“華西900”起重/鋪管船改造設計

韓紹湖

(天津濱海博泰海事工程技術有限公司，天津 300451)

“華西900”起重/鋪管船改造設計

韓紹湖

(天津濱海博泰海事工程技術有限公司，天津 300451)

文章介紹了起重/鋪管船“華西900”在改造設計工作中主要的船舶性能、作業要求、改造后遵循的規范標準、改造方式以及錨泊定位系統改造等內容。

起重/鋪管船改造;錨泊定位；設計

“華西900”起重/輔管船為單一起重能力900 t的全回轉起重船，由于海洋工程結構物的大型化、深水化發展以及近岸海洋工程市場低迷，該船已經失去了競爭能力。船東根據對我國渤海、東海以及東南亞海洋工程市場的調研情況，決定改造此船，增加鋪設單節點鋪管作業線、增加40名作業人員并對原船主吊機加以優化，使其起重能力達到1 000 t以上，并具備起重、鋪管、居住三重能力。

1 船東的改造要求

1.1 航區以及作業環境

本船定位于中國東海、渤海以及東南亞、波斯灣等淺水海域進行作業，航行及作業水域的限制條件如下。

1)無限航區拖帶調遣。

2)鋪管作業環境：作業水深8～200 m；波高2.5 m；風速17.2 m/s；流速1.286 m/s。

3)起重作業環境：作業水深8～150 m；波高2.0 m；風速10.7 m/s；流速1.286 m/s。

1.2 鋪管作業能力(單節點)

鋼管管徑范圍(含涂層)，101.6～1 524.0 mm ；管節長度，12.20 m；最大鋼管質量，≤30 t；甲板整體存管約3 000 t。

要求本船設置鋪管主作業線8個站。其中包含對中焊接站1個，焊接站3個，NDT焊接檢驗站一個，噴砂防腐站3個。

1.3 起重作業能力

艉吊固定，1 050 t；全回轉，400 t。

1.4 船級社及掛旗國

要求本船入級美國船級社，懸掛新加坡旗，并取得如下船級符號：ABS★A1, Barge ,Circle-E, Circle-M, Crane CRC, Accommodation, Pipe Laying, HELIDK。

2 改造設計思路及方案制定

“華西900”原船為雙底、雙舷側散貨船，改造為非自航、縱骨架式900 t能力的全回轉起重駁船，設單層強力甲板，雪橇形船首，折線形船尾，舭部設有圓弧。900 t起重能力的全回轉起重機位于艉部，船首設有4層能容納198名船員及施工人員(特種人員)起居的居住甲板室以及駕駛室，直升機平臺位于艏部居住甲板室上方。設于艉部的2只舵槳推進器用于本船作業時進行短距離移位以及輔助調遣航行。該船主要從事海岸港口、橋梁以及人工島建設、海洋工程等起重安裝作業。原船入級意大利船級社并持有特種用途船證書。

原船主要尺度及參數：總長，134.80 m；設計水線長，134.80 m；型寬，32.26 m；型深，10.30 m；設計吃水，6.10 m；結構吃水，6.80 m；船員定員，68人；特殊人員，130人。

起重機具備旋轉、起升以及回轉能力，尾吊時主吊鉤能力，900 t×30 m；回轉吊時主吊鉤能力，400 t×30 m。

“華西900”原船外觀見圖1。

圖1 “華西900”原船外觀

根據船東對原船低成本改造原則，制定如下改造方案。

1)在原船的右舷增加約8 m寬的船體安裝鋪管作業線，保持原船的長度和型深不變。在新加船體的船尾布置固定式托管架。

2)在新加船體的頂部布置鋪管罩，以遮蔽鋪管作業。

3)對原船的艏樓甲板加以改造，切除并減小右舷的部分艙室改為鋪管作業區，艏樓甲板以上的四層甲板室保持不變。

4)使鋪管罩頂部與艏樓甲板平齊，艏部布置管線收放絞車、救生艇筏以及主吊機鉤箱、吊臂擱置架等；艉部布置托管架起升絞車；其余鋪管罩頂部設計為存放設備或貨物的載貨甲板。

5)根據美國船級社以及掛旗國新加坡的同意，避免船員艙室的重大改造，本船將持有海上移動平臺證書取代特殊用途船證書。

6)加寬的船體結構艏部考慮增加2臺75 t的錨絞車，使整船的錨泊定位絞車增加至10臺；鋪管作業線的所有變頻器控制柜、變壓器房布置在中部；其余艙室考慮為壓載水艙、調載水艙以及燃油艙等，新增邊艙的布置應考慮海上移動平臺規則對破艙穩性的要求以及燃油艙的保護。

7)在原船主甲板左舷設置管線儲存區，儲藏大約3 000 t的管子，并設有存管立柱加以支撐。

8)原船的錨泊布置根據規范適當調整；根據新的電力負荷將原船發電機更換為5臺康明斯1 450 kW的發電機。

9)對主吊機進行優化，使其最大起重能力達到1 050 t。

3 改造后總體布置方案及鋪管性能

3.1 總體布置

根據上述船東要求以及改造方案的原則，加寬船體增加鋪管作業線后的總體布置方案如下。

1)主船體加寬示意圖，見圖2。

圖2 主船體加寬示意圖

在原船體右舷加寬8.74 m，甲板上布置鋪管作業線及鋪管罩，甲板下設壓載艙、絞車艙、燃油艙、變頻器及變壓器室等；設有邊艙及雙層底；艉部設鋪管坡度為7°的局部甲板。

2)托管架及鋪管罩布置示意圖，見圖3。

圖3 托管架及鋪管罩布置示意圖

托管架：艉部布置2節托管架以保證8～200 m水深下，鋪設101.6～1 524.0 mm管線；托管架依靠布置艉部鋪管罩上2臺45 t起升絞車通過艉部門架進行收放。

鋪管罩：在新加寬主船體甲板上增設鋪管罩，高度7.4 m，覆蓋整個船長范圍，鋪管罩內鋪管設備總成及相關作業站參見下節“鋪管性能”。

船舶改造后，具備200 m以下水深鋪管、150 m水深以下起重的功能，同時利用現有的艙室布置將住艙人數由198人提高至238人，船寬由32.26 m加寬至41.00 m，其余尺度不變。

為降低改造成本，加寬的船體將在原船右舷側與原船焊接而成，此時原船右舷的外板將成為內部縱艙壁板。加寬船體與原船的連接位置見圖4。

圖4 船體改造后典型橫剖面圖

3.2 鋪管性能

本船的鋪管作業線為上海振華重工(集團)有限公司設計及制作，該作業線根據總體布置要求設置在主甲板的右舷側, 通過縱向輸送線、橫向輸送線和主作業線完成管段的焊接和輸送。

本船設置鋪管主作業線8個站，其中包含對中焊接站1個，焊接站3個，NDT焊接檢驗站1個，噴砂防腐站3個。鋪管作業線總成設備見表1。

表1 鋪管作業線總成設備列表

托管架的上面有滾輪組作為管線的支撐，當被鋪管線從船上徐徐向下進入托管架時，該滾輪組即為管線的下水滑道，管線通過托管架即敷設于海底。當敷設水深增加時，則托管架用于支撐管線離開船尾后的上彎段部分，而下彎段部分則仍按管線自然下垂彎曲敷至海底。

控制鋪管的主操作中心放置在駕駛橋樓甲板上的鋪管控制室內。控制臺有一個帶紅綠燈的模擬面板，以顯示每個工作站的情況。來自張緊器、管線收放絞車、對中站及托管架最后滾輪組的可視系統監視器等都集成在鋪管控制室內。作業線上的工作站都裝有由控制臺操作的聲光報警系統。管段移動過程中控制系統與電子報警系統相連(燈光與警鈴)。張緊器及收放絞車也在鋪管控制室和絞車控制室控制。

另外在鋪管罩內設有行車系統，并在相關作業站設有自動焊機、消磁機、坡口機、內對中器、無損探傷設備及涂敷設備等。

4 錨泊定位性能

本船應對起重狀態以及鋪管狀態的錨泊定位能力進行分析，鋪管船的錨泊定位與起重船有非常大的不同，鋪管船在作業時錨泊能力應考慮管線對船舶的拉力及風浪流對船舶產生漂移位拉力的聯合作用，錨泊能力比單純的起重船增加了很多，因此本船增加了2臺定位/移位錨絞車，共設置10臺750 kN電動變頻定位錨絞車。錨系分布在船的艏艉兩舷處，控制船舶的前進、后退及左右移位；以及完成沿鋪設管線的方向移位。

錨泊計算滿足船東要求的環境條件要求以及船級社對錨泊分析的要求，特別是滿足單錨失效后的整體定位能力(此時采用10錨定位系統)。鋪管狀態仍采用8錨定位系統，系泊模型見圖5，數字1～8表示系泊纜繩。計算結果見表2。

圖5 鋪管狀態系泊模型示意圖

根據鋪管作業環境進行錨泊計算時，考慮8錨定位能力(風暴條件下考慮10錨定位)，本次改造新增加的750 kN電動變頻定位錨絞車考慮應用于管線的拉力作用。其余8臺錨絞車及錨考慮為定位作用，錨絞車支持負載2 200 kN，鋼絲繩最小破斷負荷2 290 kN，定位錨采用大抓力德爾泰錨，錨質量8 000 kg。通過計算浪向270°時，3號纜繩受力最大，但錨泊系統仍有2倍的安全系數，滿足系泊要求。

表2 150 m水深時不同狀態起重/鋪管船系泊力最大值統計示例

5 主要關鍵技術研究

5.1 船員艙室

本船原為特種用途船，執行國際特種用途船安全規則(SPS2008)，船員艙室執行勞工組織標準ILO92/133。本次改造由于船員艙室的修改以及船員人數的增加，船員艙室設計將按照已經生效的勞工組織2006標準進行改造，改動量非常大，在艙室不改變的前提下居住人數會大大減少，為了避開上述標準，本船改造的法規將執行海上移動平臺規則，避免船員艙室的重大改建。

5.2 美國船級社對鋪管船穩性的要求

自2015年以后，美國船級社規范加入了對鋪管船的要求，該規范對穩性要求如下。

1)考慮管線收放絞車最大設計自持力平衡后的船舶最終水線，將不能超過任何風雨密開孔的下緣。

2)考慮管線收放絞車最大設計自持力平衡后的恢復力臂曲線必須有20°范圍內的正值。

3)考慮管線收放絞車最大設計自持力平衡后的恢復力臂，在20°范圍內不小于100 mm。

4)穩性范圍內的所有開孔為風雨密。

由于上述計算沒有先例，任何專業程序還沒有嵌入上述要求，通過研究并通過編制外掛命令流程序，我們解決了上述計算鋪管船穩性問題。

5.3 鋪管罩強度

鋪管罩為沿船長布置的、對鋪管作業進行遮蔽的鋼結構圍壁。由于本船主船體總縱強度有一定的裕度，在改造設計時不希望鋪管罩參與，從而減小鋪管罩的結構尺度。但由于美國船級社規范對不參與總縱強度的最低長度限定在0.14L以下(L為船長)，從而對艏部的海管輸送區的鋪管罩結構設計提出嚴格的要求，一方面為了鋪管區的完整性不希望對鋪管罩進行拆分，另一方面為了消除總縱強度的影響要求拆分鋪管罩。

為了解決上述矛盾，對總縱強度影響小的區域采用完整式，對影響大的區域采用拆分式，從而減輕鋪管罩的結構重量。

5.4 托管架支撐結構強度

對于鋪管船，托管架的支撐結構強度保證是非常重要的一環，其中也發現過由于強度不夠，托管架掉落水中的先例，因此船東對托管架支撐結構的強度非常重視，并且要求比船級社有更大的安全裕度，經與上海振華重工(集團)股份有限公司、美國船級社反復研究并且對計算反復驗證，從而取得了滿意的加強效果。

圖6為托管架的加強結構以及有限元的計算結果。

圖6 托管架加強結構有限元計算結果

通過結構直接計算表明，最大應力發生在托管架支撐后鉸點底座及支撐結構處，最大相當應力164.661 MPa，該處最大許用相當應力252 MPa以及284 MPa，因此強度滿足要求并根據船東要求，具有1.5倍以上安全系數。

6 結束語

隨著海洋石油市場的低迷，把單一功能船舶改造為多功能作業船舶是許多船東規避風險的選擇之一。本文是筆者在從事“華西900”起重船改造為起重/鋪管船設計工作中的一些學習體會及實踐經驗，希望給同行提供借鑒。

This article describes the key ship's performance; operational parameters; class rules and regulations; conversion design philosophy and positioning mooring system after HUAXI 900 converts to Heavy Lift/Pipe Laying Ship.

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韓紹湖(1969-)，男，天津人，工程師，大學本科，主要從事海洋工程船舶、特種船舶技術開發與設計工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.06.013

2016-09-08