8 000 HP深水三用工作船設計研究

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(中海油田服務股份有限公司，北京 101149;2.上海船舶研究設計院，上海 200032)

8 000 HP(5 920 kW)深水三用工作船是上海船舶研究設計院于2010年為中海油服船舶事業部設計的一型三用工作船，該船的研究設計工作是在總結以往三用船型的設計基礎上，消化吸收國內外優秀船型的優點，并根據船東提出的“設計任務書”的具體要求而進行優化設計。該船為海洋石油鉆井平臺作業及開發生產提供服務，能拖曳海洋石油鉆井平臺和工程作業船舶；給鋪管船、起重船等進行拋起錨作業；能為海上平臺供應多種甲板貨和液貨；能進行守護值班和營救作業，可搭載獲救人員100人；具有對儲油船及提油船進行拖帶、頂推和撈取油管作業，協助其進行提油作業。

本船航行于無限航區，滿足中國船級社(CCS)和中國海洋石油總公司對遠洋拖船、供應船、拋起錨船和油田守護船的有關要求和規定，其效果見圖1。

圖1 8 000 HP深水三用工作船外觀效果

1 船舶基本概況

1.1 船型和船級

該船為全焊接式鋼質船體，橫骨架式，具有一層連續主甲板。主甲板上設有一層長艏樓和一層短艏樓，第二艏樓甲板上設有三層甲板室，主甲板下設雙層底和局部平臺甲板，機艙區域為雙底雙殼。

該船采用四機、雙導管可調槳推進形式，設雙流線型懸掛式襟翼舵，海馬型球鼻艏，前傾式船艏，方形圓角/巡洋艦式船艉，在船艏、艉設有管狀式側推裝置，船艉設有艉滾筒，配備一臺2 500 kN雙卷筒液壓拖纜機，長艏樓后的主甲板設有甲板載貨區和作業區。

該船(包括船體、輪機、電氣及特種設備等)均按中國船級社(CCS)現行規范和規則進行設計、建造和受之檢驗，并取得下列船級符號。

①CSA Offshore Tug / Supply Ship，Stand-By Ship，Anchor Handling，Ice Class B，In-Water Survey；

②CSM AUT-0。

1.2 主要要素及總圖

該船主要要素見表1，總布置圖見圖2。

2 主要作業功能

2.1 供應作業功能

2.1.1 甲板貨供應

該船主甲板中后部設有甲板載貨區域和作業區域，區域尺寸：長×寬=38 m×12.8 m，總面積約為480 m2。該區域兩舷設置2 000 mm高擋貨欄桿，中間鋪80 mm厚的防腐梢木木甲板，可裝載鉆井物資和材料、鉆井鋼管、鉆桿、平臺生活用品等甲板貨750 t。甲板均布負載按50 kN/m2(距艉端10 m范圍內100 kN/m2)設計。在載貨區前部設置2臺100 kN臥式液壓移貨絞車，對貨物進行管理和綁扎。

表1 主要技術要素

圖2 總布置圖

2.1.2 液貨供應

該船可向平臺供應鉆井淡水、淡水、鉆井泥漿、鹽水、柴油、散裝水泥、重晶石、土粉等。該船配置了多臺大排量對外供應液貨泵和管路系統。

隨著海洋平臺物資供應需求的不斷增長，國際海事組織為近海供應船運載危險液貨制定了規則。本船滿足經MSC.236(82)和MEPC.158(55)決議修正的IMO A673(16)號決議——《近海供應船散裝運輸和裝卸有限數量有害有毒液體物資指南》的要求，該決議適用于2006年12月1日或之后安放龍骨的所有近海供應船。 本船所裝鉆井泥漿和鹽水屬于該指南附錄1允許載運產品表中油基泥漿、水基泥漿和鉆井鹽水，其閃點大于60 ℃，屬于不可燃液貨。該船鉆井泥漿艙以及清洗污水艙與船殼板之間具有大于760 mm的間隔。泥漿艙和鹽水艙的艙底污水系統與船用排水系統獨立分開。此外，該船到貨物區域內處所的出入口符合國際散裝化學品規則的要求。該船可以取得《近海供應船散裝運輸有限數量有毒有害液體物資適裝證書》。

該船燃油艙總容積為755 m3，燃油艙與船體外殼距離滿足IMO MARPOL公約的要求：“如果燃油艙總艙容超過600 m3，則該船燃油艙必須設置雙殼保護?！?/p>

2.2 海上拖帶作業功能

該船在主甲板上設置一臺2 500 kN的雙卷筒液壓拖纜機，供拖帶使用。該船能夠拖曳海洋石油鉆井平臺、大型起重船、大型下水駁船和工程作業船舶。該船在主甲板上中后部船中心線處設有可拆式拖曳限位眼板一個，拖纜機的主拖纜穿過拖曳眼環后進行拖帶作業，當不執行拖帶作業時，可將此拖曳眼板拆移存放。

2.3 拋起錨作業功能

該船在主甲板上設一臺2 500 kN的雙卷筒液壓拖纜機，高低布置雙卷筒，拖纜機工作負載2 500 kN(第一層)，每個卷筒容繩直徑×長度=70 mm×1 500 m，主拖纜破斷負荷2 700 kN,拖纜機可在駕駛室后駕控臺上遙控操縱，也可在機旁操縱，拖纜機能用于海上拖航作業和起拋錨作業。

在主甲板艉部設一套升降型組合式液壓鯊魚鉗/擋纜樁裝置，安全工作負載3 500 kN，適用鏈索直徑50～102 mm，液壓擋纜樁安全工作負載為1 500 kN，鯊魚鉗和擋纜樁在工作時伸出甲板。在船艉端設一臥式圓筒形艉滾筒，工作直徑×長度=2.4 m×5.4 m，安全工作負荷3 500 kN。在艉部的液壓鯊魚鉗/擋纜樁和艉滾筒之間的鋼甲板作特別加厚處理，并在艉部與艉滾筒連接的主甲板中間設置與艉滾筒工作寬度相適應的木甲板夾層鋼板滑道[1]，鋼板滑道寬4.8 m，鋼板滑道上表面鋼板與木甲板的鋼質壓板平。使船舶能方便地為海上石油平臺提供快速高效的拋起錨作業服務。

深水拋起錨設施布置圖見圖3。

圖3 深水拋起錨設施布置示意

2.4 油田守護作業功能

該船具有油田守護值班和營救作業能力，可搭載獲救人員100人。在主甲板中后部設置營救作業區，并設置直升機懸停區，寬敞的甲板面積適合直升機提升吊籃營救人員和接送上下班工作人員。此外，該船配備玻璃鋼高速救助工作艇，能使落水人員得到快速安全營救。

3 性能研究

3.1 快速性

該船屬于中高航速船舶，對航速要求較高，一般需要較大的船長與船寬的比值。根據平臺守護和營救作業特點，該船的操縱性要求較高，同時為平臺供應甲板貨750 t，對最大吃水時船舶排水量和穩性要求較高，這就需要較小的船長與船寬比值。當同時考慮快速性、操縱性和穩性，需要對船舶的線型進行論證和優化。當船舶主尺度和主機功率一定的情況下，船舶所受阻力的大小、推進效率高低與船舶線型設計優劣有很大關系。因此線型設計是船舶快速性研究的一項重要內容。

利用CFD軟件計算并優化線型，并選擇最優線型進行了船模試驗。

設計狀態實船航速預估如圖4所示。當主機功率為100%MCR，軸系效率為0.95，吃水4.8 m時，實船航速為14.81 kn[2]。

圖4 實船航速預估

對該船進行船模伴流試驗，軸向伴流等值線見圖5。由圖5可見，軸向伴流比較均勻，基本沒有高伴流區，伴流峰值控制在0.5之內，雖然在靠近槳軸中心的位置有很小區域的高伴流區，由于區域較小，并且位于槳軸中心處，對艉部伴流場基本沒有影響。

該船艉部伴流場分布較均勻，不僅降低了船舶阻力，而且還改善了螺旋槳上方和前方區域的來流[3]，使螺旋槳對船體產生的激振力控制在較為理想的范圍內。

圖5 軸向伴流等值線(Vs=14.81 kn)

3.2 耐波性

該船的任務之一是守護在海上石油平臺附近，即使在惡劣海況下也一樣，因此在主甲板下配備了具有減搖效果的平面被動式減搖水艙。

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在減搖水艙內沿寬度方向布置兩排直徑為220 mm的圓柱作為阻尼格柵，兩排格柵橫向間距為6 700 mm。為了分析阻尼格柵密度對減搖效果的影響，減搖水艙評估計算中分析了3種格柵配置形式，減搖水艙主尺度及參數見表 2，減搖水艙隔柵配置形式見圖6。

表2 減搖水艙主尺度及參數

圖6 減搖水艙隔柵配置形式

選取典型裝載工況的減搖水艙減搖效果進行分析，見圖7。

圖7 不同隔柵方案橫搖運動響應

不同隔柵方案橫搖運動響應，在曲線峰值處，Config.3在大部分頻率范圍內的RAO值均最小，Config.2次之，而Config.1最大。由此可見，3種阻尼格柵配置方案中Config.3減搖效果在大多數情況均高于Config.2，而Config.1減搖效果最差。綜合計算結果，并考慮到減搖水艙內其它構件(如扶強材等)所引起的阻尼，最終選用Config.2方案[4]。

Config.2方案的計算結果顯示，典型裝載工況的最大減搖率為34.4%。

3.3 完整穩性

該船完整穩性是依據IMO IS CODE 2008、國際海船法規2008年版及其修改通報的有關要求進行穩性核算。

1)在進行拖帶作業時，應滿足國內航行海船法定檢驗技術規則(2011)對拖船的要求來校核穩性。

2)在作海上自由航行時, 航行于無限航區，應依據IMO IS CODE 2008對貨船的要求來校核穩性。

3)在進行海上救生作業時，搭載獲救人員100人，應滿足海上獲救人員集中一舷的穩性要求。

5)抗風能力滿足12級風穩性要求。

6)拋起錨穩性應滿足CCS(2013年)通函 關于“錨操作”(anchor handling)附加標志對穩性要求。

3.4 破艙穩性

1)依據IMO MSC.235(82)“近海供應船設計和建造指南 2006”規定進行計算。

2)#24～#87雙層底延伸到舷側，其它部位的雙層底沒有延伸到舷側，根據SOLAS B-2部分第9條貨船雙層底來核算其雙層底破損情況是否滿足規范要求。

4 船員舒適度

船舶正常航行時，噪聲水平應保持在IMO A468 (XII)決議《船上噪聲規則》推薦值范圍內。船體艙室噪聲計算采用經驗公式法進行，該方法比較簡便實用，主要是根據艙室距離聲源的距離和甲層數確定噪聲的衰減量，該方法的主要內容包括：噪聲源的確定、結構噪聲傳播計算、空氣噪聲傳播計算、噪聲級合成等[5]。

在基本設計過程中，對船體艙室噪聲進行計算，以便在該船設計階段了解船體艙室噪聲水平，并使之能滿足IMO決議A.468 XII的噪聲要求，船體不同區域艙室噪聲限值見表3。

表3 艙室噪聲限值 dB(A)

通過艙室噪聲計算可知，部分計算值略高于標準限值。因此，在詳細設計過程中，在主機、輔機基座四周以及艏側推槳四周敷設阻尼材料，對于平臺甲板集控室、健身房和主甲板醫務室、廚師室等艙室內的甲板敷設阻尼材料，以達到噪聲控制的目的。

在船舶線型設計過程中，對船體艉部線型進行了優化設計，艉部線型設計時增大螺旋槳與船體的間隙，使船體縱剖線曲率變化盡量緩和，避免水流分離。改善螺旋槳前方的不均勻伴流場，減少螺旋槳激振力。

優化船艉附體形狀，對螺旋槳前方的人字架進行優化設計，前傾10°，增加人字架與螺旋槳之間的距離，改善船艉伴流場，減少船體振動。船艉附體形狀見圖8。

圖8 船艉附體形狀

依據主機、螺旋槳和艏艉側推參數進行初步振動估算，利用挪威船級社(DNV)的“船舶有害振動預防指南”進行結構固有頻率的計算[6]。根據計算結果，對局部相對較弱的艙壁結構進行加強。

上層建筑和甲板室的振動與否直接關系到船舶舒適性。在進行上層建筑和甲板室的設計時，應同時計算規范強度和結構振動固有頻率，確保上層建筑和甲板室結構布置的合理性。

5 結論

1)在線型設計時，著重優化艏部和艉部線型，利用CFD軟件進行船舶阻力理論計算，選取最優線型進行船?？焖傩栽囼灪桶榱髟囼?。

2)船艉附體設計的優劣在很大程度上影響船舶阻力和船艉伴流場，尤其是船舶艉部人字架的尺度、安裝角和位置將會直接影響船艉伴流值的大小和分布，在今后設計類似船型過程中，人字架的安裝位置應盡可能遠離螺旋槳的前端，剖面形狀做成機翼形。這樣既可以減少附體阻力，也可改善船艉伴流場。

3)對裝載有限數量有毒液體貨品的船舶，應滿足IMO A673(16)號決議——《近海供應船散裝運輸和裝卸有限數量有害有毒液體物資指南》的要求。

①對裝載有限有毒液體貨品的艙室應與起居處所、飲用水和生活消耗品分隔開。

②到貨物區域內處所的出入口應符合國際散裝化學品規則的要求。

③泥漿艙和鹽水艙的艙底污水系統與船用排水系統應獨立分開。

④貨物區域處所的通風應執行國際散裝化學品規章第12章的要求。

[1] 周國平，閆秋蓮.10 000 kW深水動力定位工作船設計研究[J].船舶工程，2012，34(3)：6-9.

[2] 張建武.8 000 HP深水三用工作船模型快速性試驗報告[R].上海：702研究所，2013.

[3] 閆秋蓮，李衛華，楊佑宗.10 000 kW多功能守護船振動分析與改造[J].中國造船，2013，54(4)：38-44.

[4] 鄒 康.8 000 HP深水三用工作船減搖系統評估報告[R].上海：上海船舶研究設計院，2013.

[5] 郭 列.8 000 HP深水三用工作船船體艙室噪聲計算[R].上海：中國船舶科學研究中心，2013.

[6] 曹 健.8 000 HP深水三用工作船振動評估[R].上海：上海船舶研究設計院，2013.