50 000載重噸半潛運輸船總體優化設計

陳曉晨，肖留勇，高 斌

(上海船舶研究設計院，上海 201203)

0 引言

隨著海洋資源開發的不斷深入，世界各國對海洋工程結構物的需求越來越多，如導管架平臺、自升式鉆井平臺、半潛式鉆井平臺、風電安裝平臺、海底采礦平臺等。而這些大型海洋工程結構物體量巨大，其運輸受到起重能力、營運成本、運輸周期、氣候與海況等條件的制約，往往需要借助半潛運輸船這一特殊船型進行長距離的轉運遷移。

某50 000載重噸半潛運輸船“祥和口”號自2016年交付以來，承運了多型海工平臺，但在常年運營中發現了一些問題，如：壓載水艙容易淤積泥沙、不易排空；船舶尾部靠泊碼頭時，由于艉封板面積較小與碼頭護舷較難匹配；生活區布置的舒適性問題等。此外，近年來生效的新法規、新規范也對船舶環保排放提出了更高的要求。

為此，本文以在“祥和口”號船型基礎上改進的新一代50 000載重噸半潛運輸船為研究對象，在滿足現行的公約、規則、規范要求的前提下，針對該船型的作業特點，從線型、分艙布置、上層建筑布置、環保排放升級這4個方面進行優化設計。

1 主要參數

50 000載重噸半潛運輸船主要參數如下：總長216.70 m，型寬43.00 m，型深13.00 m，設計吃水9.60 m，下潛吃水26.00 m，載重量約48 000 t，壓載水量約95 000 m，服務航速14.5 kn，續航力約18 000 n mile，定員37船員+12乘客，船級CCS ★ CSA , Semi-Submersible Vessel, ERS, PSPC(B),Loading Computer(S,I), Ice Class B, In-Water Survey, BWMP★ CSM, AUT-0, GPR(EU), Green Ship I, NEC(III), BWMS,FTP, PR-2, DP-2, SCM。

2 線型優化

根據半潛運輸船的實際使用需求及特點，對新一代50 000載重噸半潛運輸船的線型進行針對性的優化，見圖1。

圖1 艏部線型對比

從圖1可知，船體首部線型取消了球鼻艏，采用了近年來應用廣泛的無球鼻艏線型設計，艏部線型更為豐滿。這樣的艏部線型優化設計，有以下幾方面的好處：

(1)對船舶穩性有利。因為半潛船下潛作業時，最危險的情況往往是在主甲板尾部剛入水的時候。此時，水線面面積急劇減少，船舶容易喪失穩性，所以艏部線型擴充后利于下潛時的穩性。采用該設計后，空船下潛時主甲板處于剛浸沒的狀態，橫向穩心距龍骨高度可以提高約0.7 m，初穩性高度可以提高約1.0 m。

(2)增大了艏部壓載水艙的艙容，提高了船舶儲備浮力。半潛船在下潛狀態下，必須保證一定比例的儲備浮力。中國海事局和中國船級社(CCS)要求在下潛工況時從下潛水線到其上第1層甲板的儲備浮力不小于3.5%，到第2層甲板不小于5%。挪威船級社(DNV)的要求更高，要求這2個數值分別不小于4.0%和5.5%，在2010年7月后又新增了艏、艉分別不小于1.5%的要求。該船的儲備浮力分別達到了5.58%及6.61%，滿足儲備浮力的要求。另外，艏部壓載水艙增大，也有利于半潛船在下潛作業時調整浮態；以較大的艏傾姿態下潛，可有效增大水線面面積，保證下潛作業的安全平穩。

(3)球鼻艏的主要作用是減小船舶興波阻力。而該船屬于中低速船，興波阻力占總阻力的比例較小，所以采用無球鼻艏的船首設計對快速性沒有太大的影響。采用無球鼻艏的艏部線型還可以避免球鼻艏復雜曲面的加工及內部狹小空間的施工，方便船廠施工建造，降低建造成本。

需要注意的是，艏部線型的調整會導致計算船長的變化，這也對防撞艙壁的位置及干舷計算產生了一定影響。由于該船取消了球鼻艏，計算船長與垂線間長一致為212.46 m，而母型船由于球鼻艏的存在，其計算船長為208.76 m。如果按母型船將防撞艙壁設在249號肋位，其距離艏柱的距離為17.5 m，就不滿足防撞艙壁距離艏柱的間距應小于0.08(為計算船長)即17.0 m的要求，故該船將防撞艙壁前移了一檔肋位。干舷計算也是由于計算船長變化的影響，導致若取原母型船的設計吃水9.68 m計算，則干舷不滿足。由于該船型線變胖，排水量增大，在9.60 m設計吃水時不僅能夠滿足載重量的要求，同時也能滿足干舷要求，所以該船選取9.60 m作為設計吃水。

母型船與新一代50 000載重噸半潛船的艉部線型見圖2。相比母型船，該船尾框線型下延，舷側變胖；呆木部分線型也做了調整，其橫剖面采用圓弧過渡。母型船在使用中發現，貨物在碼頭從艉部上貨時，由于艉封板高度較小，船舶尾部經常無法與碼頭橡膠護舷很好的接觸靠泊。通過加厚艉框線型，這一問題就得以解決，同時還能提高船體的剛度，使得整個載貨甲板的許用載荷可以保持一致。但這樣優化也帶來了問題，螺旋槳由于線型變化，直徑需縮小到6 m。所以需要根據現有的線型，重新設計與之匹配的高效螺旋槳及舵組合，彌補因螺旋槳直徑減小而導致的推進效率的損失。經水池試驗驗證，該船的航速能夠達到要求的14.5 kn。

圖2 艉部線型對比(單位：mm)

3 分艙布置優化

本船壓載水艙橫剖面見圖3，將壓載水艙分為上下3層共10個艙，頂層壓載水艙的艙容較小，這樣即使在貨物裝載中操作失誤導致主甲板受損，進而頂層壓載水艙進水，對船舶穩性影響也較小。與母型船不同的地方在于將雙層頂及雙層底由水平改為傾斜設計。這樣設計有2個優點：

圖3 典型壓載艙橫剖面

(1)有利于壓載水艙排水。原有的水平式艙底容易沉積泥沙，進而堵塞排水孔，使用時間一長排水速度就變慢，而要進入艙內清淤又是費時費力的工作。采用傾斜式艙底后，壓載水艙排水時泥沙大部分會隨著排水沖走，不易產生沉積，壓載艙清淤周期可大大延長。

(2)自由液面修正值大大減小。壓載水艙在滿艙或空艙時，2種型式的艙頂/艙底的自由液面修正值在理論計算上都為零。但是在實船操作中，由于壓載艙內結構件或是船舶浮態的影響，壓載水艙很難達到100%注滿或完全排空的狀態，往往會出現99%、98%或1%、2%的情況。若是水平艙頂/艙底，則自由液面修正值仍為最大值。而傾斜式艙頂/艙底的自由液面則限制在頂部/底部的小三角形內，因此自由液面修正值大大減小，下潛作業時的船舶穩性有明顯改善。

另外，該船將燃油艙的布置位置從船中位置調整到了船中后部即推進機艙前面的位置。由于淡水艙布置在船舶首部上建下方，其他輔助油水艙都布置在艏部機艙區域，這樣的總體布置就使得船舶首尾的油水分布更為平衡，出港和到港時的船舶浮態變化不大，避免船舶為了調整浮態在航行中頻繁地調撥壓載水。由于裝載貨物一般位于船中位置，若燃油艙布置在船中，則限制了裝載貨物時調整中垂彎矩的空間。

4 上層建筑布置優化

該船上層建筑布置相比母型船有以下提升：

(1)噪聲與振動優化：將機艙棚、風管、空調機室及應急發電機室都與船員生活區進行分隔，使生活區內的噪聲及振動可以控制在更低的水平。

(2)住艙布置優化：住艙的長寬比更為合理，避免過于狹長或拐角過多的房間，房間內設施布置更為規整，住艙整體設計更符合人體工程學的要求，同時也方便了船廠施工建造。

(3)通道優化：上層建筑內的通道布置更為方正，動線更為合理，方便人員日常通行及緊急情況下的逃生。

5 環保排放升級

為防止船舶營運對大氣環境造成的污染，國際海事組織對氮氧化物、硫氧化物等有害物質的排放作出限制。我國對于硫排放的控制更為嚴格，要求船舶燃油硫含量低于0.1%。新一代50 000載重噸半潛運輸船在設計之初就考慮了環保排放的要求，并采取了一系列的應對措施。

該船推進系統為柴-電推進，采用2臺中速推進電機配合齒輪箱，主機為4臺MAN 8L32/40。艏部機艙主要布置主機及輔機相關設備，艉部機艙主要布置推進電機系統相關設備。該船配置了SCR尾氣處理系統。該系統包括尿素艙、尿素泄放艙、尿素輸送泵、尿素供給單元、尿素噴射單元、SCR反應器。通過設置SCR尾氣處理系統，該船可以滿足Tier III階段的排放要求。

為了滿足硫氧化物排放的環保要求，該船設置了1套超低硫燃油系統。該系統包含了2個超低硫燃油儲存艙、2個超低硫油日用艙、1個超低硫油澄清艙，這樣單獨設置管路可以避免超低硫燃油和重燃油混合產生的雜質。采用超低硫燃油，既能滿足0.1%的硫排放要求，相比輕柴油其更容易維持需要的黏性和潤滑性，從而減少高壓油泵泄油量，降低柱塞咬死的風險，提高船員操作的便利性。

6 結論

(1)半潛運輸船線型設計在滿足快速性、操縱性的同時，還應盡可能提高其下潛穩性，保證下潛作業安全平穩。艉框線型盡可能加厚，以提高艉部結構強度，同時方便艉部靠泊碼頭裝載貨物。

(2)可以根據實際使用情況優化半潛運輸船壓載水艙剖面型式。油水艙布置要保證整體力矩的平衡，可減少因油水消耗導致的浮態調整。

(3)半潛運輸船由于人員較多、航程較長，應盡量提高生活區舒適性，將噪聲源與住艙進行分隔以降低噪聲及振動，內部通道及動線應合理規劃。

(4)對于環保排放的要求應給予重視，應根據生效的法規，考慮相應減排設施配置。設計方案在滿足環保排放的同時，也要考慮船員操作的便利性。