平地造船滑移接駁下水技術

李春辰

(中交集團中國公路車輛機械有限公司，北京 100055)

隨著世界經濟快速發展，我國的船舶建造方式也在不斷發展，包括巨型總段建造法、浮塢造船法和平地造船法等建造模式[1-2]。其中平地造船法應用較為廣泛，即將平地完成的船舶或海洋結構物的分段、總段、部分舾裝，通過氣囊、載重滾動小車或液壓小車等方式移動至駁船或浮塢上，再移到合適水域沉浮下水[3-5]。國內較成熟的方案常采用液壓平板車或載重滾動小車，但是平板車下水方式對非船廠企業來說，利用率低且成本高。載重滾動小車相對便利，但也存在著較多局限性，諸如載重小車車輪剛性大，受集中載荷時易碎，對滑道的制造精度和滑道面平整度要求較高；下水速度難以控制，受潮汐限制，對駁船調載能力要求高，風險大；雖有導向裝置，但小車依然只能走直線，一旦側向移動，鏈條容易斷裂，且糾偏困難；滑道梁本身剛度較低，難以有效地傳力，會增加碼頭或駁船甲板的局部載荷；載重小車單位長度承壓較小，對貨物的重量敏感度較高，需依靠絕對數量來分散貨物壓力。

本文基于上海振華重工集團(簡稱ZPMC)平地建造的船舶與海洋結構物下水項目，設計了一套安全有效的滑板式滑移下水系統。使用該系統對平地建造的2 000 t自升式風電安裝船進行下水作業，制定詳細的駁船調載方案，并對其結構進行有限元數值分析，減少了下水過程中可能遇到的風險，使整個作業過程安全、可靠、高效。

1 工程概括

2 000 t自升式風電安裝船是目前全球起重能力最大的自升式風電安裝平臺船，在ZPMC大南通碼頭平地建造，其下水狀態時的質量約14 000 t，平臺型長100.8 m、型寬43.2 m、型深8.4 m，設計吃水5.9 m，重心高度距平臺船基線10.7 m。下水使用的半潛駁船為ZPMC自有的“振半潛1”，型長140 m、型寬70 m、型深8.5 m，設計吃水4.5 m，最大沉深16.5 m，最大舉力約210 MN，最大調載能力約11 MN/h。此風電船通過滑板式滑移下水系統，從碼頭滑移至半潛駁上，再移至合適的水域沉浮下水。

2 滑板式滑移下水系統

本項目采用了適合ZPMC自身碼頭特點的、安全有效的滑板式移動方式進行下水作業。

2.1 滑移系統結構形式

圖1為滑移系統結構形式，由滑板梁、滑道、碼頭墊梁及木枋等組成。其中滑板梁是由滑板與分載結構組成，并設有水平導向裝置。滑板是選用摩擦系數低，且有足夠承壓能力的MGE自潤滑高分子材料制成。

圖1 滑板系統結構形式

滑板梁與2 000 t風電船底之間用斜楔木枋塞實。木枋高度可通過全站儀測量各點處碼頭面高度進行調節，既保證平臺船底與碼頭面的壓力均勻分布，同時也克服了由于碼頭面不平整對鋪設軌道梁造成的影響。這種設計方式既能滿足風電船底與滑板梁之間不會出現相對位移，又使得兩者之間不用焊接。

2.2 牽引系統

滑板滑移下水方式的動力系統常規有液壓油缸系統和錨機鋼絲繩系統兩種，國外多用液壓系統，國內則以錨機系統為主。液壓系統的特點是動力有保證且均勻，但速度相對較慢；而錨機系統對空間要求較高，速度不均勻時容易跑偏，但速度較快。結合ZPMC的實際情況，在保證安全、穩定的前提下，要將2 000 t風電船移至駁船上，選擇合適的潮汐時間會對下水過程的速度有著較高的要求，因此,方案設計將錨機系統作為最終的動力系統。但需要克服以下問題。

1)多數企業進行下水作業時，錨機系統僅有牽引向海側的，沒有回拉至陸側的，即平臺下水時只進不退，一旦出現滑移位移跟不上潮水變化等突發情況，就很被動。

2)滑板在啟動時，由于潤滑脂的粘滯影響，其摩擦系數較正常滑動時增加一倍。因此,需保證風電船在整個滑移過程中有足夠的啟動力及牽引力。

3)為保證足夠的牽引力，需要在平臺底部與碼頭面之間安裝滑車。常規的滑車外形龐大，為保證其安裝空間，滑道須保持較高的高度，這使得平臺基線及重心都會隨之增高，繼而半潛駁吃水及穩性都會受到影響。對于較重的平臺，其下水作業要求的吃水及穩性或許已經接近極限，很可能因這微小的高度變化帶來很大的困難。

4)錨機系統牽引，需要保證同步受力及均勻受力。

針對上述問題，在平臺下水方案設計時，結合ZPMC在岸邊起重機整機裝、卸船上的經驗，設計出了一套安全、快速的牽引系統，見圖2。該系統有以下特點。

圖2 牽引系統

1)改造錨機系統并增配回拉錨機，將全部錨機的速度定在設計的合理區間，在保證牽引穩定性的同時最大幅度提高了牽引速度，并可實現出現意外情況時的回拉。

2)設計雙重的平臺啟動加強裝置，以保證啟動時有足夠的動力。

3)設計體積輕巧的400 t大型滑車，可最大限度降低平臺離地面高度。

4)為有效降低平臺滑移過程中的摩擦系數，減少牽引力，將滑板邊緣設計成斜坡形式，且在滑道梁面上鋪設不銹鋼板，在使用過程中配合潤滑脂，降低了牽引力。

2.3 半潛駁船靠泊方式

2 000 t風電船型長超過半潛駁型寬較大，如果采用順靠橫裝的靠泊方式，落潮時風電船會擱置在碼頭上，存在極大的風險。由于風電船型寬小于半潛駁艉浮箱內檔間距，因此,采用頂靠縱裝的方式靠泊。但仍存在如下問題。

1)頂靠方案的滑移距離約100 m，正常需3.5 h，平潮時間是否足夠作業。

2)半潛駁頂靠如何保持船尾位置不動。

3)艉浮箱同風電船之間間隙較小，牽引錨機只能靠內布置，糾偏難度很大。

4)兩側兩排滑道不能放置在駁船強筋上，其下部墊梁需與駁船主甲板焊接加強或采取其他有效加強措施。

5)縱裝上船，風電船重量較大，對半潛駁船的調壓載系統是極大的考驗。

針對上述問題，方案設計時結合作業期間長江水位及潮汐情況，選擇小潮汛期間進行作業。采用鋼纜定位和拖輪協助的方式，保持船尾位置不動，并在半潛駁主甲板上采取不加強甲板但能分載的方案，以保證甲板強度滿足要求。另外，改造半潛駁壓載系統，提高壓載效率，改進半潛駁的控制系統，錨泊及錨機系統等，從硬件上充分保證了下水作業的可操作性。

2.4 監測系統設計

多數平地建造的船舶或平臺下水作業時，僅憑經驗和肉眼的方式來辨別半潛駁及碼頭的受力情況，存在著較大的風險性和不確定性，對碼頭、平臺自身及半潛駁的安全會帶來較大的風險。因此，本項目采用多重監控手段，對風電船下水過程實施精細化控制。

1)牽引系統由液壓錨機、液壓泵站、牽引鋼絲繩、滑車、牽引耳板、地錨組成，為保證各部件受力均勻，在繩端設置了測力器，對牽引系統進行拉力監測，確保左右受力均勻。

2)對船舶高度進行激光監控，以便及時調整船舶吃水以控制船舶碼頭受力，避免船與碼頭面局部受力過大。

3)對滑道壓力進行應變監測，根據監測結果隨時調整船舶浮態，以保證滑道及甲板均勻受力。

4)設計液壓絞車、泵站的控制系統，以應對由于潮水、半潛駁調載等因素導致的受力不均衡情況。

2.5 下水方式

將裝載風電船的半潛駁拖移至指定下水點，拋錨固定。下水作業時，氣象條件必須同時滿足：波高小于0.5 m，涌高小于0.3 m，流速小于2 kn，風速小于7.9 m/s。

半潛駁壓載下潛至浮卸所需最小吃水要求，即浮態時的風電船底部與半潛駁上滑道面間隙0.5～1 m。用帶纜艇將拖輪和半潛駁上的卷揚機纜繩分別帶上風電船的纜樁上，在拖輪和卷揚機絞車配合下緩慢將風電船拖離半潛駁甲板，至距離半潛駁舷側約40 m，風電船下水完畢后，半潛駁排水至設計吃水。至此，整個平地建造的風電船滑移至半潛駁，再下水的過程結束。

3 計算方法

3.1 調壓載方案

2 000 t風電船滑移下水時，需要滿足3個條件：半潛駁管系調載能力大于各步的艙室壓載變化量，確保滑移過程中半潛駁上滑道面與碼頭上的滑道面平齊，根據碼頭水深來確保滑移過程中半潛駁不擱淺。此次下水預計耗時4 h，經查詢《中國沿海潮汐表(上海港、杭州灣)》滸浦港口的潮汐，制定的調壓載方案見表1。

表1 調壓載方案

風電船滑移上駁過程中需注意觀察半潛駁的橫傾和縱傾角度，盡量平吃水。根據表1方案，制定詳細的壓排水調載表。根據《振半潛1號穩性計算書》得到各步驟調載方案對應的穩性計算結果，見表2。由結果可知，初穩性高大于0.15 m，橫傾和縱傾均為0，滿足穩性和操作要求[6]。

表2 穩性計算結果 m

3.2 有限元數值計算

為保證滑移上駁及運輸的安全，避免由于壓力過大導致甲板結構破壞，采用MSC.Patran/Nastran軟件對半潛駁的甲板結構進行有限元數值分析計算。圖3所示的有限元模型，板單元模擬船體外板、甲板、艙壁、滑道以及T型材的腹板，采用梁單元模擬T型材的面板、甲板縱骨和扶強材，板單元網格尺寸取1/5到1/4的肋位間距。

圖3 有限元模型

1)邊界條件。邊界全部固定約束。

2)載荷。滑道上承受大最大支反力為1 450 kN/m。

由分析結果可知，半潛駁最大von Mises應力為139 MPa，最大剪應力為94 MPa。而半潛駁材料為CCSA級，最小屈服強度為235 MPa，根據中國船級社海船入級規范要求，剪切許用應力小于95/K，MPa，任何點合成應力的許用應力小于180/K，MPa，K為材料系數(此處K取1)，計算最大應力均小于許用應力，滿足結構強度要求。

4 結論

1)節約船塢和土地資源、成本低、效率高。

2)滑板的良好彈性，可將滑面的局部應力峰值大幅度降低，起到均勻受力作用，對改善整體受力狀況效果顯著。

3)滑板單位長度承壓能力增加，可用較少滑道實現同等重量平臺下水。

4)增大滑道梁本身的剛度，增加單位長度的承載，使其在偏離碼頭滑道作用于樁基碼頭時強度也能滿足，適用性更廣。

5)滑板雖說通常設計行走直線，但其本身允許側向移動。

本項技術先后應用于十幾艘3 000～15 000 t的平臺、風電安裝船、潛水飽和支持船、半潛船等大型海工裝備的下水項目。此外，一些重量超過浮吊起重能力的大型鋼結構、橋梁等超大件也可采用此方式裝船和下水，應用前景十分廣闊。