10000t舉力半潛駁總體設(shè)計

王 輝

（天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司，上海 201612）

0 引 言

半潛駁是指在進(jìn)行裝卸作業(yè)或有操作需要時，可通過調(diào)節(jié)自身的壓載水量將載貨甲板潛入水中而呈半潛狀態(tài)的駁船，主要用于預(yù)制、裝運和沉浮水上建筑工程所用的大型混凝土沉箱，也可用于裝運大型鋼結(jié)構(gòu)、設(shè)備及其他可移動的海上建筑物等。

近年來，隨著海上橋梁、港口碼頭等水上建筑工程的迅猛發(fā)展，半潛駁的應(yīng)用越來越廣，需求量越來越大。同時，根據(jù)工程的需要，半潛駁呈現(xiàn)出多樣化、大型化的發(fā)展趨勢。天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司自成立以來，設(shè)計和改裝了一系列半潛駁，主要有左右塢墻式（見圖 1）和四角塔樓式（見圖 2）2種，舉力從5000t到25000t不等。本文以某10000t舉力半潛駁為例，對其總體設(shè)計進(jìn)行介紹和分析。

圖1 左右塢墻式半潛駁

1 10000t舉力半潛駁的船型設(shè)計與主尺度選取

1.1 船型與外觀設(shè)計

半潛駁通常設(shè)計為無動力的駁船，在移動定位時往往需拖船輔助，這會影響其作業(yè)效率，而設(shè)計為有動力的半潛駁會大幅增加設(shè)計和建造成本。對此，將該船設(shè)計為具有輔助推進(jìn)功能的非自航半潛駁船型。該設(shè)計既可提高船舶進(jìn)出港和在作業(yè)區(qū)域內(nèi)短距離移位的效率，又不會過多地增加成本。

該船的主船體采用方駁型單甲板浮箱，艏艉底部采用流線型以減小航行阻力，艉部設(shè)置3只呆木以提高航行的穩(wěn)定性；為便于在裝運沉箱時布置墊木，舉升甲板無脊弧無梁拱；主船體舉升甲板以上采用四角塔樓式設(shè)計，使該船既可采用縱向過駁沉箱，也可采用橫向過駁沉箱，方便沉箱的裝卸作業(yè)；艉部左右塔樓橋接，橫向連接橋設(shè)計便于艙室、管路及電纜布置和人員通行。

該船在設(shè)計塔樓時進(jìn)行特殊考慮，將艏艉塔樓設(shè)計成階梯形外形，即分別在艏塔樓前端和艉塔樓后端設(shè)置一個與塔樓相連的小平臺。小平臺的設(shè)置可增加半潛駁舉升甲板入水時的水線面面積，提高半潛駁下潛的穩(wěn)性；同時，小平臺高度適中不會造成結(jié)構(gòu)自重大幅增加，進(jìn)而影響船舶的載重量、穩(wěn)性和建造成本。該船的外形設(shè)計已獲得半潛駁外觀設(shè)計專利[1]。圖3為該10000t舉力半潛駁外形圖。

圖3 10000t舉力半潛駁外形圖

1.2 主尺度選取

主尺度選取是半潛駁設(shè)計的關(guān)鍵之一，是多參數(shù)、多目標(biāo)、多約束的求解和優(yōu)化問題，是一個逐步近似的過程，通常按螺旋線形式[2]進(jìn)行。該船的船寬設(shè)計為42m，船寬的確定綜合考慮目標(biāo)沉箱的寬度、塔樓的寬度、進(jìn)出沉箱空間要求和船舶穩(wěn)性，若過寬，其橫向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高，會大大增加結(jié)構(gòu)自重，造成成本大幅增加。船長需根據(jù)船寬，結(jié)合設(shè)計吃水和載重量要求選擇，以確保該船在設(shè)計吃水下具有足夠的載重量。該船的設(shè)計吃水為4.8m，經(jīng)初步計算，確定船長為76.8m。型深主要根據(jù)干舷要求、過駁碼頭標(biāo)高和潮位情況選擇，經(jīng)初步計算，確定該船的型深為6m。該船最大沉深由目標(biāo)沉箱浮游穩(wěn)定高度確定，這里取26m，舉升甲板以上20m。

由上述分析，初步確定該船的主尺度為：船長L=76.80m；型寬B=42.00m；型深D=6.00m；設(shè)計吃水d=4.80m；最大沉深為26.00m；舉力為10000t；運載力為8000t。

在初步選定主尺度之后，還需精確計算，保證取值的可靠性。以半潛駁最危險情況下的下潛穩(wěn)性為校驗標(biāo)準(zhǔn)，采用NAPA軟件建模計算，確保該半潛駁的下潛穩(wěn)性滿足法規(guī)[3]要求：半潛駁滿載甲板貨物在舉升甲板入水或出水過程中，在蒲氏風(fēng)級≤6級、有義波高≤0.5m的水域，或蒲氏風(fēng)級≤4級、有義波高≤1m的水域，經(jīng)自由液面修正之后的初穩(wěn)性高度≥0.15m；在半潛船下潛至最大沉深時，經(jīng)自由液面修正之后的初穩(wěn)性高度≥0.5m。

該半潛駁裝運8000t沉箱下潛時的穩(wěn)性校核結(jié)果見表1。

表1 10000t半潛駁載運8000t沉箱下潛時的穩(wěn)性校核結(jié)果 單位：m

由表1可知，該半潛駁裝運沉箱下潛過程中的穩(wěn)性滿足法規(guī)要求且具有一定的裕度，因此該半潛駁的主尺度選取是合理可靠的。

2 船體總布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計

該半潛駁主體為方駁型單甲板浮箱，舉升甲板以下由3道水密縱艙壁和5道水密橫艙壁分隔成20只壓載水艙、機(jī)艙、舵槳艙和艏艉泵艙，艏艉泵艙分別橫向貫通連接左右塔樓，艏艉泵艙之間設(shè)置縱向管弄，便于內(nèi)部通行，便于管道及電纜安裝和維護(hù)檢修等。舉升甲板上的四角設(shè)塔樓，為半潛駁下潛提供足夠的水線面面積，保證半潛駁半潛作業(yè)時具有足夠的穩(wěn)性；艉部左右塔樓橫向橋接，塔樓內(nèi)部設(shè)置甲板室，用于布置生活艙室、工作艙室、機(jī)器處所、服務(wù)處所和控制站等。塔樓頂甲板上設(shè)置錨系泊設(shè)備，用于進(jìn)行錨系泊作業(yè)。圖4為該半潛駁艙底布置圖。

圖4 10000t舉力半潛駁艙底布置圖

該半潛駁船體結(jié)構(gòu)按規(guī)范[4]要求設(shè)計。舉升甲板和船底結(jié)構(gòu)采用縱骨架式，舷側(cè)結(jié)構(gòu)采用縱骨架式，每隔1.8m設(shè)置一檔強(qiáng)框以支持縱向結(jié)構(gòu)，舉升甲板載荷按25t/m2設(shè)計，沉箱行走區(qū)域甲板載荷按35t/m2設(shè)計。四角塔樓結(jié)構(gòu)采用橫骨架式，橫向連接橋采用橫骨架式。船體結(jié)構(gòu)材料滿足材料與焊接規(guī)范[5]的要求。

該半潛駁不滿足L/ B＞3的要求，其總縱強(qiáng)度應(yīng)通過直接計算確定，波浪彎矩和切力采用三維勢流繞射/輻射軟件HYDROSTAR與波浪運動響應(yīng)和載荷長短期預(yù)報軟件FATA進(jìn)行長期預(yù)報，利用MARS軟件對船體梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析校核，滿足規(guī)范要求；該半潛駁采用有限元分析方法進(jìn)行直接計算校核，其橫向強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

3 錨泊系統(tǒng)設(shè)計

錨泊系統(tǒng)作為半潛駁的一個重要系統(tǒng)，配置過高會增加成本，配置過低會影響作業(yè)安全。該半潛駁配置4點錨泊定位系統(tǒng)用于下潛作業(yè)時的錨泊定位。在設(shè)計該錨泊系統(tǒng)時，采用三維勢流繞射/輻射的源匯分布法和懸鏈線法進(jìn)行耐波性運動響應(yīng)分析及錨泊分析的水動力計算。目前該方法已廣泛應(yīng)用于海洋工程船和常規(guī)船的水動力計算分析中，成為解決海洋工程船水動力問題的首選方法。

該半潛駁下潛作業(yè)時的4點錨泊定位系統(tǒng)配置有4只AC-14大抓力錨，每只錨重6975kg，錨索采用直徑為46mm的鋼絲繩，每根錨索的長度為600m。圖5為該半潛駁下潛作業(yè)時的4點錨泊定位系統(tǒng)布置圖。

圖5 半潛駁進(jìn)行下潛作業(yè)時的4點錨泊定位系統(tǒng)布置圖

選取最大風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下的載荷，采用準(zhǔn)動態(tài)分析方法對下潛作業(yè)時4點錨泊定位系統(tǒng)進(jìn)行受力分析，結(jié)果見表2。

表2 錨泊系統(tǒng)受力分析結(jié)果

由表2可知，下潛作業(yè)錨泊定位時，在6級風(fēng)、1.0m有義波高、2.0m/s流速和90°環(huán)境力下，鋼絲繩最大軸向拉力小于設(shè)計張力和錨能提供的最大抓力，滿足要求。

4 壓載系統(tǒng)設(shè)計

壓載系統(tǒng)作為半潛駁的一個重要系統(tǒng)，也是該半潛駁設(shè)計的關(guān)鍵之一。壓載系統(tǒng)的好壞直接影響半潛駁沉浮作業(yè)的安全性、穩(wěn)定性和效率；同時，半潛駁沉浮作業(yè)的時間也是用戶考核的一項重要指標(biāo)。該半潛駁壓載管路采用集中注入或排出總管的方式，設(shè)艏艉2個泵艙，分別布置2臺壓載泵。全船共設(shè)4臺壓載泵，每臺壓載泵的排量為1500m3/h，揚程為13m，4臺壓載泵既可同時工作，也可單獨控制。壓載管路采用前后2路，分區(qū)控制，前后管路之間設(shè)有縱向連通管，前后壓載系統(tǒng)互為備用，確保整個壓載系統(tǒng)可靠運行。該船從設(shè)計吃水下潛至最大沉深大約需3h。圖6為該半潛駁壓載系統(tǒng)管系原理圖。

當(dāng)半潛駁下潛至底部接近海底時，海底區(qū)域的海水會因船體的擾動而變得渾濁，導(dǎo)致海水中的泥沙增多。為減少進(jìn)入壓載艙的泥沙量，該半潛駁同時設(shè)置高位海水箱和低位海水箱，其中高位海水箱通過海水總管與低位海水箱相連。通常情況下，半潛駁外的海水通過低位海水箱進(jìn)入海水總管，在半潛駁下潛時可根據(jù)實際情況切換為由高位海水箱進(jìn)入海水總管，這樣可減少進(jìn)入艙內(nèi)的泥沙量，減少清艙工作量，降低泥沙對壓載系統(tǒng)的不利影響。

圖6 10000t舉力半潛駁壓載系統(tǒng)管系原理圖

5 結(jié) 語

半潛駁設(shè)計是一項系統(tǒng)性工作，需考慮的因素較多。為設(shè)計出滿足規(guī)范、法規(guī)要求且令用戶滿意的半潛駁，設(shè)計者應(yīng)盡可能地綜合考慮各方面的因素。

本文以 10000t舉力半潛駁為例闡述半潛駁總體設(shè)計的思路，并對半潛駁設(shè)計中的幾個關(guān)鍵點進(jìn)行介紹，對以后半潛駁的設(shè)計和開發(fā)具有一定的幫助。