浮船塢理論抬船時間分析

劉云鵬， 何慧彬， 邵建練

（1.交通運輸部煙臺打撈局，山東煙臺264000；2.上海振華重工（集團）股份有限公司，上海200125；3.上海佳豪船海工程研究設(shè)計有限公司，上海201612）

0 引 言

浮船塢是半潛船的一種，主要用于修船和造船，還可用于打撈沉船、運送深吃水船通過淺水航道等。浮船塢的主要作業(yè)特點是具備壓載下潛和排水抬船功能。

抬船作業(yè)所需時間是浮船塢的一項重要性能指標(biāo)，直接影響該型船的作業(yè)效率和經(jīng)濟性。如何在設(shè)計階段較為準(zhǔn)確地預(yù)估浮船塢理論抬船作業(yè)時間是該型船設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。

常規(guī)的浮船塢抬船作業(yè)采用壓載泵動力排載的方式，利用壓載泵將壓載艙內(nèi)的壓載水通過壓載管系排至舷外，實現(xiàn)浮船塢抬船。在抬船作業(yè)過程中，壓載管系管路阻力特性的動態(tài)變化會導(dǎo)致離心式壓載泵的實際排量不斷發(fā)生變化，進而使抬船作業(yè)時間精確計算變得困難。目前通常假定壓載泵排量在抬船作業(yè)過程不變對理論抬船作業(yè)時間進行估算，本文通過實船設(shè)計案例分析浮船塢抬船過程的特性，提供一種相對準(zhǔn)確的理論抬船作業(yè)時間估算方法。

浮船塢通常采用重力進水的方式下潛作業(yè)，重力進水的快慢取決于浮船塢舷外吃水與艙內(nèi)壓載艙水位的壓差及重力進水管徑等因素，很難通過理論計算方法求出理論下潛作業(yè)時間，常規(guī)的做法是根據(jù)同類船型的經(jīng)驗進行估算。根據(jù)經(jīng)驗，在同尺寸壓載管徑下，重力下潛作業(yè)速度遠(yuǎn)大于通過壓載泵排的抬船作業(yè)速度，而實際下潛作業(yè)時間很大程度上取決于操作人員對壓載系統(tǒng)和浮船塢穩(wěn)性的了解程度。因此，浮船塢下潛作業(yè)時間一般不作為浮船塢考核指標(biāo)，本文不對其進行描述。

1 浮船塢壓載系統(tǒng)設(shè)計

為順利實現(xiàn)壓載下潛和排水抬船操作，浮船塢必須具有大容量的壓載水艙和大排量的泵排系統(tǒng)，這是浮船塢壓載系統(tǒng)的主要特點。為方便說明，下面以某實船設(shè)計案例為例闡述常規(guī)浮船塢壓載系統(tǒng)的設(shè)計方法。

1.1 壓載艙布置

常規(guī)浮船塢80%～90%的空間都被設(shè)置成壓載艙，以滿足浮船塢壓載下潛和排水抬船作業(yè)對壓載水量的需求；同時，為使作業(yè)過程中各壓載艙進水、排水相對均勻，保證浮船塢具有良好的浮態(tài)，各壓載艙盡量均勻布置。

圖1為某浮船塢壓載艙布置圖，共設(shè)24個壓載艙，各壓載艙均勻布置，舷側(cè)底壓載艙與塢墻內(nèi)壓載艙連通作為邊壓載艙。

圖1 某浮船塢壓載艙布置圖

1.2 壓載系統(tǒng)設(shè)計

壓載系統(tǒng)負(fù)責(zé)實現(xiàn)浮船塢壓載下潛作業(yè)過程中向船塢內(nèi)重力注入壓載水及排水抬船作業(yè)過程中向船塢外動力排出壓載水。一般大型浮船塢因需具備大排量的壓載系統(tǒng)而至少設(shè)置2個泵艙，這樣不僅可滿足大排量要求，同時能使壓載系統(tǒng)的操作更為靈活，更好地實現(xiàn)浮船塢作業(yè)過程中對船體浮態(tài)的調(diào)整。

圖2為該浮船塢壓載水系統(tǒng)圖，為滿足抬船作業(yè)時間要求，提高系統(tǒng)操作的靈活性，將整個壓載系統(tǒng)分為4組，4個泵艙；每組設(shè)置2個重力注水海水箱和2臺動力排水壓載泵（單泵排量及壓頭為2 000 m3/h×8 m），其中1個重力海水箱和1臺壓載泵負(fù)責(zé)為就近的3個壓載水艙重力注水和動力排水。這相當(dāng)于將整個壓載系統(tǒng)分成8個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)負(fù)責(zé)3個壓載水艙的注入壓載水和排出壓載水作業(yè)；同時，為實現(xiàn)備用，前后4個子系統(tǒng)之間設(shè)置聯(lián)通管路并加隔離閥。

2 理論抬船作業(yè)時間估算

抬船作業(yè)時間不僅是浮船塢作業(yè)的重要指標(biāo)之一，也是壓載系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，船東通常會根據(jù)實際使用需要對理論抬船作業(yè)時間提出要求。為使該技術(shù)指標(biāo)符合要求，需盡量準(zhǔn)確估算理論抬船作業(yè)時間。

2.1 傳統(tǒng)估算方法

傳統(tǒng)的抬船作業(yè)時間估算方法假定壓載泵排量在抬船作業(yè)過程中不變，即不考慮抬船作業(yè)過程中壓載管系管路阻力特性的動態(tài)變化會導(dǎo)致離心式壓載泵的實際排量不斷發(fā)生變化。

圖2 浮船塢壓載水系統(tǒng)圖

圖3 為該浮船塢的沉浮曲線圖，能很清晰地體現(xiàn)浮船塢的舷外吃水和艙內(nèi)壓載艙水位與排水量的關(guān)系。由圖3可知，該浮船塢抬船作業(yè)（從最大沉深抬至工作吃水）所需的排水量為15 167 t，且抬船過程中最大的艙內(nèi)壓載水位與舷外吃水高差為7.046 m，這2個數(shù)據(jù)是設(shè)計壓載系統(tǒng)所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。由圖2可知，該浮船塢共配置8臺壓載泵，用于在抬船作業(yè)過程中排出艙內(nèi)的壓載水，單臺泵的排水量和揚程為2 000 m3/h×8 m，布置在4個泵艙（每個泵艙設(shè)置2臺壓載泵）。相應(yīng)的理論抬船時間可按照8臺壓載泵同時作業(yè)、壓載泵排量不變進行計算，即

式（1）中：T為抬船作業(yè)時間，min；V為抬船作業(yè)所需排水量，m3；Q為壓載泵總排水量，m3。

基于上述計算，該船塢給出的理論抬船作業(yè)時間為56.8 min。

圖3 浮船塢沉浮曲線圖

2.2 建議估算方法

由上述分析可知，采用傳統(tǒng)的估算方法估算該浮船塢的抬船作業(yè)時間所得結(jié)果較為粗糙，主要存在的問題是：

抬船作業(yè)時間是基于壓載泵排量不變的假設(shè)估算的，而實際上壓載泵會隨著壓載管系管路阻力特性的變化而偏離額定工作點，相應(yīng)的排量也會不斷發(fā)生變化。為更準(zhǔn)確地估算抬船作業(yè)時間，需依據(jù)沉浮曲線了解浮船塢在抬船作業(yè)過程中的特性，結(jié)合相應(yīng)的壓載系統(tǒng)進行分析計算。

壓載泵實際工作狀態(tài)點應(yīng)是壓載泵特性曲線與壓載管路特性曲線的交點，而由于浮船塢在抬船作業(yè)過程中舷外吃水與壓載艙艙內(nèi)水位高差是持續(xù)變動的，導(dǎo)致壓載管路的特性曲線與壓載泵的交點也在持續(xù)變動，相應(yīng)的壓載泵排量也在持續(xù)變化。

圖4為抬船作業(yè)工況下壓載管排水剖面示意。壓載管路特性方程為

式（2）中：H為壓載泵所需總壓頭，m；Hst為浮船塢舷外吃水與壓載艙艙內(nèi)水位高差，m；SH為管路阻抗，m；Q為管內(nèi)水流量，m3/h。

圖4 抬船作業(yè)工況下壓載管排水剖面示意

在同一管路中，管路阻抗SH為常數(shù)，計算式為

式（3）中：H-Hst為管路阻力壓頭，m；SH為管路阻抗，m；Q為管內(nèi)水流量，m3/h。

通過式（3），采用代入法計算壓載管路阻抗SH，當(dāng)管內(nèi)流量取2 000 m3/h時，管路阻力壓頭約為4 m（管系阻力包括沿程阻力和局部阻力，計算方法較為常規(guī)，本文不作贅述），壓載管路阻抗SH=1×10-6m。因此，壓載管路特性方程為

圖5為抬船作業(yè)曲線，反映出該浮船塢抬船作業(yè)（從最大沉深12.600 m抬至工作吃水3.300 m）過程。根據(jù)舷外吃水與壓載艙內(nèi)水位的高差情況，將整個作業(yè)過程可分為4個階段，各階段舷外吃水與壓載艙內(nèi)水位的高差隨著排水量的變化而勻速變化。

1）階段4：舷外吃水與壓載艙內(nèi)水位的高差由4.180 m勻速增大至7.046 m，排水量V4=2 967 m3。該階段舷外吃水與壓載艙內(nèi)水位的平均高差Hst4=5.600 m，壓載管路特性方程為H=5.600+1×10-6Q2，其特性曲線見圖6。通過查詢該曲線與壓載泵特性曲線的交點可知，該階段單臺壓載泵平均排水量Q4=1 840 m3/h。

2）階段3：舷外吃水與壓載艙內(nèi)水位的高差由7.046 m勻速減小至3.200 m，排水量V3=9 357 m3。該階段舷外吃水與壓載艙內(nèi)水位的平均高差Hst3=5.123 m，壓載管路特性方程為H=5.123+1×10-6Q2，其特性曲線見圖6。通過查詢該曲線與壓載泵特性曲線的交點可知，該階段單臺壓載泵平均排水量Q3=1 880 m3/h。

3）階段2：舷外吃水與壓載艙內(nèi)水位的高差由3.200 m勻速減小至2.180 m，排水量V2=879 m3。該階段舷外吃水與壓載艙內(nèi)水位的平均高差Hst2=2.690 m，壓載管路特性方程為H=2.690+1×10-6Q2，其特性曲線見圖6。通過查詢該曲線與壓載泵特性曲線的交點可知，該階段單臺壓載泵平均排水量Q2=2 100 m3/h。

4）階段1：舷外吃水與壓載艙內(nèi)水位的高差由2.180 m勻速增加至2.200 m，排水量V1=1 964 m3。該階段舷外吃水與壓載艙內(nèi)水位的平均高差Hst1=2.190 m，壓載管路特性方程為H=2.190+1×10-6Q2，其特性曲線見圖6。通過查詢該曲線與壓載泵特性曲線交點可知，該階段單臺壓載泵平均排水量Q1=2 200 m3/h。

圖5 抬船作業(yè)曲線

圖6 壓載泵特性曲線及各階段壓載管路特性曲線

抬船作業(yè)總抬船時間的計算式為

式（5）中：T1為抬船時間，min。該時間比“2.1”節(jié)中估算的時間稍長，但相對更接近實際。若需要更為準(zhǔn)確的理論抬船時間，可對上述階段進一步細(xì)分，但計算方法一致。

3 結(jié) 語

由上述計算可知，實際計算的抬船作業(yè)時間比采用傳統(tǒng)計算方法所得時間要長，主要是因為階段3和階段4壓載泵向左偏離額定工作狀態(tài)點，導(dǎo)致壓載泵實際排量均少于壓載泵額定排量，而這2個階段又是排水量最大的階段。

計算理論抬船作業(yè)時間最大的困難是確定抬船作業(yè)過程中壓載泵的實際排量。本文通過分析抬船作業(yè)過程的沉浮曲線，對抬船作業(yè)過程進行細(xì)分，首先計算各階段的壓載泵實際排量，其次計算各階段的抬船時間，最后對各階段的抬船時間進行累加得到最終的理論抬船時間，計算結(jié)果與采用傳統(tǒng)估算方法所得結(jié)果相比更準(zhǔn)確，而階段劃分得越細(xì)，其計算結(jié)果越接近實際值。