大型起重鋪管船穩性特點與船型設計

毛建輝 顧解忡 周 健

（1.上海交通大學 上海200030； 2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

隨著海洋油氣開發和大型海上工程的發展，大型起重船作為必不可少的工程船舶，近幾十年來有了長足的發展。特別是進入21世紀，由于國際油價持續走高，近年來各國對海洋油氣資源的開發利用方興未艾。大型起重船作為海洋油氣開發過程中的重要裝備也越來越受到大家的重視，而且逐漸向大型化、專業化方向發展。其中大型半潛起重船（SSCV）雖然外表粗笨，但起重量巨大（最大起重量達1.4萬噸）、環境適應性強（高穩性、對海浪的敏感度低）。該船造價昂貴、數量稀少，成為工程船家族中頗具特色的一員。半潛起重船（SSCV）具有起重船和半潛平臺的雙重船型特點，高穩性是其最重要的特點之一，本文就其穩性特點以及與船型和主尺度的關系進行簡要闡述。

穩性對船舶的重要性是眾所周知的，而大型起重船作業工況的穩性尤為重要，例如“華天龍”號起重船的起吊質量達4 000 t。當重達4 000 t的重物懸掛在甲板以上約100 m的高度時，其對全船重心高度乃至穩性的影響是巨大的。并且由于起重機設在船尾，起重機自重加上起吊載荷共1萬多噸全部集中在船尾，而且船舶作業時要將縱傾角和橫傾角控制在起重機工作范圍內，因此，對船舶浮態和穩性的控制成為大型起重鋪管船總體設計的關鍵技術。

1 大型起重船作業特點［1］

大型起重鋪管船在起重作業時，具有以下特點：

（1）由于在大型起重船上，主起重機的質量約占整個空船質量的20%～25%，同時起重機重心高度在甲板以上約30～40 m，因此，當起重機裝船后，將使整個空船重心高度比常規船提高40%～80%。

（2）在起重作業時，在短時間內需要起吊數千噸甚至上萬噸的重物，也就是在短時間內船舶排水量急劇增加數千噸甚至上萬噸；同時根據船舶穩性計算原理——重物的作用點應位于吊鉤以上的上滑輪軸心處，而該滑輪在起吊時，一般在水線以上至少100 m，因此使全船重心在短時間內提高很多。這些都對船舶穩性極為不利。

（3）當橫向起吊時，起吊重物的質量與吊幅的乘積將產生巨大的傾覆力矩，在短時間內使船舶產生的靜橫傾角達到7°～ 8°甚至更大。為保證船舶和起重機作業的安全（一般橫傾<5°、縱傾<2°），此時必須反向加載壓載水，以抵消吊重產生的傾側力矩。這樣將進一步增加船舶的排水量。

（4）當全回轉起重機帶載回轉時，巨大傾覆力矩的方向在短時間內發生改變，因此原來用于抵消吊重傾側力矩的壓載水也必須迅速調載，否則會進一步加劇船舶傾斜，并使起重機的回轉機構處于下坡運轉狀態，這非常危險，絕不允許。為了迅速調載，一般大型起重船的調載壓載泵容量都比較大，如4 000 t（回轉）起重船的壓載泵容量約 4×2 000 m3/h。［2］

分析起重鋪管船的上述作業特點，發現穩性和浮態控制最為關鍵。因此，在選擇船型和主尺度時必須考慮各種作業狀態下穩性和浮態的要求。

2 各船級社規范對起重船作業穩性的要求［3］

目前各船級社規范對起重船作業穩性的要求不盡相同。

我國《國內航行海船法定檢驗技術規則》［4］對起重船作業狀態下的穩性有以下兩點要求：

（1）初穩性高度GM：

式中：GM為初穩性高度，并計及自由液面與懸吊重物對初穩性高度的影響，m；Mf為起重船承受的風壓傾側力矩，考慮風壓的高度修正影響并計入起吊載荷的受風面積，kN·m；Mh為旋轉式起重機起吊載荷傾側力矩，kN·m；Ml為船舶不對稱裝載傾側力矩，kN·m； 為起重船允許的極限靜傾角，（°），旋轉式起重船不超過5°為所核算裝載情況下的排水量，t。

（2）穩性衡準數Kc：

式中：lq為最小傾覆力臂，m；但不計橫搖影響；lf為風壓傾側力臂，m；Mh、Ml、與式（1）相同。

第（1）點是對初穩性高度的要求，實際上是要求船舶的初穩性高度能滿足在總的傾側力矩作用下，橫傾角不得超過5°?？偟膬A側力矩中包括風傾力矩Mf、起吊載荷傾側力矩Mh和不對稱裝載力矩Ml。為了安全起見，Mf應取與Mh同向，通常將反向壓載力矩歸入Ml，即Ml與Mh方向相反。在理論上，如果船舶排水量和壓載水艙艙容允許，Ml可加到足夠大甚至與Mh相同，則該項衡準就蛻變為初穩性高滿足在風傾力矩作用下，橫傾角不超過5°，從而排除對起吊載荷的約束。

第（2）點是對穩性衡準數的要求。與普通船相比，在傾側力臂中加入了起吊載荷傾側力臂和不對稱裝載傾側力臂。同樣，若使Ml與Mh大小相等、方向相反，則該項衡準與常規船無異，也排除了對起吊載荷的約束。

綜上所述，國內法規對起重船作業穩性的要求，實質上主要是對抗傾調載能力的要求，只要提高抗傾調載能力，就可增大起吊力矩，因此沒有直接限定船舶的起重能力。當然，由于起吊載荷的重心較高，吊重增大本身會降低初穩性高GM和最小傾覆力臂lq，從而間接限制了起吊載荷不可能無限增大。

國外船級社中，美國船級社（ABS）MOU規范［5］對起重船的作業穩性有特殊要求。起重船在起吊作業應用反向壓載情況下，當起吊載荷突然失去時應滿足如下要求：

（1）起吊載荷突然失去前的靜平衡角θL（起吊傾覆力矩曲線與起吊載荷失去前復原力矩曲線的第一交點所對應的傾角）應小于甲板邊緣入水角。

（2）面積A2應大于或等于A1的1.3倍，如圖1所示。

圖1 失荷穩性曲線

（3）起吊載荷失去后的靜平衡角θE（起吊載荷失去后復原力矩曲線與無起吊載荷排水量下由反向壓載引起的傾覆力矩曲線的第一交點所對應的傾角）應不超過15°。

第（1）點是對船舶起吊載荷后的靜穩性復原能力的要求，也即船舶在起吊載荷后，起吊載荷和反向壓載量產生的傾側力矩使船舶橫傾角不能大于甲板進水角。

第（2）點是對船舶動穩性復原能力的要求。因為起吊載荷突然失去時，船舶迅速向壓載一側傾斜，在加速度作用下，具有很大的動能，在達到回復力矩與壓載傾側力矩相等的平衡點后還將繼續傾斜，直到回復力矩作的功完全克服傾側動能為止。一旦船型確定以后，船舶的動穩性性能就基本固化。所以，這一要求實際上是限制起重船的反向壓載量，即不能通過提高船舶的抗傾調載能力來無限制增大起重力矩。

第（3）點是對船舶靜穩性復原能力的要求，也即起重船所允許的最大反向壓載力矩不能大于橫傾15°時的穩性復原力矩。

ABS規范從動穩性和靜穩性兩個方面限制起重作業時的反向壓載力矩，從而限制船舶所允許的起重能力，確保船舶穩性安全。由于ABS對起重船的這一穩性衡準規則較科學合理，故DNV和GL等船級社也都采納類似的起重船穩性衡準要求。

3 船型和主尺度選擇分析

提高大型起重船的穩性，合理選取船型和主尺度是關鍵。

半潛起重船型（SSCV）由于具有較好的穩性和良好的耐波性，在大型起重船中優勢明顯。它主要有2個下浮體、多個立柱和上平臺組成。半潛起重船可以在左右兩舷各設置1臺起重機，因此其總起重量大，舷外有效吊距大。半潛起重船作業時，下浮體和部分立柱沉入水中，水線位于立柱截面，較小的水線面面積使波浪和流作用在平臺上的載荷大為減小，因而大大提高了在惡劣海況下的作業性能，而較大的水線面面積慣性矩又提供了平臺作業時所需的穩性。因此起重量8 000 t以上的大型起重船多采用半潛船型。

對半潛船穩性影響最大的是立柱數量及其形狀尺寸。立柱是聯結下浮體和上平臺的承上啟下的結構，立柱具有兩個作用：一是支持上平臺和上平臺設備和載荷，二是為保證平臺的穩性而提供足夠的水線面積。對半潛起重船來說，立柱水線面積的分布尤為重要。設計經驗和研究分析表明，半潛式起重船立柱的數量、形狀、大小、布置位置并不取決于結構強度，而主要由浮態、穩性和作業時的可變載荷所控制，首尾端的立柱還應兼顧作業性能、航行性能及波浪中的運動性能的影響。

立柱的凈高度（從下浮體甲板至上平臺底板）對運動性能及穩性都有很大影響。這一高度以水面為界分為兩部分，水下部分高度決定了下浮體的沉潛深度，對平臺的運動性能影響很大。水上部分高度即氣隙，也與平臺在波浪中的運動有關，決定了上平臺在設計海況下是否上浪，以及相應的結構設計要求。立柱高度對平臺的重心高度和平臺的最小進水角都有很大關系，從穩性角度而言這一高度應盡可能減小，但對運動性能（尤其對氣隙而言）則相反。

下面就以目前世界上現有半潛起重船來分析其主尺度的特點。目前世界上現有半潛起重船共5艘，其主要參數如表1所示。其中DB101為平臺改裝的單起重機半潛船型，對半潛起重船船型主尺度的研究并無典型意義，不作為我們的研究對象。

表1 現有半潛起重船主尺度參數［1］

Thialf設有8個立柱，每側4個，如圖2所示。立柱總長約占船長65%，立柱為帶圓角的矩形截面，從下到上形狀不變。為了使浮心后移，增大尾端2個立柱的水線面積，尾端立柱面積增大到其他立柱面積的1.8倍，同時也縮小尾部兩排立柱的間距。采取這些措施后，在作業吃水情況下的浮心位置位于舯后約3.50% 船長。

圖2 Thialf

Saipem 7000設有6個立柱，每側3個，立柱下部為矩形截面。由下頁圖3可見立柱上部（作業水線以上）向首尾方向擴大，水線面積大幅增加，主要用于提高承受變動載荷的能力。根據側視圖估計下部立柱總長度約為船長的50%，而上部增加到約65%。此外，立柱橫剖面上部內側呈45°斜角向上放出，這樣的處理不僅增大水線面積，在回轉起重作業時還能有效增大水線面慣性矩，從而提高復原力矩。

圖3 Saipem 7000

從上面兩個例子可以看出，立柱數量的選擇、主柱水線面面積的大小、形狀和立柱間的間距都是由穩性和浮態確定的。

4 實 例

現以某16 000 t半潛起重鋪管船為例，探討船型和主尺度與船舶穩性和浮態的關系。該船船尾設2臺8 000 t起重機（主船體外形見圖4），設8根立柱（左右舷各4根立柱），立柱總長度約占船長65%。立柱為帶圓角近似矩形截面，橫剖面內側作業水線以上約呈60°斜角向上放出。下面詳細分析各個立柱的特點。

圖4 深水半潛起重鋪管船

由于半潛起重船起重機的巨大質量和作業時的起吊載荷都集中在船尾。為保證浮態平衡，應使立柱的水線面形心盡量往船尾移動。因此船尾左右舷的2個立柱較大（長約39 m，寬約30 m），并與下浮體寬度保持一致，既達到增大尾部水線面積的目的，又有利于將上部起重機的載荷有效傳遞至下浮體。立柱內外側采用不對稱設計，外側采用大圓弧，與下浮體和上平臺對齊，這樣有利于增大回轉起吊作業時的有效舷外吊距和起重機載荷的傳遞。

首端立柱的形狀與下浮體和上平臺前端的形狀相一致，采用不規則形狀，下緣外側與下浮體甲板型線相吻合，上緣外側與上平臺邊線相齊，形成類似雙體船的兩個船首，以利于改善航行性能和波浪中的運動性能。這樣的船首處理，使半潛起重船不再完全形似半潛平臺，而更像是機動靈活的自航船。

中間共設4個立柱（左右舷各設2個立柱），長約37.0 m、寬約24.0 m。通過適當增加立柱數量，可使立柱之間的間距有更大的調節自由度，以便更好地控制作業時的船舶浮態，減小調載用的壓載水量，降低調載系統的復雜性。

另外，本船下浮體高度約15 m，上平臺高度約12 m。綜合考慮船舶穩性和運動性能，立柱的高度取20 m。此時作業吃水約27 m，船舶具有較好的穩性和運動性能。

單側橫吊和回轉吊作業時，將中間4個立柱內的壓載水艙作為調載水艙，進行左右對角調載。這樣不僅可提供抗橫傾調載力矩，還能改善起吊前后或回轉時的船舶縱傾。單機橫吊8 000 t 和帶載回轉90°時的調載過程示意圖如圖5所示。作業過程中船舶最大橫傾角約2.5°，最大縱傾角約1.2°，滿足起重機作業要求。單個作業步驟的最大壓載水調載量6 000 t，壓載系統選用4臺排量6 000 m3/h的調載水泵，可滿足回轉90°調載時間15 min的要求。

圖5 回轉吊作業調載示意圖

雙機尾吊聯合作業時，用船首和中后4個立柱內的壓載水艙作為調載水艙，調載過程示意圖如圖6所示。在16 000 t重物起升過程中，需從中后2個立柱將約8 000 t壓載水打到船首2個立柱，作業過程中最大縱傾角1.2°。根據壓載泵的配備情況，此操作可在15 min之內完成。

圖6 尾吊作業調載示意圖

本船橫向起吊作業時的失荷穩性的校核見圖7?？梢?，圖中a/b達到1.75，滿足ABS規范的要求。

圖7 失荷穩性校核曲線

5 結 論

本文分析研究了大型起重鋪管船的穩性特點，重點研究了半潛起重鋪管船的立柱數量、尺寸、形狀、高度等對穩性的影響，希望能對同類船舶的研究提供有益參考。

［1］ 鐘文軍，劉菊娥，王琮，等.大型回轉起重船技術特點與發展研究［J］.船舶與海洋工程，2012.01.

［2］ 陳雷，李含蘋.超大型起重船壓載調載系統研究設計［J］.船舶，2010.01.

［3］ 葛慧曉，何炎平，陳新權.起重船穩性衡準研究［J］.中國港灣建設，2010.03.

［4］ 中華人民共和國海事局.國內航行海船法定檢驗技術規則［S］.人民交通出版社，2011.

［5］ ABS.Rules for Building and Classing-Mobile Offshore Drilling Units （2008）［S］.American Bureau of Shipping，2009.

［6］ 中國船舶工業總公司.船舶設計實用手冊［M］.北京：國防工業出版社，1998.