中型海洋救助船“東海救151”的研發(fā)設計

杜鵬飛，謝智康，樂小龍，史恭乾

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 引言

隨著“交通強國”戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議的推進與實施，我國海上的經(jīng)濟活動必將迎來新的發(fā)展。為日益繁忙的海上經(jīng)濟活動提供堅實的救助保障是新時代賦予我國海上救助力量的新要求和新挑戰(zhàn)。為應對新的救助形勢，交通運輸部救助打撈局設計了救助船型大、中、小，救助范圍遠、中、近的救助規(guī)劃布局，以實現(xiàn)我國領海救助范圍全覆蓋和高效救助的目標。

當前，我國船齡超過35 a的1940 kW中型救助船已全部淘汰，中型救助船已出現(xiàn)斷檔問題。在我國沿海水道、島礁等復雜海域，大型救助船無法實施救助，而快速救助船艇在惡劣氣象條件下救助能力有限，此類海域的救助任務由中型救助船承擔最為適宜。然而，目前中型救助船的數(shù)量已不能滿足救助新形勢的需要。受交通運輸部救助打撈局委托，定位我國中型海洋救助船的旗艦，新型中型海洋救助船于2015年開始研發(fā)設計，并在廣州中船黃埔文沖船舶有限公司建造，首制船“東海救151”輪已于2019年12月25日交付使用。現(xiàn)就該新型中型海洋救助船的研發(fā)設計做簡要介紹。

1 船舶概況

1.1 船舶的用途和功能

該船主要用于在中低海況下，在沿海水道、島礁等復雜區(qū)域開展人命和船舶救助，可兼顧高海況下的救助任務，必要時參與動態(tài)值班待命。該船的主要功能如下：

1）具有對遇險船舶進行封艙、堵漏、排水、空氣潛水和拖帶等救助作業(yè)的能力；

2）具有一級對外消防滅火作業(yè)的能力；

3）具有海面浮油回收和海面消除油污作業(yè)的能力；

4）具有夜間海上搜尋救生、救助的能力，可搭載100 人，能對傷員進行簡易的藥物、器械和手術治療，可配合救助直升機進行海上搜索和救助；

5）能為難船供應必要的物資。

1.2 船型簡介

該船為全焊接式鋼質(zhì)船，橫骨架式，具有1 層連續(xù)主甲板。主甲板上設有2 層艏樓，主甲板下設有雙層底和雙殼結構。該船采用全電力驅動雙全回轉舵槳的主推進方式，采用兩大兩小的主電站配置形式，采用前傾式船首（帶球艏）和巡洋艦式船尾。船首設有2 個管隧式側推裝置；船中設有2 臺克令吊、2 艘救助艇和雙卷筒拖纜機；船尾主甲板作業(yè)區(qū)可開展拖帶作業(yè)、救生作業(yè)和浮油回收作業(yè)；主甲板后部可開展直升機懸停作業(yè)。該船氣象衡準按12 級風壓核算，可在9 級海況、蒲福氏12 級風力條件下安全航行。

1.3 船級符號和附加標志

★CSA Offshore Tug ／ Supply Ship ／ Rescue Ship；Oil Recovery Ship with Cargo Tank；Fire Fighting Ship 1；Ice Class B；PSPC（B）；ERS；In-Water Survey.

★CSM AUT-0；DP-2；Electrical Propulsion System；SCM；ECM；BWMP；BWMS；FTP；GPR.

1.4 主要技術要素和總布置圖

新型中型海洋救助船的主要技術要素見表1，船舶的總體布置概況見圖1。

表1 新型中型海洋救助船的主要技術要素

圖1 新型中型海洋救助船的總體布置概況

2 關鍵技術

該船的技術性能指標達到了國內(nèi)領先、國際一流水平，交付之后得到了船東的好評。該船的主要技術難點和關鍵技術如下。

2.1 主尺度論證

主尺度是影響船舶各項性能的先決條件，救助船主尺度的選取需考慮以下因素：

1）良好的船舶性能，包括耐波性、快速性、回轉性和抗沉性等；

2）船體及設備的重量、載重量和排水量得到綜合平衡；

3）作業(yè)甲板面積、設備和設施所需空間、艙室空間等合理配置。

船舶長度選擇考慮的因素主要有耐波性、總布置、排水量、快速性、抗沉性、回轉性、重量和強度等。通過選擇合適的船長避免產(chǎn)生較大的縱搖，保證船舶的耐波性能滿足要求。該船的功能復雜，設備配置較多，定員較多，船長的選取需滿足上述布置要求。船長較長有助于增大船舶的長寬比，對減小船舶的剩余阻力有利，但船長較長對船舶的回轉性不利，船長的選取需兼顧快速性與操縱性。

船舶寬度選擇考慮的因素主要有穩(wěn)性、快速性、橫搖性能和總布置等。船寬是穩(wěn)性的決定性因素，該船配置的甲板機械較多，重心較高，具備抗12 級風的能力，船寬的選取需滿足穩(wěn)性要求和特殊抗風能力要求。從快速性的角度考慮，船寬較小有助于改善船舶的剩余阻力，對快速性有利，因此在選取船寬時，應在保證穩(wěn)性和布置需求的基礎上使其盡可能地緊湊。

船舶型深選擇考慮的因素主要有干舷、穩(wěn)性、機艙和推進器艙布置空間、艙容等。增加型深會增加上層建筑的重心高度，增大船舶的儲備浮力，綜合而言對船舶的穩(wěn)性不利，因此型深宜在滿足布置要求的基礎上盡可能地緊湊。

船舶吃水選擇考慮的因素主要有救助海域水深限制、救助基地碼頭水深限制、排水量、快速性和運動性能等。

2.2 總布置

該船的功能復雜，其救助功能與大型救助船的救助功能基本相同，但其主尺度比大型救助船小很多。因此，對有限的空間進行高效利用，同時兼顧總布置對船舶總體性能的影響，是該船需解決的難題。此類船舶因機艙和上層建筑位于船中偏前的位置，極易出現(xiàn)艏傾現(xiàn)象。通過將起居處所的2 層甲板室靠后布置，使空船重心的縱向位置后移，并將燃油和淡水艙布置在中部偏后的位置，進一步優(yōu)化該船在裝載狀態(tài)下的浮態(tài)。該船的浮態(tài)性能優(yōu)異，在滿載狀態(tài)下不需要進行任何壓載水調(diào)節(jié)即可保證船舶適度艉傾，做到無壓載設計。上層建筑采用回字形布置，在船中布置梯道、洗衣房等對自然采光無要求的房間，在兩舷布置船員主艙，滿足自然采光的要求，面積在滿足海事勞工公約要求的基礎上做到盡可能緊湊；按不同甲板對上層建筑進行功能劃分，通過布置降低重心高度，提升居住的舒適性。

2.3 快速性

航速是衡量該船性能的重要指標。該船的傅里葉數(shù)達到0.30，屬于中高速船型。在快速性優(yōu)化中，主要對浮心位置、球艏形狀、艉部線型和全回轉舵槳安裝角度等進行研究。

為研究浮心位置對阻力的影響，對一系列浮心位置下的線型進行阻力計算。浮心位置的選取需兼顧設計工況下的裝載浮態(tài)，最終確定設計吃水下浮心的位置為中偏后-1.38%。

為增加設計水線長度，降低傅里葉數(shù)，采用大球艏的設計理念，最大程度地增加水線長度。在球艏線型研究方面，主要對浸沒式球艏與上翹式球艏進行對比研究。浸沒式球艏的興波集中在艏柱附近，艏柱處興波范圍較廣，且近乎處于破碎狀態(tài)；上翹式球艏的艏柱處興波范圍較小，部分興波受到球艏的作用前移，且興波較為平坦。浸沒式球艏與上翹式球艏的艏部興波對比見圖2。上翹式球艏改善了艏部興波，減小了興波阻力，其阻力性能優(yōu)于浸沒式球艏。

圖2 浸沒式球艏與上翹式球的艏部興波對比

艉部線型優(yōu)化主要是對艉部分水踵的線型進行優(yōu)化研究。研究發(fā)現(xiàn)，適當削瘦分水踵去流段線型，增加去流段長度，能顯著減少艉部流動分離現(xiàn)象的出現(xiàn)，大大改善艉部流場。圖3 為艉部線型優(yōu)化前后的艉部流場對比。

圖3 艉部分水踵優(yōu)化前后的艉部流場對比

在推進效率方面，對推進器的安裝角度進行優(yōu)化，并通過試驗進行對比研究。首先進行縱向安裝角為0°、2°、4°和6°的對比試驗，結果見表2。由表2 可知，當縱向安裝角為0°時，推進效率最高。隨后進行橫向安裝角為0°、±2°和±4°的對比試驗（外傾為＋，內(nèi)傾為-），結果見表3。由表3 可知，當橫向安裝角為2°時，推進效率最高。該船的推進器安裝角最終定為縱向0°，橫向2°。

表2 推進器縱向安裝角對推進效率的影響

表3 推進器橫向安裝角對推進效率的影響

最終通過計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）計算分析，阻力優(yōu)化取得了13.5%的優(yōu)化幅度，推進器安裝角優(yōu)化取得了3.1%的優(yōu)化幅度。水池船模試驗結果顯示，該船的快速性能優(yōu)良，航速指標高出設計要求0.3 kn，實船試航結果也高于設計要求。

2.4 浮油回收功能

該船具備浮油回收功能，設置有1 對浮油回收艙。通過對主流船級社的浮油回收船規(guī)范進行對比發(fā)現(xiàn)，設計建造該船時中國船級社規(guī)范對浮油回收艙布置的范圍限制與其他船級社有明顯區(qū)別，在與中國船級社進行多次研討之后，促使其修改了浮油回收船規(guī)范，推動了規(guī)范的進步。各船級社對浮油回收艙的布置要求和中國船級社修改相應規(guī)范前后的布置要求見表4。該船的浮油回收艙布置在泵艙兩側，靠近艉部推進器艙，浮油回收艙與泵艙之間設置有隔離空艙；浮油回收艙左右對稱布置，減小主甲板危險區(qū)域的縱向范圍；在主甲板上合理規(guī)劃浮油回收作業(yè)區(qū)域和回收油軟管的走向，降低危險區(qū)域對電氣設備配置的影響。

表4 各船級社浮油回收艙規(guī)范主要要求對比

2.5 特殊抗風能力

該船需兼顧高海況下的救助任務，因此船舶穩(wěn)性需滿足12 級風的特殊抗風要求。該船吃水較淺，滿足12 級風的特殊抗風要求是非常有挑戰(zhàn)性的。國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）的氣象衡準中對抗風能力的校核對應10 級風，船舶標準《海洋調(diào)查船特殊抗風力要求》可用來校核海洋調(diào)查船的特殊抗風能力，但不包括海洋救助船。因此，對于救助船而言，沒有相應的標準可參考。在該船的特殊抗風能力研究中，采用上述2 種方法進行研究和校核。為達到上述2 種方法對抗風能力的要求，該船通過增加可計入浮力計算的甲板室，增大船舶的GZ值（見圖4）。表5 為舷側甲板室計入浮力計算與不計入浮力計算的特殊抗風能力衡準計算對比。從表5 中可看出，舷側甲板室對船舶穩(wěn)性的貢獻非常大。

圖4 計入浮力計算的甲板室

表5 舷側甲板室計入浮力計算與不計入浮力計算的特殊抗風能力衡準計算對比單位m／s

2.6 噪聲性能

噪聲控制是該船的關鍵技術之一，主要有以下難點：

1）該船的主尺度較小，主要噪聲源距離起居處所較近；

2）噪聲源較多，包括主發(fā)電機組、艏側推和煙囪排氣等；

3）該船噪聲源的噪聲值較大，為滿足航速和2 級動力定位要求，該船的主發(fā)電機組功率和艏側推功率都比較大，噪聲源的噪聲值比較大；

4）該船對重量和重心比較敏感，無法通過大量增加減振降噪材料控制噪聲，需對重點艙室進行精準降噪，以實現(xiàn)噪聲性能與其他船體性能之間的平衡。

該船采用能量有限元法建模，分別針對航行工況和動力定位工況進行噪聲估算，噪聲計算模型和計算結果見圖5。

圖5 噪聲計算模型和計算結果

計算之后對不滿足規(guī)范要求的艙室進行噪聲性能優(yōu)化，平臺甲板的機修間、主甲板醫(yī)務室和駕駛室初次計算均不能滿足規(guī)范的要求。對這些重點艙室采取以下降噪措施：

1）在機修間增加浮動地板；

2）將醫(yī)務室的天花板由鋁蜂窩夾心板改為復合巖棉板；

3）將駕駛室的天花板由鋁蜂窩吸音板改為復合巖棉板，并增加浮動地板。

改進之后，這些重點艙室的計算值能滿足限值要求，優(yōu)化前后艙室噪聲計算值與實測值對比見表6。

表6 優(yōu)化前后艙室噪聲計算值與實側值對比 單位：dB（A）

從表6 中可看出，增加浮動地板對各層的降噪作用比較明顯。該船的主發(fā)電機和艏側推等主要噪聲源均在雙層底上，主要通過結構噪聲向上傳導，采取浮動地板能有效阻隔結構噪聲。

2.7 電站配置與大小機并車保護

該船是采用電力推進的海洋救助船，近些年建造的采用常規(guī)推進模式的大型海洋救助船均配置3 臺輔發(fā)電機組，滿足救助船發(fā)電機“1 用1 備1 修”的動態(tài)值班待命要求。根據(jù)多年的救助船設計經(jīng)驗，海洋救助船的停泊待命工況時間約占總時間的70%，若參照現(xiàn)有海工船的電站配置，其經(jīng)濟性和合理性均不理想。通過精心研發(fā)，將該船的電站配置為2 臺2600 kW主發(fā)電機組加2 臺450 kW主發(fā)電機組，可適應全速航行、巡航、對外消防、動力定位和停泊待命等多種工況，且具有良好的經(jīng)濟性。

該船大小機并車的功率比高達5.8∶1.0，為盡量減小柴油發(fā)電機組并網(wǎng)運行時電網(wǎng)波動對小容量機組的影響，采取以下措施：

1）在恒頻模式下，執(zhí)行非對稱負載分配；

2）冗余負載分配，在發(fā)電機組負荷分配模塊設置雙冗余通信系統(tǒng)，模塊發(fā)生單點通信故障不會影響整個負荷分配模塊的運行。

通過設置電站管理系統(tǒng)和發(fā)電機組負荷分配模塊，柴油機組負載分配3 個層級的控制，確保大小機并車安全可靠。

3 結語

“東海救151”是我國中型海洋救助船的旗艦。該船的成功研發(fā)和順利交付填補了我國中型海洋救助船的空白，為我國海洋救助船實現(xiàn)大、中、小系列化的戰(zhàn)略規(guī)劃打下了良好的基礎，該類型船在未來一段時間內(nèi)將成為我國沿海海域救助的主力軍。