某風機基礎(chǔ)施工船甲板透氣管布置方案

胡敏 林玉璋

摘? ? 要：對于風機基礎(chǔ)施工船，要求其具有寬闊而空曠的露天施工甲板，以利于作業(yè)。而該型船的壓載艙眾多，其甲板透氣管布置是一道難題。本文著重對要求寬闊施工露天甲板面的透氣頭布置方案進行設(shè)計，分析不同的透氣管布置形式對船舶性能及功能的影響，選取不影響船舶作業(yè)功能，且保證船舶性能的最優(yōu)方案，為類似船舶設(shè)計空曠大甲板面的提供思路。

關(guān)鍵詞：寬闊露天甲板；消除透氣頭；性能及功能

中圖分類號：U674.13+5 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Layout Plan of Deck Ventilation Pipe on Wind Turbine

Foundation Construction Vessel

HU Min，? LIN Yuzhang

（ Shanghai Bestway Marine Engineering Design Co.， Ltd.，? Shanghai 201612 ）

Abstract： As for the wind turbine foundation construction ship， it is required to have the wide & spacious open construction deck， convenient for operation. But such vessels have a lot of ballast tanks， and the deck venting pipes layout is one difficult problem. This paper focuses on the research and design of eliminating the air-pipe head on the broad open construction deck， and analyzes the influence of different venting pipe arrangement on the performance and function of the ship. The best optimal scheme of unaffecting the operation function and the stability of the ship is selected to provide the design ideas for the broad wide deck of the subsequent similar ships.

Key words： wide open deck; elimination of air-pipe head; stability and function

1? ? ?前言

新型風機基礎(chǔ)施工船舶，具有開闊的露天施工甲板，用于運載大型風電安裝基礎(chǔ)設(shè)施，往往需要在甲板面上進行臨時施焊，要求露天施工甲板足以開闊，盡量沒有固定的結(jié)構(gòu)突出物，比如透氣管、艙口蓋等。然而船舶艙壁甲板面下設(shè)有多個水密艙室，按照規(guī)范要求需設(shè)有透氣管道及透氣口，且其透氣口需設(shè)在開敞艙壁甲板以上。為此，要保證開敞甲板面無任何突出物具有相當大的難度。同時透氣管道的布置也不能破壞船舶的穩(wěn)性，需要設(shè)計者認真考量，在顧及船舶使用功能的同時，也要滿足相關(guān)法規(guī)要求，保障船舶安全性能[1]。

通常，大型船舶主甲板下有數(shù)道縱、橫向水密艙壁，把船體分割成若干個功能艙室。大型風電基礎(chǔ)施工作業(yè)的全回轉(zhuǎn)起重船，往往設(shè)有數(shù)個壓載艙。由于這些壓載艙艙容較大，長度較長，每個壓載艙需要設(shè)有兩個透氣管及透氣口，共計上100個獨立的透氣頭。如其透氣頭均布置在露天甲板面上，將會減少露天甲板可操作面積，而限制施工作業(yè)。針對這一難點，本文以某5 000 t風機基礎(chǔ)施工船為案列，研究了3種方案，對近百個透氣頭及透氣管道如何布置，是否影響船舶的功能及性能進行了大量的計算和分析，選取最優(yōu)設(shè)計方案。

2? ? 案例船背景介紹

本文案例船是一艘具有DP1動力定位功能的大型風機基礎(chǔ)施工船，可在無限航區(qū)航行，可在規(guī)定的作業(yè)環(huán)境條件下海域作業(yè)，主要用于海上固定式風機基礎(chǔ)、海上升壓站及大型海上結(jié)構(gòu)安裝施工。該船總長215 m、船寬51.8 m、型深19.0 m、設(shè)計吃水10.0 m、配員100人、載重量51 850 t。首部為居住區(qū)，中部為甲板面載貨及作業(yè)區(qū)，尾部為大型起重機（參見圖1）。中部甲板面為堆貨區(qū)，亦為施工區(qū)域，甲板下方為壓載艙以及油艙。所有壓載艙共 96個透氣頭需要伸至露天甲板面，且要求不能布置在堆貨區(qū)域。本文根據(jù)規(guī)范要求和本船性能及使用要求，對堆貨區(qū)域甲板下透氣管進行優(yōu)化。圖 1 為風機基礎(chǔ)施工船甲板平面圖。

2.1? ?方案一

2.1.1 管路走向布置設(shè)計

為不影響甲板堆貨及施工，透氣頭均引至堆貨區(qū)域后穿出。每根透氣管管頭投影面積約0.5 m2，透氣頭總占面積約96 m2。圖2為初始方案透氣管走向圖，右舷與左舷對稱，所有壓載艙透氣管縱穿水密橫艙壁。

2.1.2 管路布置對船舶穩(wěn)性的影響分析

將露天甲板施工區(qū)域下的艙室根據(jù)水密橫艙壁分隔成六個破損區(qū)，分別為ZONE1～ZONE6。圖2所示的各透氣管路均無隔離閥，如在另一艙的某處發(fā)生破損，則水的動壓載將會沿著管路流入另一艙，從而導致連帶進水問題。根據(jù)SOLAS對客船的要求，船舶破損存在概率性，需要計算舷側(cè)一區(qū)橫穿一艙破損，舷側(cè)一區(qū)橫穿兩艙破損，舷側(cè)一區(qū)橫穿多艙破損，直至破損到中心線，舷側(cè)兩區(qū)橫穿一艙、兩艙及多艙破損，以此類推。舷側(cè)ZONE3、ZONE4等多區(qū)同時破損，合成破損概率殘存值不小于規(guī)范要求值。本船ZONE1～ZONE6任意相鄰多區(qū)域均有概率破損，需要分析其破損穩(wěn)性[2]。從圖2可以看出，當ZONE1一區(qū)域發(fā)生破損，區(qū)域內(nèi)的透氣管也會隨之破裂，破損后將會連帶所在的艙室進水，即ZONE2～ZONE6均會被連帶進水，造成了ZONE1～ZONE6一起破。圖3為破損后船舶浮態(tài)。這六個區(qū)一起破損后，船完全喪失了穩(wěn)性，船舶處于傾覆狀態(tài)。評估結(jié)論：此種方案的透氣管路布置，不滿足法規(guī)的概率破艙穩(wěn)性要求，嚴重影響船舶的安全性能?；诖瞬贾脤υ摯妮d貨能力進行評估，得到穩(wěn)性破性穩(wěn)性限制線，可知在滿載的時僅能載運5 000 t的甲板貨。

2.1.3 管路布置對船舶功能的影響分析

為避開露天甲板載貨及作業(yè)區(qū)域，中部艙室的透氣管均集中在尾部，占用了大量甲板面積，降低了施工作業(yè)有效甲板面積，影響船舶整體美觀度，且集中空氣管處若被水線淹沒，易使中部大片艙室被倒灌海水，造成傾覆的危險隱患，使船舶載貨能力大幅削減，甲板載貨能力評估僅為5 000 t。

綜上分析，方案一的布置，穩(wěn)性性能較差，載貨能力較低，管路復(fù)雜且用料多，還可能造成整船的重心偏高，進一步惡化船舶性能，且透氣頭占據(jù)了甲板面面積影響美觀，同時影響了船舶裝載使用。

2.2? ?方案二

2.2.1 管路走向布置設(shè)計

采用的透氣總管的設(shè)計方案。各壓載艙的透氣管引連到透氣總管上，透氣總管首尾端再引出透氣頭至甲板面，如圖4所示。這種布置方式簡化了艙內(nèi)管路，節(jié)省大量了鋼料，同時使甲板面布置更清潔。但采用這種方案，會使一個艙內(nèi)的壓載水通過透氣總管漫延到其他壓載艙，并在船舶晃蕩的過程中，水會順著透氣管滲入到各個艙室，可能造成船舶傾覆。為防此這種情況出現(xiàn)，可在透氣管路中設(shè)計一個只透氣不暢水的裝置。結(jié)合管路布置特征，在每個支氣路口增設(shè)一個浮球，浮球直徑略大于管徑，并在浮球下方設(shè)一鋼絲網(wǎng)，托住浮球，見圖5支路設(shè)計示意圖。當壓載水沒到支路口處，浮球會隨著水位上升，堵住總管入水口；當水位下降，浮球隨之下降落至鋼絲網(wǎng)上。

2.2.2 管路布置對船舶穩(wěn)性的影響分析

從系統(tǒng)設(shè)計上進行了優(yōu)化，同樣可以實現(xiàn)了集中透氣，由于浮球的設(shè)計可以保證這些透氣管透氣不暢水，解決了因透氣管造成的連帶破損的問題。經(jīng)多個工況計算校核，船舶破損穩(wěn)性滿足要求，但處于規(guī)范要求的臨界值。船舶在舷側(cè)三區(qū)域破損范圍內(nèi)無傾覆狀態(tài)。

2.2.3 管路布置對船舶功能的影響分析

該方案避開了方案一的問題，且載貨能力不再受透氣管的影響[3]。經(jīng)核算最大載貨能力可達10000 t，并且甲板面完全空曠，對載貨能力影響較小。但該方案也存在一些問題：

1）具有安全隱患，壓載艙在壓載泵壓滿艙過程中，由于泵過量加載時，透氣管很容易進水，浮球便會處于上浮狀態(tài)，阻礙透氣和暢水。為此建議需要設(shè)置一個高位報警，壓載艙達到一定水位后，泵就停止運行；

2）若使透氣管不進水，則得控制液艙不滿艙，計算穩(wěn)性時，所有液艙都需考慮自由液面的影響，從而削弱了穩(wěn)性，過大自由液面也會影響航行及作業(yè)安全；

3）每個支氣管內(nèi)設(shè)有浮球及鋼絲網(wǎng)，需要對其防腐算下處理。若鋼絲網(wǎng)腐蝕損壞，浮球?qū)侣?，可能堵塞住支管拐口處而無法順暢通氣，使艙內(nèi)氣壓上升，引起船體結(jié)構(gòu)承壓過大。

綜上所述，方案二存在安全和維護的問題，需要進一步的優(yōu)化。

2.3? ?方案三

2.3.1 管路走向布置設(shè)計

在吸納方案二優(yōu)點的同時進一步改進，考慮該船在露天甲板下設(shè)隔離空艙，沿用透氣總通道的思路，解決在不設(shè)浮球下確保各艙透氣獨立，不相連帶。圖6為方案三透氣布置圖。在主甲板下方設(shè)結(jié)構(gòu)透氣通道，所有壓載艙透氣管路獨立，透氣頭獨立。在結(jié)構(gòu)通道兩端，開敞甲板以上各設(shè)有的透氣百葉窗[4]。集中透氣結(jié)構(gòu)通道只可設(shè)于船中處，且位置盡可能高，破損時，此位置不會被浸沒，也就是干燥區(qū)。

2.3.2 管路布置對船舶性能的影響分析

透氣管路及透氣頭互相獨立，均橫向穿往船中心線，消除了由舷側(cè)區(qū)域破損帶來的連帶進水風險，且所有透氣頭經(jīng)計算均在該船的干燥區(qū)域內(nèi)，即船舶只要不是傾覆式破損，水位是無法達到該通道，不會產(chǎn)生透氣頭被浸沒而倒灌海水的風險，如圖7所示。破損后，船舶無論如何晃蕩，水線都是無法到達通道區(qū)[5]。經(jīng)計算，其船舶性能優(yōu)良等同于方案二。

2.3.3管路布置對船舶功能的影響分析

該布置消除了露天甲板面上所有的壓載艙透氣頭，避免了所有連帶進水的可能，減少安全隱患。船舶性能與功能均較優(yōu)。經(jīng)核算，該方案滿足本船最大載貨能力12 000 t。

3? ? 方案對比

該船透氣管路設(shè)計逐步優(yōu)化，直至達到最滿意方案。方案三的設(shè)計目前已成功運用到實船，屬于業(yè)內(nèi)創(chuàng)新設(shè)計，得到船東及船級社的認可。表1為三種方案比較，列出了各方案的優(yōu)缺點。圖8為各方案性能曲線比較，方案三的裝載安全區(qū)域明顯大于其他兩個方案。

4? ? ?結(jié)束語

在船舶設(shè)計過程中，船舶安全性能與船舶功能息息相關(guān)，其水密艙透氣管布置與其穩(wěn)性密切相關(guān)。本文針對有大甲板面需求的大型工程船，梳理其透氣管路設(shè)計思路，使其達到性能與功能優(yōu)化。希望本文的研究，能夠?qū)罄m(xù)船舶的設(shè)計及研發(fā)提供思路及參考。

參考文獻

[1] 盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理（上冊）[M].上海：上海交通大學出版社，2003.

[2] 國際海上人命安全公約[S].北京：人民交通出版社，2009.

[3] 國內(nèi)航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則[S].北京：人民交通出版社， 2011.

[4] 中國船舶工業(yè)集團公司.船舶設(shè)計實用手冊：總體分冊[M].北京：國防工業(yè)出版社， 2013.

[5]? SOLAS 2009分艙與破損穩(wěn)性要求實施指南[S].北京：人民交通出版社，?2009.

作者簡介：胡? 敏 （1978- ），男，工程師。主要從事船舶總體設(shè)計。

林玉璋 （1979- ），男，高級工程師。主要從事船舶總體設(shè)計。

收稿日期：2022-11-17