50 000載重噸半潛運輸船總體優(yōu)化設(shè)計

陳曉晨，肖留勇，高 斌

(上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203)

0 引言

隨著海洋資源開發(fā)的不斷深入，世界各國對海洋工程結(jié)構(gòu)物的需求越來越多，如導(dǎo)管架平臺、自升式鉆井平臺、半潛式鉆井平臺、風(fēng)電安裝平臺、海底采礦平臺等。而這些大型海洋工程結(jié)構(gòu)物體量巨大，其運輸受到起重能力、營運成本、運輸周期、氣候與海況等條件的制約，往往需要借助半潛運輸船這一特殊船型進行長距離的轉(zhuǎn)運遷移。

某50 000載重噸半潛運輸船“祥和口”號自2016年交付以來，承運了多型海工平臺，但在常年運營中發(fā)現(xiàn)了一些問題，如：壓載水艙容易淤積泥沙、不易排空；船舶尾部靠泊碼頭時，由于艉封板面積較小與碼頭護舷較難匹配；生活區(qū)布置的舒適性問題等。此外，近年來生效的新法規(guī)、新規(guī)范也對船舶環(huán)保排放提出了更高的要求。

為此，本文以在“祥和口”號船型基礎(chǔ)上改進的新一代50 000載重噸半潛運輸船為研究對象，在滿足現(xiàn)行的公約、規(guī)則、規(guī)范要求的前提下，針對該船型的作業(yè)特點，從線型、分艙布置、上層建筑布置、環(huán)保排放升級這4個方面進行優(yōu)化設(shè)計。

1 主要參數(shù)

50 000載重噸半潛運輸船主要參數(shù)如下：總長216.70 m，型寬43.00 m，型深13.00 m，設(shè)計吃水9.60 m，下潛吃水26.00 m，載重量約48 000 t，壓載水量約95 000 m，服務(wù)航速14.5 kn，續(xù)航力約18 000 n mile，定員37船員+12乘客，船級CCS ★ CSA , Semi-Submersible Vessel, ERS, PSPC(B),Loading Computer(S,I), Ice Class B, In-Water Survey, BWMP★ CSM, AUT-0, GPR(EU), Green Ship I, NEC(III), BWMS,FTP, PR-2, DP-2, SCM。

2 線型優(yōu)化

根據(jù)半潛運輸船的實際使用需求及特點，對新一代50 000載重噸半潛運輸船的線型進行針對性的優(yōu)化，見圖1。

圖1 艏部線型對比

從圖1可知，船體首部線型取消了球鼻艏，采用了近年來應(yīng)用廣泛的無球鼻艏線型設(shè)計，艏部線型更為豐滿。這樣的艏部線型優(yōu)化設(shè)計，有以下幾方面的好處：

(1)對船舶穩(wěn)性有利。因為半潛船下潛作業(yè)時，最危險的情況往往是在主甲板尾部剛?cè)胨臅r候。此時，水線面面積急劇減少，船舶容易喪失穩(wěn)性，所以艏部線型擴充后利于下潛時的穩(wěn)性。采用該設(shè)計后，空船下潛時主甲板處于剛浸沒的狀態(tài)，橫向穩(wěn)心距龍骨高度可以提高約0.7 m，初穩(wěn)性高度可以提高約1.0 m。

(2)增大了艏部壓載水艙的艙容，提高了船舶儲備浮力。半潛船在下潛狀態(tài)下，必須保證一定比例的儲備浮力。中國海事局和中國船級社(CCS)要求在下潛工況時從下潛水線到其上第1層甲板的儲備浮力不小于3.5%，到第2層甲板不小于5%。挪威船級社(DNV)的要求更高，要求這2個數(shù)值分別不小于4.0%和5.5%，在2010年7月后又新增了艏、艉分別不小于1.5%的要求。該船的儲備浮力分別達到了5.58%及6.61%，滿足儲備浮力的要求。另外，艏部壓載水艙增大，也有利于半潛船在下潛作業(yè)時調(diào)整浮態(tài)；以較大的艏傾姿態(tài)下潛，可有效增大水線面面積，保證下潛作業(yè)的安全平穩(wěn)。

(3)球鼻艏的主要作用是減小船舶興波阻力。而該船屬于中低速船，興波阻力占總阻力的比例較小，所以采用無球鼻艏的船首設(shè)計對快速性沒有太大的影響。采用無球鼻艏的艏部線型還可以避免球鼻艏復(fù)雜曲面的加工及內(nèi)部狹小空間的施工，方便船廠施工建造，降低建造成本。

需要注意的是，艏部線型的調(diào)整會導(dǎo)致計算船長的變化，這也對防撞艙壁的位置及干舷計算產(chǎn)生了一定影響。由于該船取消了球鼻艏，計算船長與垂線間長一致為212.46 m，而母型船由于球鼻艏的存在，其計算船長為208.76 m。如果按母型船將防撞艙壁設(shè)在249號肋位，其距離艏柱的距離為17.5 m，就不滿足防撞艙壁距離艏柱的間距應(yīng)小于0.08(為計算船長)即17.0 m的要求，故該船將防撞艙壁前移了一檔肋位。干舷計算也是由于計算船長變化的影響，導(dǎo)致若取原母型船的設(shè)計吃水9.68 m計算，則干舷不滿足。由于該船型線變胖，排水量增大，在9.60 m設(shè)計吃水時不僅能夠滿足載重量的要求，同時也能滿足干舷要求，所以該船選取9.60 m作為設(shè)計吃水。

母型船與新一代50 000載重噸半潛船的艉部線型見圖2。相比母型船，該船尾框線型下延，舷側(cè)變胖；呆木部分線型也做了調(diào)整，其橫剖面采用圓弧過渡。母型船在使用中發(fā)現(xiàn)，貨物在碼頭從艉部上貨時，由于艉封板高度較小，船舶尾部經(jīng)常無法與碼頭橡膠護舷很好的接觸靠泊。通過加厚艉框線型，這一問題就得以解決，同時還能提高船體的剛度，使得整個載貨甲板的許用載荷可以保持一致。但這樣優(yōu)化也帶來了問題，螺旋槳由于線型變化，直徑需縮小到6 m。所以需要根據(jù)現(xiàn)有的線型，重新設(shè)計與之匹配的高效螺旋槳及舵組合，彌補因螺旋槳直徑減小而導(dǎo)致的推進效率的損失。經(jīng)水池試驗驗證，該船的航速能夠達到要求的14.5 kn。

圖2 艉部線型對比(單位：mm)

3 分艙布置優(yōu)化

本船壓載水艙橫剖面見圖3，將壓載水艙分為上下3層共10個艙，頂層壓載水艙的艙容較小，這樣即使在貨物裝載中操作失誤導(dǎo)致主甲板受損，進而頂層壓載水艙進水，對船舶穩(wěn)性影響也較小。與母型船不同的地方在于將雙層頂及雙層底由水平改為傾斜設(shè)計。這樣設(shè)計有2個優(yōu)點：

圖3 典型壓載艙橫剖面

(1)有利于壓載水艙排水。原有的水平式艙底容易沉積泥沙，進而堵塞排水孔，使用時間一長排水速度就變慢，而要進入艙內(nèi)清淤又是費時費力的工作。采用傾斜式艙底后，壓載水艙排水時泥沙大部分會隨著排水沖走，不易產(chǎn)生沉積，壓載艙清淤周期可大大延長。

(2)自由液面修正值大大減小。壓載水艙在滿艙或空艙時，2種型式的艙頂/艙底的自由液面修正值在理論計算上都為零。但是在實船操作中，由于壓載艙內(nèi)結(jié)構(gòu)件或是船舶浮態(tài)的影響，壓載水艙很難達到100%注滿或完全排空的狀態(tài)，往往會出現(xiàn)99%、98%或1%、2%的情況。若是水平艙頂/艙底，則自由液面修正值仍為最大值。而傾斜式艙頂/艙底的自由液面則限制在頂部/底部的小三角形內(nèi)，因此自由液面修正值大大減小，下潛作業(yè)時的船舶穩(wěn)性有明顯改善。

另外，該船將燃油艙的布置位置從船中位置調(diào)整到了船中后部即推進機艙前面的位置。由于淡水艙布置在船舶首部上建下方，其他輔助油水艙都布置在艏部機艙區(qū)域，這樣的總體布置就使得船舶首尾的油水分布更為平衡，出港和到港時的船舶浮態(tài)變化不大，避免船舶為了調(diào)整浮態(tài)在航行中頻繁地調(diào)撥壓載水。由于裝載貨物一般位于船中位置，若燃油艙布置在船中，則限制了裝載貨物時調(diào)整中垂彎矩的空間。

4 上層建筑布置優(yōu)化

該船上層建筑布置相比母型船有以下提升：

(1)噪聲與振動優(yōu)化：將機艙棚、風(fēng)管、空調(diào)機室及應(yīng)急發(fā)電機室都與船員生活區(qū)進行分隔，使生活區(qū)內(nèi)的噪聲及振動可以控制在更低的水平。

(2)住艙布置優(yōu)化：住艙的長寬比更為合理，避免過于狹長或拐角過多的房間，房間內(nèi)設(shè)施布置更為規(guī)整，住艙整體設(shè)計更符合人體工程學(xué)的要求，同時也方便了船廠施工建造。

(3)通道優(yōu)化：上層建筑內(nèi)的通道布置更為方正，動線更為合理，方便人員日常通行及緊急情況下的逃生。

5 環(huán)保排放升級

為防止船舶營運對大氣環(huán)境造成的污染，國際海事組織對氮氧化物、硫氧化物等有害物質(zhì)的排放作出限制。我國對于硫排放的控制更為嚴格，要求船舶燃油硫含量低于0.1%。新一代50 000載重噸半潛運輸船在設(shè)計之初就考慮了環(huán)保排放的要求，并采取了一系列的應(yīng)對措施。

該船推進系統(tǒng)為柴-電推進，采用2臺中速推進電機配合齒輪箱，主機為4臺MAN 8L32/40。艏部機艙主要布置主機及輔機相關(guān)設(shè)備，艉部機艙主要布置推進電機系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備。該船配置了SCR尾氣處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括尿素艙、尿素泄放艙、尿素輸送泵、尿素供給單元、尿素噴射單元、SCR反應(yīng)器。通過設(shè)置SCR尾氣處理系統(tǒng)，該船可以滿足Tier III階段的排放要求。

為了滿足硫氧化物排放的環(huán)保要求，該船設(shè)置了1套超低硫燃油系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含了2個超低硫燃油儲存艙、2個超低硫油日用艙、1個超低硫油澄清艙，這樣單獨設(shè)置管路可以避免超低硫燃油和重燃油混合產(chǎn)生的雜質(zhì)。采用超低硫燃油，既能滿足0.1%的硫排放要求，相比輕柴油其更容易維持需要的黏性和潤滑性，從而減少高壓油泵泄油量，降低柱塞咬死的風(fēng)險，提高船員操作的便利性。

6 結(jié)論

(1)半潛運輸船線型設(shè)計在滿足快速性、操縱性的同時，還應(yīng)盡可能提高其下潛穩(wěn)性，保證下潛作業(yè)安全平穩(wěn)。艉框線型盡可能加厚，以提高艉部結(jié)構(gòu)強度，同時方便艉部靠泊碼頭裝載貨物。

(2)可以根據(jù)實際使用情況優(yōu)化半潛運輸船壓載水艙剖面型式。油水艙布置要保證整體力矩的平衡，可減少因油水消耗導(dǎo)致的浮態(tài)調(diào)整。

(3)半潛運輸船由于人員較多、航程較長，應(yīng)盡量提高生活區(qū)舒適性，將噪聲源與住艙進行分隔以降低噪聲及振動，內(nèi)部通道及動線應(yīng)合理規(guī)劃。

(4)對于環(huán)保排放的要求應(yīng)給予重視，應(yīng)根據(jù)生效的法規(guī)，考慮相應(yīng)減排設(shè)施配置。設(shè)計方案在滿足環(huán)保排放的同時，也要考慮船員操作的便利性。