設(shè)備主要參數(shù)。

表3 鋪管傳輸及張緊設(shè)備主要參數(shù)

4.3 動力定位系統(tǒng)和推進器布置

該船共配備8臺推進器，其中，艏部設(shè)置2臺艏側(cè)推（T1和T2），舯前和舯后各設(shè)置4臺伸縮推（T3～T6），艉部設(shè)置2臺主推進器（T7和T8），具體布置見圖6。

動力定位系統(tǒng)是該船安全操作的核心，充分考慮船舶的造價和運營經(jīng)濟性，其DP控制系統(tǒng)采用雙冗余設(shè)計，DP動力系統(tǒng)采用四冗余設(shè)計（見圖5），其中，T1和T5為一組，T2和T6為一組，T3和T7為一組，T4和T8為一組，分別由4個機艙的發(fā)電機組和配電系統(tǒng)供電。當(dāng)任意一組推進器的發(fā)電機組或配電板故障時，只丟失1/4的動力，另外3組推進器仍可繼續(xù)工作，滿足動力定位的需求。相比常規(guī)的DP3的動力系統(tǒng)雙冗余，該船的動力系統(tǒng)多出2組冗余，能提高船舶的動力定位能力和生存能力。4個機艙的配置相比2個機艙的配置能減小發(fā)電機組的容量；4組推進器的配置能將推進器損失率降到最小，最大限度地提高船舶的運行能力，降低運行成本[5]。

圖5 DP區(qū)域劃分圖（內(nèi)底平面）

4.4 艙室劃分

上層建筑設(shè)計首先需滿足398人居住的需求，滿足《海事勞工公約2006》的要求；同時，上甲板上的起重機、鋪管線和錨絞車等重要設(shè)備需合理布置。

合理的艙室位置和較佳的艙室容積是總布置艙室劃分的2條原則。在回轉(zhuǎn)起吊時，首先要保證壓載水調(diào)撥量，以調(diào)節(jié)橫傾；同時，艏艉壓載水用于調(diào)整縱傾，以保證浮態(tài)和穩(wěn)性。燃油、淡水和滑油等消耗品艙室也需準確設(shè)計，以保證船舶除了具有足夠的續(xù)航力和作業(yè)能力以外，還考慮因消耗品變化導(dǎo)致的船舶浮態(tài)和穩(wěn)性變化。

5 結(jié) 語

該船的總布置設(shè)計是在方案構(gòu)思、結(jié)構(gòu)型式選擇、主要尺度和參數(shù)優(yōu)選、起重機和鋪管設(shè)備與船型匹配等多種要素下進行的總體規(guī)劃，結(jié)合水動力性能研究、定位能力研究、完整穩(wěn)性和抗沉性研究、電站和電力推進系統(tǒng)配置研究等研究課題，保證該船在設(shè)計壽命周期內(nèi)具有安全可靠、使用功能多樣、作業(yè)效率高、維護便捷和經(jīng)濟等優(yōu)點。該船總布置設(shè)計實際上是為實現(xiàn)起重和鋪管功能而進行的多準則設(shè)計優(yōu)化技術(shù)決策，需統(tǒng)籌兼顧和協(xié)調(diào)平衡，經(jīng)過分析、綜合和決策的反復(fù)迭代，實現(xiàn)船舶總體布置優(yōu)化。