5 920 kW多功能深水環保船設計

夏華波，黃國良，許海東

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300451)

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5 920 kW多功能深水環保船設計

夏華波，黃國良，許海東

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300451)

5 920 kW多功能環保船是服務于東海和南海的深水海洋工程輔助船，針對其船體及其特殊系統，從總體性能、結構設計方面進行介紹，采用球鼻艏、雙艉鰭、側推器、動力定位、被動式減搖水艙等先進技術優化了船舶各項性能，分析溢油回收特殊系統的原理與組成。

深水；環保船；溢油回收；動力定位；減搖水艙

5 920 kW多功能環保船為深水系列9艘環保船中的首制船，于中船黃埔文沖船廠建造完工并交付使用，用于東海和南海深海海域的測試井液接收/返輸，及海上溢油防治工作。主要具有如下作業功能：①接收/返輸測試井液；②溢油監測與回收、消油；③海上平臺供應(燃油、淡水、鉆井水、散料、鉆井器材及生活用品等)；④承擔平臺的守護、救生、值班等任務(搭乘獲救人員100人)；⑤對外進行消防滅火(FIFI1)；⑥具有二級動力定位(以下簡稱DP2)功能；⑦輸灰功能；⑧油品化驗功能；⑨溢油應急指揮功能；⑩滿足中國船級社(CCS)浮油回收作業船以及對油田守護船、近海供應船及一級消防船的有關要求和規定。

1 總體性能

船舶主要參數見表1。

表1 深水環保船主要參數

1)適航和耐波性。本船能在14 m有義波高、12級蒲福氏風和相應的9級浪海況下安全航行。設計時考慮到中國海域波長的特點，基本上該船均能跨越2個波長，具有良好的縱搖性能。橫搖方面，安裝了總容積260 m3的被動可控式減搖水艙，極大改善了其抗橫搖性能。

2)快速性。本船Fr為0.298，屬于中高速船[1]，額定功率航速為15.4 kn。船型參數方面，采用小方型系數與中等棱形系數；形狀和結構方面，對艏艉和水下線型進行了優化并采用球鼻艏和雙艉鰭船型，這些措施有效降低了船舶總阻力[2-3]，本船具有優秀的快速性。

3)抗沉及防污性。本船燃油總量超過600 m3，根據MARPOL 附則12A要求，燃油艙需雙殼保護。綜合考慮，全船均設置雙底雙殼，有效提高了環保船的抗沉及防污性能。

4)甲板載貨性能。環保船具有油田守護和物料供應能力。在其中后部主甲板上布置了有效面積520 m2的甲板載貨區，配備了折臂吊、移貨絞車、尾滾筒，最大供貨能力700 t，甲板均布載荷為60 kN/m2，在現役環保船中載貨能力最大。

5)操縱性。本船采用4機、雙可調螺距槳、雙流線型懸掛式襟翼舵、2臺電動液壓轉葉式舵機。設綜合控制臺，可對主機轉速、可調槳螺距進行綜合控制，使主機始終保持最佳工作狀態。可進行DP2定位和原地回轉，有3臺電機驅動液壓調節的可調螺距側推器，其中艏側推為1臺95 kN， 1臺65 kN， 艉側推為65 kN，使其在高速、低速、回轉或靠泊等各工況都具有良好的操縱性。

深水環保船總布置見圖1。

圖1 深水環保船總布置

2 結構設計

本船長小于90 m，船型為雙底雙殼，從艏至艉有階梯式多道縱艙壁，總縱強度容易滿足規范要求，因此，其主要采用橫骨架式，重點關注局部強度及施工工藝問題。①主甲板，載貨區平均載荷為60 kN/m2，考慮局部重量、冰載荷，本船主甲板采用橫骨架式較為合理，設置強橫梁、對應處設強肋骨，機艙區設甲板縱桁，并設置支柱加強。載貨區主甲板及其甲板邊板都相應加厚以承受拉應力及重荷。為了防止貨物與鋼甲板的撞擊及防滑，載貨區主甲板上鋪設75 mm厚的木材。②舷側，對應甲板骨架，舷側亦為橫骨架式，雙殼結構，考慮到舷頂列板因為承受較大的總縱彎曲力，故加厚2 mm。③船底，船底為橫骨架式，在艉側推艙前壁至首側推艙前壁設有雙層底，設中縱桁，機艙區主機座縱桁代替旁桁材。單底處，設有水密中縱艙壁或中內龍骨。④機艙開口，機艙處設有大開口，以便維修，它破壞了甲板連續性，減少了剖面抗彎模數，不利總強度，易應力集中、發生扭曲變形甚至斷裂風險。因此，艙口4個角隅設計為半徑不小于200 mm的圓角，角隅處板厚局部加大，艙口周邊設置縱桁、強橫梁等強框架形成結構均勻過渡。⑤舷墻，設有全船舷墻，考慮深水作業環境惡劣，舷墻高度約1 400 mm，為了防止舷墻被撞壞，每隔2個肋位設折邊肘板，舷墻開口處，舷墻板適當加厚。⑥護舷，由于經常靠離平臺、碼頭，考慮實際防碰需求，主船體設雙道鋼質護舷材，參照CB*3277-85A型護舷材設計，板厚同船舯0.4L處舷側外板的厚度，在艏部頂推區及艉部與圓弧處裝有橡膠護弦。⑦舭龍骨，為了改善船舶性能，參照CB*3186.2-84設計舭龍骨，考慮如下因素：舭龍骨沿流線方向設置，不影響水流且可充分發揮減搖效果，約為船長的1/3；擱淺觸底時形狀不致折損；與其他船臨近時舭龍骨需不致碰壞。

結構減振措施如下：①縱向構件保持良好連續性與過渡；②主機基座縱桁與船底骨架連成一體并延伸至艙壁；機艙內設支柱加強；③適當減小艉部構件跨度，以增加剛性；④在錨機、絞車、舵機、艇架、消防炮、纜樁、折臂吊、掃油臂底座、消防炮、煙囪及信號燈桅等處結構進行局部加強；⑤尾滾筒處結構進行局部加強；⑥本船設有雙艉鰭呆木結構，艉軸從艉鰭呆木通過。因此在雙艉鰭呆木、艏艉側推結構處作適當的結構加強與處理；⑦在主機、齒輪箱及主推進裝置、軸帶發電機組、軸帶消防泵組、柴油發電機組、鍋爐等設備的船體結構處作相應加強。

3 船體設計特點

3.1 球鼻艏和雙艉鰭

合理的球鼻艏可減小興波阻力、破波阻力、降低推力減額、提高船舶推進效率[4]。此外，球鼻艏可以調節縱傾，增加船舶浮力。鑒于本船Fr為0.298及以上原因，故安裝球鼻艏。設計中以球艏幾何特征中的長度、高度、橫剖面面積為自變量，在保證船舶排水體積基本不變的情況下，以母型船為參照，根據球艏幾何參數的變化，通過CFD計算得到阻力最小的球艏特征值。

圖2為球鼻艏和雙艉鰭。

圖2 球鼻艏和雙艉鰭

一般認為船寬吃水比<2.5，>4分別用單槳、雙槳，兩者之間單雙槳皆可，本船比值為2.93，單雙槳皆可選。然而，本船靠離港、平臺作業頻繁，單槳機動性差，靠離泊作業時難度高。另外，本船為淺吃水船，用單槳會產生如下問題：①由于槳徑受限，為達服務航速，槳負荷會很大；②艉部型線設計困難、流場差、舭渦大，導致槳效低、振動和噪聲大。雙艉鰭型與常規雙槳船相比有如下特點：雙艉船型的單個艉體寬度為整船寬的40%～60%，因而相當于增大了長寬比，有利于降低粘壓阻力；改用雙艉后槳徑可以增大，敞水效率有所提高，可獲得較高推進效率；省去了對阻力不利的附體，充分利用了伴流，可得到顯著的節能效果。所以本船采用雙艉鰭雙槳。

3.2 側推器

進港時船速逐漸降低，舵力產生的轉船力矩逐漸減小，控制航向能力逐漸變差[5]。為了解決這個問題提出了另一種保證轉船力矩的方法，即在船上安裝側推器。該裝置具有變螺距功能，通過螺距控制系統，可操縱推力的大小和方向。同時使用雙側推器效應，轉船效率比單獨使用首或艉側推器的效率高得多。如圖1所示，本船即同時設有2個艏側推和1個艉側推。

本船側推開口導致該處流場破壞且船體阻力明顯增加，同時，開口影響了進出孔口的流線光順。船模試驗表明[6]，當側推孔直徑與船長之比較大時，設計航速時阻力增值竟可達26%。側推孔導致增阻的原因是水流對側推孔后壁的沖擊。減少側推口引起的增阻一般都在開口后方設導流槽。本船兩艏側推孔相鄰，前側推孔如開設導流槽，則前導流槽必與后側推孔重疊，造成后側推孔前壁更加減少，會導致后側推孔導流槽深度加大，為避免上述情況，將前側推孔導流槽取消，代之以側推孔前方的導流罩，后側推孔仍以導流槽降阻。導流罩高度和導流槽深度決定的原則是側推孔前、后壁在對稱平面上投影相等，導流罩和導流槽的方向由船模流線試驗決定。

3.3 動力定位

3.3.1 配置DP2系統的原因

①環保產業發展的需要。只有配置了DP2系統才能讓環保船實現其新的不同功能，讓該船能夠滿足將來其他應急需求，如水下管線溢油清理堵漏、海底環境保護等各種工況作業。②現有技術滿足DP2配置需求。該船采用四機雙可調槳主推進系統，單機功率1 520 kW，并設有3個側推，艏部2個側推分別為95 kN和65 kN，艉側推為65 kN。此配置保證了本船靈活的操縱性和富裕的功率儲備。按照本船已有的設備配置和作業性質，經過計算分析，能夠滿足一般海況下DP2作業的功率需求。③額外增加費用可控。該船的DP2系統是在原設備配置基礎上增加的，其增加部分主要包括以下內容：DP2控制系統、額外的配電系統和機艙管路。總公司批復的本船單船投資費用約1.65億元，增加DP2系統需要283萬元，該額外費用僅占單船投資額1.7%，項目總體費用仍可控，且無需額外增加投資費用。④提高船舶安全性。無DP系統的船舶需要船長時刻綜合風、浪、流對船舶位置的作用，保證船舶與平臺的安全位置，其工作量相當大且風險高。為避免近年因船舶操作失誤導致誤撞平臺的事故發生，需要作業船舶配備動力定位系統。

3.3.2 NavDP4000功能與配置

本船設DP2系統一套，采取雙套配制，具有冗余功能、自動航跡模式，配聯合操縱(JOYSTICK)系統和單手柄。DP2系統由測量用傳感器、計算機系統、控制系統及推進系統等組成。

①測量用傳感器系統組成為電羅經2套，其中DP供一套，另一套由航行設備提供；運動參考單元2套；風向風速儀2套，其中DP供1套，另1套由航行設備提供；差分式全球衛星定位系統(DGPS)2套；激光雷達1套，用于近距離精確測距，配反光鏡6套。②專用計算機系統用來接受來自傳感器的電信號，經過比較，計算處理之后，向主推進、側推及操舵裝置發出系列控制指令。③控制系統主要由DP2控制臺、DP2操縱手柄、主推進控制板，側推控制板，控制系統轉換板，顯示報警板及電源板等組成。④推進系統由2臺主推進裝置(可調螺距槳)和3臺側推裝置組成。電源系統由主電源和備用電源組成。主電源供電給側推、舵機及它們的控制啟動裝置。備用電源為UPS，可在全船失電的情況下，對計算機及控制系統進行應急供電。

動力定位能力按冗余技術設計，在蒲福氏7 級風、6 級巨浪、1/3有義波高為4.0 m、海流為1.5 kn的海況條件下，滿足安全作業要求和全方位操控定位要求，見圖3。

圖3 動力定位布置

DP2系統具有：保持指定位置、目標定位、自動搜尋最佳船首位置、轉向點跟蹤、變換回轉中心、自動航行、平行移動等功能。該船共配備了5個推進器T1～T5，艏部2個側推，艉部1個側推與2個主推進及舵。各推進器位置如表2，DP定位能力見表3。

3.4 可控被動式減搖水艙

3.4.1 系統原理及組成

本船在#90～#101肋位設可控被動式減搖水艙(以下簡稱“ART”)(見圖4)，艙長6.6 m，邊艙寬3.8 m，艙容約260 m3。系統由空氣或液壓操縱，關閉或開啟時間2～3 s，減搖工作適用范圍6.8～14 s(船舶自搖周期)，減搖效果約40%～60%(低速時)。

表2 推進器參數

表3 DP主要計算結果

圖4 減搖水艙設備組成及原理圖

ART是有效利用水艙里的液體從高處流向低處的自然原理，達到減輕船體橫搖的裝置[7]。安裝在本船的ART為U形可控被動式減搖水艙，加上通過改變周期的辦法，能對應廣泛的橫搖周期范圍，系統組成及原理如下。

①本船ART是將船體的兩舷上用2區域劃分方法構成的翼艙，其底部相連通(以下簡稱“下部通道”)，構成了橫剖面為U形的ART，在2舷翼艙上部通過空氣閥設置，構成連通的空氣管道。②按照現有的水艙布置條件，在低速航行時減搖效果約為40%，低速范圍是從停泊狀態到約7 kn之間。③本船設定了4種水艙固有周期，為了長時間達到最佳減搖效果，系統自動選擇最合適的一種來控制液體，由此適用于8.0～14.5 s的廣泛橫搖范圍。④通過下部通道阻尼擋板改變水艙的固有周期，由液壓約在2～3 s內完成該操作。若遙控裝置發生故障，可通過手動操作來控制下部擋板和空氣管道的空氣閥。⑤當檢測到大于設定的平均橫搖周期(具體為設定范圍以外的周期，≥14.5 s)時，ART將自動停止工作，具有事先預防橫搖加劇的安全功能。

3.4.2 減搖效率

(1)

式中：φCT——水艙的靜特征數；

ρ——水的密度，取為1.0 t/m3；

S——U形減搖水艙單個翼艙的橫截面積，本船為15 m2；

h——減搖水艙翼艙中水位等效高度(水艙不露底時)，本船為1.05 m；

c——減搖水艙翼艙中心到船體中心線的距離，本船為6.745 m；

Δ——排水量；

減搖水艙和船舶發生諧搖時，水艙效率為

(2)

減搖水艙的平均效率為

(3)

平均波傾角為

(4)

式中：H——波高；

T——波浪周期。

4 特殊系統設計(溢油回收系統)

舷側內置式溢油回收原理見圖5。

圖5 溢油回收原理及布置

回收作業時，環保船先布放掃油欄，收緊首部牽引繩，使支撐臂向外展開大于90°，再以相對水流0.5～3.0 kn的速度前進，此時掃油欄在水阻力和支撐臂及牽引繩共同作用下將與船體形成“V”形收油區，船在污油區逆行，含油污水由圍油欄和船體從側門引入收油機室，在導水裝置作用下，含油污水在收油機室內通過溢油回收系統的回收模塊被過濾和回收。處理后的水由導水裝置排至收油區進行二次回收，從而提高了回收徹底性。當溢油為輕、中質油時，含油污水通過輕、中質油回收模塊進行處理，當溢油為中、重質油或含漂浮垃圾較多時，提起輕質油回收模塊的動態真空撇油器，水流直接將浮油和垃圾帶至重質油回收模塊的刷式撇油器，收油刷芯將回收物質攜帶至潔刷器處，由潔刷器將粘附在收油毛刷上的溢油收集到集油槽內，輸油泵將溢油從集油槽輸送到溢油回收艙中，收油毛刷攜帶的垃圾存留在集油槽上方的垃圾柵上，由人工回收。

5 結論

5 920 kW深水環保船能為復雜海況下深水油氣開發提供多功能服務，設計采用當前多種新技術、新設備進行船型與性能優化、功能與布置優化，特別對惡劣海況下新船型開發、特種作業設備、動力定位技術應用等進行了深入的分析。與現役環保船相比，進行了多項優化，增加了主尺度、擴大了運載能力、實施了燃油艙雙殼保護、擁有DP2和改進式溢油回收等多項先進功能，使該型船主要技術性能和功能達到國內同類型船先進水平。

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XIA Hua-bo, HUANG Guo-liang, XU Hai-dong

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300451, China)

The 5 920 kW multifunctional deep water environmental protection vessel is a deepwater offshore auxiliary vessel serving in East China Sea and South China Sea. With regard to the hull structure and its special systems, the overall performance and structural design were introduced. Optimization of ship performance is implemented by bulbous bow, twin skeg, thrusters, dynamic positioning, passive anti-rolling tanks and other advanced technology. Besides, principle and composition of oil spill recovery system is given.

deep water; environmental protection vessel; oil spill recovery; dynamic positioning; anti-rolling tank

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.013

2016-07-10

工信部項目(工信部聯裝[2012]537)

夏華波(1984—)，男，碩士，工程師

U662.3

A

1671-7953(2016)05-0049-07

修回日期：2016-08-10

研究方向:船舶設計與建造

E-mail:xiahb@cnooc.com.cn