鋪管船水密月池底蓋可行性研究

曾憲博　張傳論

摘 要：在造船市場不景氣背景下，為更好處理與船東的關系，在設計和建造中船東的一些超技術規格書超規范的要求比以往市場景氣時相比更容易被重視，船廠也會根據船東要求去做一些額外研究。其中水密月池底蓋就是一個典型的案例。

關鍵詞：鋪管船；月池；月池底蓋

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.039

1 引言

目前造船市場不景氣，尤其是海工市場，船東審圖較以往更加嚴格，往往會給出很多超出技術規格書要求的意見，船廠為了處理好與船東的關系，部分意見會花很多時間和精力去研究。以工作遇到的一個項目（稱為P項目）為例，技術規格書要求的月池底部關閉裝置是非水密結構，在項目設計和執行中客戶根據水池試驗結果，要求升級為水密結構。

2 鋪管船基本介紹

2.1 鋪管船介紹

鋪管船是用于海底管道專用的大型設備，多用于海底輸油、輸氣管道或者輸水管道的鋪設。目前參與建造的多為深水鋪管船，具有自航能力，DP3定位。

2.2 月池介紹

月池是指海工船和一些特種船在船體中央或一側開的一個通海的孔，用于水下作業，對于具有J-LAY鋪管作業的船舶，月池主要用于鋪管作業時管道的下放，同時月池對于船體阻力和耐波性能有至關重要的影響。

2.3 月池底蓋

月池底蓋是月池底部的一種關閉裝置，在船舶航行時可以對月池內波浪運動起到抑制作用，同時也可以減小航行阻力，增加船速。

2.4 船模水池試驗

海工船尤其是較為復雜的船舶，設計前期為了驗證船舶航行性能，一般會采用水池試驗方法模擬和預測船舶航行時的阻力和船速等。

3 實例分析

以參與的一個鋪管起重船項目為例，主要分析月池底蓋由非水密升級為水密后的可行性。

3.1 P項目簡要概況

3.1.1 項目主要參數

船長215.88m，型寬49m，型深22.4m，設計吃水11.8m。

月池位于船右舷，肋位FR.26-FR.37之間，月池寬度9.8m，長度25.2m，月池在船底部開孔最大長度為30.8m。

3.1.2 項目主要功能

P項目是我參與的一艏具有鋪管起重能力的海工船項目，具備主起重機5000噸40米全回轉、S-LAY+J-LAY鋪管，DP3定位能力，水下建造和安裝等功能。

3.2 P項目水池試驗

此項目水池試驗配有兩套船模，一套是大小比例為1：66用于阻力，操縱性能和耐波性能試驗；另外一套是大小比例1：26.163用于阻力，自航能力和艉部流向的試驗。

試驗結果表明在裝載工況1（TR-4攜帶98%消耗品航行狀態）下，航速12節時，水密月池底蓋比開放式或非水密底蓋能效提高約35%；在裝載工況2（TR-3攜帶10%消耗品航行狀態）下，航速12節時，采用水密月池底蓋比采用開放式或非水密底蓋能效提高約48%，同時試驗顯示采用非水密月池底蓋時推進性能滿足設計航速（12節）要求。依據船模試驗數據，船東要求將非水密月池底蓋換為水密月池底蓋。

3.3 P項目水密月池底蓋方案設計

根據船東要求P項目進行水密月池底蓋設計，下圖1為總布置圖，中間底部為壓載水艙，兩側底部和凸起部位為空艙設計。鋼結構重量約368噸，浮力大小約660噸，壓載艙能力約330噸，配有壓載水裝置和船底塞，月池底蓋配有吊運眼板、固定眼板、導向定位裝置、柔性墊塊、唇形密封等。

3.3.1 月池底蓋水密設計

月池底蓋和月池周邊結構的連接可以分為兩部分，一部分是密封連接部分，主要是采用彈性唇密封；另外一部分連接是采用柔性墊塊（共布置112塊，間距為700mm，每塊大小為L=400mm，B=300mm，H=75mm），將力通過墊塊傳遞給月池周圍結構。詳細節點樣式見圖2。安裝時柔性墊塊的垂向位置要定位準確，以便使彈性唇型密封裝置能更好的與月池結構正確接觸，達到放防水效果。

根據船模試驗，月池底部的動態吃水最大會達到16m，外部面積約311㎡壓強為0.16MPa，故等效重量大小為311x0.16x106/9.8=5078噸，設計的月池底蓋重量約368噸，考慮垂向加速度為0.3g，則受向上的總壓力大小為5078-368+368x0.3=4820噸。每個柔性墊塊承受約4820/112=43噸的壓力。考慮變形和波浪等不規則運動，實際上每塊承受為不平衡的負載，但我們將其作為一個整體考慮。

3.3.2 月池底蓋安裝

整個水密底蓋較大，可相當于一艏小駁船，考慮到底座安裝定位，我們設置了定位和導向設計，并在月池壁上設置了起重絞車。整個安裝借助船自帶主吊機，為防止吊運變形，配備專用吊運工裝，將水密底蓋潛入海里，潛水員固定鋼絲繩，借助起重絞車將月池底蓋拉起，借助導向和定位塊將月池底蓋準確定位。根據計算所需拉力為：自重+壓載-浮力=38噸，配備兩臺25噸的起重絞車就能滿足。如存在建造重量誤差，可通過配備固定壓載的方式調整所需拉力，使其控制在50噸以內。

3.3.3 月池底蓋的固定裝置

月池底蓋作為一個龐大的結構單元，當船舶運行在惡劣的海況時，要確保底蓋和船體間的適當接觸，月池底蓋不至于脫離船體。這就需要設計一套在垂直方向和水平方向限制月池底蓋移動的固定裝置。

垂向固定裝置（見圖2）設計時考慮狀態為：在波谷時，月池底蓋壓載艙因泄露存在10%的壓載水（重量約32噸），月池內最大吃水為1.4米（重量約296噸），垂直向下加速度為1.3g，船底龍骨吃水

局部在1.13米（根據船模試驗）；計算得到動載荷大小為（368+32+296）x1.3=905噸，吃水1.13米時的浮力大小約350噸，故垂向拉桿承受的拉力大小為905-350=555噸。垂向固定裝置設計為8根拉桿（7根常用，1根備用），拉桿的屈服應力為670Mpa。如遇到特別惡劣的海況，為保證拉桿不被破壞建議加大船舶吃水，以減少因船舶運動產生低水位的可能性。

水平固定裝置（見圖2）的設置前提是假設月池和底蓋間的接觸面摩擦力為零，由于船舶在惡劣海況運行時水平方向上因水平加速度會產生慣性載荷，加速度分為橫向加速度和縱向加速度，設計水平固定裝置時同等設計狀態下，根據船模試驗橫向加速度為0.26g，縱向加速度是0.14g，相應的橫向載荷為（368+32）x0.26=104噸，縱向載荷為400x0.14=56噸。水平固定裝置設計為兩根橫向，兩根縱向（其中1根為備用），拉桿及其連接面的屈服強度同樣為670Mpa。考慮到日后維修和更換，以上所選零件應能很容易的從市場上獲得。

3.3.4 水密底蓋的難點和經濟成本分析

水密底蓋因體積較大，在實際使用中存在很多限制條件，比如水密月池底蓋的安裝要求海深至少30米，且低海況下借助船舶自身吊機進行，同時要配備一定的水下安裝和作業；當鋪管設備工作時，月池底蓋的存放和日常檢查、保養仍需要用船方特殊考慮；目前類似大小的水密月池底蓋還未有成熟設計，現有的設計方案其實用性有待進一步驗證；從成本角度考慮，水密底蓋能從日常航行中降低能效節約成本，但前期的設計和建造成本以及日后的維修保養成本也相對較大，其總體經濟性有待進一步探討。

4 結論

設計方案經論證，理論上可行，設計中不但從強度和力學角度考慮了其安全性，也從吊運和安裝角度以及使用角度考慮了其可操作性，除此之外還配有獨立的壓載、防腐蝕系統。其中密封材料的性能和使用壽命需要材料廠家提供后才能綜合分析其經濟性，整體設計方案還有待實際操作的驗證，需要從操作中發現問題不斷改進。方案的整體經濟性同樣需要結合船舶運營，從實際操作中獲得數據，進一步驗證。

參考文獻：

[1]陳鐵云，陳伯真.船舶結構力學[M].上海：上海交通大學出版社，1990.

[2]龔恢.大型上層建筑的整體吊裝[J].船舶，1999（03）：27-31.

[3]船舶設計實用手冊（第三版），結構分冊[S].

作者簡介：曾憲博（1983-），男，湖北潛江人，工學學士，理學學士，工程師，研究方向：船體結構及總體性能。