“發展之路”號自航半潛船船體改裝設計研究

張 弩 宗 智 林 哲

大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室 運載工程與力學學部船舶工程學院，遼寧大連 116024

“發展之路”號自航半潛船船體改裝設計研究

張 弩 宗 智 林 哲

大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室 運載工程與力學學部船舶工程學院，遼寧大連 116024

半潛船是專門運輸無法分割的大型整體設備的高技術含量、高附加值船舶，在世界上為數不多。特別是改裝半潛船，受到的限制較多，加之船型特殊，國內外可供參考資料缺乏。“發展之路”號是世界首艘由液化石油氣船改裝而成的自航半潛船。概述了該船的主要技術性能和特點，從總布置、結構強度、穩性等方面介紹了該船在改裝設計中的難點和要點，為此類船舶的改裝設計提供了新的思路。

半潛船；改裝；設計

1 引言

“發展之路”號是世界首艘由液化石油氣船（LPG）改裝而成的自航半潛運輸船，由中交國際航運有限公司投資，大連理工大學全面負責設計，入級中國船級社，屬于重大裝備改造。該船于2010年1月22日駛離山海關船廠，在經過10余天的處女航后，于2月2日由韓國釜山啟航駛回，2月6日順利抵達天津港。圖1所示為 “發展之路”號自航半潛船。

半潛船是專門運輸無法分割的大型整體設備的船舶。其工作原理是通過注入壓載水將舉升甲板潛入水中，待貨物浮移至半潛船的舉升甲板上，再排出壓載水使船上浮將貨物“托起”并固定，運送到指定位置［1－3］。 半潛船屬高技術含量、高附加值船舶，在世界上為數不多，特別是改裝半潛船，受到的限制較多，國內外可供參考資料缺乏。而在“發展之路”號的改裝中，原船按照日本船級社規范設計，改裝則要按照中國船級社規范進行設計，改裝難度很大。

2 原船概況

該船的原型是1983年在日本川崎重工業有限公司船廠建造的液化石油氣船（LPG）。主要參數見表1。

表1 原船主要參數Tab.1 Main dimensions of the original vessel before conversion

3 改裝船的主要參數和特點

3.1 船 級

本改裝船的船體（包括設備）、輪機（包括設備）由中國船級社（CCS）審圖和檢驗，并由中國船級社授予以下符號和附加標志：

★CSA ★CSM，Semi－Submersible Vessel。

3.2 主要參數

本改裝船是一艘采用柴油機推進、航行于無限航區的半潛船。主要參數見表2。

表2 改裝船的主要參數Tab.2 Main dimensions of the converted vessel

3.3 潛浮性能

本船利用壓載水系統能夠下潛的最大潛深為18 m。從設計吃水（9.3 m）下潛至最大潛深（18 m）的時間小于5 h；從最大潛深（18 m）上浮到設計吃水（9.3 m）時，所需時間約為 4 h。

3.4 裝卸貨性能

本船通過上浮／下潛的方法裝卸漂浮貨物，如近海裝置、工程挖泥設備、無動力的船舶等。貨物甲板總長約為130 m，最大船寬38 m，甲板可利用面積約為 4 800 m2，最大設計載荷為20 t／m2。在裝卸貨物過程中，利用船上的4臺絞車對漂浮物進行定位。

3.5 航行性能

本船為柴油驅動、常規軸系傳動、螺旋槳推進。在設計吃水9.3 m 時，航速大約為16.47 kn。

4 改裝設計要點

4.1 總布置

半潛船突出的特點就是載貨 （舉升）甲板較低。因此在改裝設計時，需要切除原船主船體部分結構，使船體側投影呈凹形，如圖2所示。本船改裝設計中切除原船FR50～FR93、距基線12.71 m以上主船體結構和管路，設置雙層縱骨架式水密甲板。又分別加裝5道從舉升甲板至雙層底的橫艙壁。在左右舷艙距船中7.895 m處，各新增一道水密縱壁。這樣原船的液貨艙、壓載水艙和艏艉尖艙等將被改裝為改裝船的44個壓載水艙。

從載貨考慮，改裝船需要較大的船寬，而原船船寬較小。改裝設計中在FR48～FR94貨物甲板兩舷側加裝寬度為2 m水密浮箱，使甲板寬度從34 m增加至38 m，如圖2所示。同時，浮箱作為邊輔助壓載水艙的一部分，增加了壓載水的容積，可以參與船舶的下潛操作。而正常航行時，水密浮箱在水線以上，不會對船舶的航行產生過多的阻力。

為滿足2009年1月1日生效的SOLAS公約［4］環保標準的防污染要求，將燃油艙由兩舷改裝至船中，并設計為雙底雙殼。燃油艙改裝設計中，同時兼顧了原供油管路利用、壓載水艙布置以及改裝工作量等問題。

半潛船需要承載海洋工程作業機械、海洋石油開采平臺等大型海洋工程構件。從駕駛室視線的角度考慮，新設計半潛船的上層建筑一般在船首。而原船的上層建筑在船尾，因此改裝船在船首增加了輔助瞭望臺。

本船所能提供的全部壓載水的艙容 （所有可能用做壓載水艙的貨艙空間）只能將船體壓載到14.5 m處的吃水，達不到下潛18 m的要求。為此，需使用總重大約3 800 t固體壓載，置于雙層底內部。如圖3所示。

4.2 總縱強度

由于本船改裝設計中切除原船部分主船體結構，使總縱強度受到很大損失，如圖4折線所示截面都是結構強度較弱的截面。因此需要像4.1節所述加裝5道橫艙壁和兩道縱壁，并且縱艙壁向艏艉延伸，提高結構強度。在切除原船部分主船體結構時，本船并沒有在原船分艙處切割，而是前后各切了半個艙，這是為了保持艙壁的連貫性，避免應力集中。

切除原船部分主船體結構，使得改裝船的船寬型深比大于2.5，因此不能用“鋼質海船入級規范2006”［5］的規定來計算波浪載荷。在設計中，采用大連理工大學編制的計算程序對波浪載荷進行了直接法三維頻域計算分析，并根據IACS推薦的海浪譜及方法給出了長期預報極值，為結構的設計提供了依據。事實證明這種計算方法行之有效，可以在半潛船設計中進行推廣。

4.3 局部結構強度

原船的設計吃水是12 m，而新改裝船下潛的最大沉深為18 m，因此對局部結構強度的要求增大，原船的一些構件強度不再滿足規范要求，需要重新計算，并對構件進行相應的增厚，變水密等處理。根據《鋼制海船入級規范2006》，最大壓差水頭高系指半潛船在工作沉浮過程中，船體結構某處所承受的內外最大水面差所形成的水頭高。所以在改裝設計時，需計算船內壓載水位與船外水面差值隨半潛船吃水的變化，確定最大壓差水頭高。圖5所示的兩組曲線，分別給出半潛船空船下潛和載貨下潛時輔助壓載艙內水面與舷外水面高度差情況。

其中需要提出的是，日本船級社（NK）的規范《Rules and Guidance 2007》［6］要求對純壓力水頭進行驗證，如果按照NK規范，本船的很多構件強度并不滿足強度要求，事實也證明了NK規范中對純壓力水頭的要求偏于嚴格。

對于本船，在船中0.4 L區，各艙最大壓差水頭高不超過9.4 m。固體壓載區下潛深度按最大沉深18 m計算，固體壓載高度取為1.5 m，密度取為4.3 t／m3， 則在固體壓載區其計算壓頭取為 d＝18 － 4.3 × 1.5 ＝ 11.6 m。

機艙區通過結構強度有限元計算進行校核。

經局部強度計算校核后，本船局部結構做出的改裝主要有：

1）設置縱骨架式舉升甲板和縱骨架式下甲板；

2）距基線3 530 mm增設縱骨架式平臺；

3）FR44～FR45的燃油艙設水密內側壁，內底板改為水密；

4）在FR59、FR71及FR83處設置水密橫艙壁至左右兩舷，相應位置處的實肋板改為水密肋板；

5）在FR50和FR93處增設橫艙壁，舉升甲板以下為非水密；

6）在FR12～FR44的機艙區域的船底外板增厚；

7）雙層底區域，加密平板龍骨縱骨，以及增厚載貨區雙層底實肋板厚度等。

4.4 全船結構有限元計算

由于改裝船的船寬型深比大于2.5，按照《鋼質海船入級規范2006》的規定，船體強度必須采用有限元直接計算確定。根據半潛船的改裝設計圖紙和分析的需要，建立半潛船的全船有限元模型，用于分析半潛船在各種工況下的總縱強度。建模使用 MSC.PATRAN， 分析程序是 MSC.NASTRAN。模型采用具有拉壓、扭轉和彎曲能力的殼單元模擬板結構，采用具有拉壓、扭轉和彎曲能力的梁單元模擬型材結構。整個模型共計128 616個節點和273 736個單元。

以壓載出港工況為例，此種工況下船體受到的載荷包括：半潛船的自重（包括龍骨墩）；90%燃油、滑油及淡水；特定吃水下的外部靜水壓力；特定吃水下且半潛船壓載航行時，壓載水的內部靜水壓力。這里僅列出該工況下全船、船舯的Von Mises應力和x方向應力云圖，以及船首、船尾的Von Mises應力云圖，見圖6～圖8。根據分析結果，結構的總強度在計算載荷作用下滿足強度要求。

4.5 穩 性

和普通船相比，半潛船的靜水力曲線最大的特點是存在著非常明顯的間斷。本船的靜水力曲線如圖9所示，間斷發生在距基線12.71 m的貨物甲板入水處，在該吃水處，除了縱向浮心位置（LCB）以外，所有靜水力參數在形式上均有所變化。

由于半潛船的船型特殊，經初穩性計算，半潛船在下潛時初穩性變差，其中貨物甲板出（入）水的時候初穩性最差［7］。半潛船通常用來運載昂貴的海洋結構物，出（入）水時船體的初穩性直接關系到貨物的安全，因此需要最大限度地改進此時船體的初穩性。而且經計算論證，在出（入）水階段，初穩性可以通過使船舶保持一定的縱傾來加以改善。縱傾能夠增加橫穩心高，減緩水線面面積的突變程度，增大水線面面積，從而提高初穩性。同時，必須要限制半潛船作業時的海況。

而對于破艙穩性，目前國際上尚無針對半潛船的規范約定，半潛船的載貨特性決定了其屬于目前ICLL66規范［8］中的B型貨船。按SOLAS規范，該類型船舶的破艙穩性應采用概率方法進行校核計算［9－10］。 由于正常航行時，半潛船的貨物是放在甲板上的，而不是在艙內，因此，半潛船的主要艙室幾乎都是壓載艙。同時，為了方便壓載水的調整，本船共有44個壓載水艙，眾多的壓載水艙給破艙穩性的計算帶來了很大的困難。根據目前的SOLAS規定，破艙穩性的核心是計算不同艙室以及它們不同組合發生破壞時的穩性。隨著壓載水艙的增多，可能的破損組合數成指數增加，破艙穩性的計算就越困難［11］。考慮到船舶上浮和下潛時可能遇到的復雜多變情況，為確保萬無一失，本船使用概率法計算半潛運輸船的破艙穩性，計算了多達990多種的工況。

5 結論

本文介紹了“發展之路”號改裝自航半潛船的主要技術性能和改裝設計要點。改裝半潛船的船型非常特殊，又受到了原船很多方面的限制，改裝設計工作的困難很多。本船在改裝設計中的創新點包括以下幾個方面：

1）總布置——在貨物甲板兩舷側加裝了水密浮箱，增大了甲板寬度，同時浮箱作為邊輔助壓載水艙的一部分，也增加了壓載水的容積。船首增加了輔助瞭望臺用于輔助裝卸貨時的瞭望。

2）結構強度——對波浪載荷進行了直接法三維頻域計算分析，并根據IACS推薦的海浪譜及方法給出了長期預報極值。對全船結構進行了有限元直接計算分析。

3）穩性計算——使用概率法計算半潛船破艙穩性，采用2009年1月1日公布的SOLAS公約，滿足了最新防污染要求。

由于半潛運輸船規范、檢驗規則尚處于摸索階段，特別是改裝半潛船，受到了更多的限制，“發展之路”的改裝設計的成功為此類船舶的改裝設計提供了新的思路，也為海事部門完善船舶規范、檢驗規則積累了新的經驗。

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［6］Rules and Guidance 2007 ［S］.Class NK，2007.

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Hull Conversion Design of a Self-Propelled Semi-Submersible Vessel Known as Development Way

Zhang Nu Zong ZhiLin Zhe
School of Naval Architecture Engineering， Faculty of Vehicle Engineering and Mechanics， State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China

The semi-submersible vessel is designed as an efficient transportation specifically used to carry large－scale undividable integral equipment， which is regarded as the high－tech and high value－added vessel in the shipbuilding industry.This kind of semi－submersible vessel nowadays is rarely in service worldwide.The “Development Way” identified so far as such kind of semi－submersible vessel was the first self－propelled vessel in the world which was originally converted from a LPG carrier.Many restrictions imposed on the conversion activities of such LPG carrier due to lack of relative reference and experiences on the design.This paper presents a description of this conversion designed LPG carrier with respect to the main technical performance and features，together with the aspects including general arrangement， structure strength， stability and design difficulties facing in the conversion design.

semi－submersible vessel； conversion； design

U672.6

A

1673－3185（2011）01－30－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.01.006

2010-03-21

創新研究群體科學基金：海洋環境災害與結構安全防護（50921001）；國家重點基礎研究發展計劃項目：復雜裝備研發數字化工具中的計算力學和多場耦合若干前沿問題課題資助（2010CB83270）

張 弩（1984－），男，博士研究生。研究方向：船舶與海洋工程結構物設計制造。E-mail：zhangnu＠yahoo.cn

宗 智（1964－ ），男，教授，博士生導師。 研究方向：船舶與海洋工程。 E-mail：zongzhi＠ dlut.edu.cn