模塊化組合工程船平臺的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

范懷斌，陸少鋒，刁 約，巫建軍，李全民，李基銳

(1.廣西新港灣工程有限公司，廣西南寧 530200；2.廣西大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，廣西南寧 530004)

引言

工程船配套有成套的施工設(shè)備以完成特定的工作任務(wù)，如航道疏浚、港口作業(yè)、水上施工等。近年來隨著港口航道的持續(xù)開發(fā)，對工程船的需求不斷增加。然而面對新船建造周期長、分割運(yùn)輸工作量大、在相同水系托運(yùn)成本高、在不同水域無法進(jìn)行拖運(yùn)等工程難題。國內(nèi)學(xué)者對模塊化船舶開展了一些相關(guān)研究，朱宙宇等［1］運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)原則和方法開展了系統(tǒng)性研究和論證；饒真龍等［2］基于短途航運(yùn)的可分離模塊化組合船型實(shí)現(xiàn)了船體模塊間的分離與合并；王琦［3］論證了模塊化船的開發(fā)離不開標(biāo)準(zhǔn)化的基本原理，標(biāo)準(zhǔn)船的開發(fā)更應(yīng)該引入模塊化的思想；王婷婷［4］以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為依托，以模塊化總裝造船為目標(biāo)對船舶產(chǎn)品進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)；孫洪源［5］總結(jié)了模塊化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不同及模塊化設(shè)計(jì)的流程；王昊［6］建立了船舶推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)船舶相關(guān)技術(shù)文檔，分析了船機(jī)配合特性。

基于以往的研究成果，本文設(shè)計(jì)了一種組合工程船作業(yè)平臺，可以實(shí)現(xiàn)不同時建造，拼裝后組成鉆爆工程船，挖泥船，打樁船、貨船等施工作業(yè)船。

1 模塊化分體工程船平臺

為便于船舶運(yùn)輸，設(shè)計(jì)時船舶各箱體參考20＇GP 標(biāo)準(zhǔn)集裝箱掛車尺寸，箱體間采用“工”型連接結(jié)構(gòu)。其中1 號箱是船舶中央箱體，配置發(fā)電機(jī)、液壓設(shè)備等，為動力艙；5 號箱為空壓機(jī)艙；6 號箱和6＇號箱是推進(jìn)器艙，結(jié)構(gòu)互為對稱；4 號箱和4＇號箱互為對稱，2、4、4＇箱組成船頭，3、6、6＇箱組成船艉，組裝時以1 號箱為中心進(jìn)行組裝，拼裝順序1→2→3→5→5＇→4→4＇→6→6＇。箱體組成的船體結(jié)構(gòu)見圖1 所示。

圖1 組合工程平臺平面圖

2 船型概述

船體結(jié)構(gòu)按中國船級社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2016)、第1 次變更通告(2016)及其“修改通報(bào)”(2019)第1 篇第2 章、第10 章“工程船船體結(jié)構(gòu)補(bǔ)充規(guī)定”對A 級航區(qū)第Ⅲ類工程船的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。本船干舷及穩(wěn)性滿足中華人民共和國海事局《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》(2011)及其“修改通報(bào)”(2015、2016)對A 級航區(qū)的要求。船舶設(shè)計(jì)圖紙經(jīng)船檢機(jī)關(guān)審驗(yàn)合格，在有條件的船廠生產(chǎn)出各個箱體組裝成船舶，經(jīng)船檢機(jī)關(guān)檢驗(yàn)合格后，拼裝成船舶再經(jīng)船檢機(jī)關(guān)檢驗(yàn)合格頒發(fā)船檢證書，才能投入使用。船型主要尺寸見表1 所示。

表1 船舶主要尺寸

2.1 連接強(qiáng)度校核

本平臺由中部主浮箱和兩側(cè)對稱布置的四個邊浮箱組成，主浮箱和邊浮箱分別用若干組連接裝置連接，圖2 為箱體連接螺栓位置圖，選擇甲板和底板處進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

圖2 箱體連接螺栓位置圖

連接裝置分別在甲板附近和在船底附近連接，P1 連接裝置在甲板附近和船底附近的連接法蘭均有12 顆螺栓，螺栓直徑為30 mm；P2～P8 的連接裝置跟P1 連接裝置相同。螺栓的法蘭座板由鑄鋼加工而成。

邊浮箱兩組連接裝置在甲板和船底所受水平拉應(yīng)力：

經(jīng)計(jì)算：

主浮箱與邊浮箱之間的連接裝置的合成應(yīng)力：

經(jīng)計(jì)算：

2.2 密封性試驗(yàn)

密性試驗(yàn)按中華人民共和國海事局《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》(2011)及“2015、2016 年修改通報(bào)”第五篇2.1.4 及《河船法定建造檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》（2011）第3 章3.5 的有關(guān)要求對本船進(jìn)行試驗(yàn)。密性試驗(yàn)達(dá)到如下要求：

1）試驗(yàn)時應(yīng)在舾裝前進(jìn)行，即焊縫區(qū)域未涂保護(hù)層或未敷設(shè)隔熱材料前進(jìn)行；

2）壓水試驗(yàn)時各艙焊縫必須干潔；

3）本船按下表所列部位進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)時，將水灌至表中所規(guī)定的高度，10 至15 分鐘后，在該水壓高度的條件下，有關(guān)船體結(jié)構(gòu)和焊縫不應(yīng)有變形和滲漏現(xiàn)象；

4）沖水試驗(yàn)可用涂煤油試驗(yàn)代替，進(jìn)行沖水試驗(yàn)時，噴嘴處壓力應(yīng)至少為0.2 Mpa，最大距離應(yīng)不大于1.5 m，噴嘴直徑應(yīng)不少于13 mm。

3 模型建立

本方案為鋼結(jié)構(gòu)動力平臺，屬Ⅲ類工程船。平臺結(jié)構(gòu)為單底、單殼、單甲板、橫骨架式結(jié)構(gòu)，舷側(cè)為交替肋骨制形式結(jié)構(gòu)；采用6 個浮箱、3 個片體連接而成。船頭箱體如圖3 所示：

圖3 船頭箱體

主浮箱與邊浮箱的前后浮箱均采用法蘭連接。箱體連接結(jié)構(gòu)動力平臺如圖4 所示：

圖4 箱體連接結(jié)構(gòu)動力平臺

通過箱體連接結(jié)構(gòu)動力平臺安裝軌道式平行鉆機(jī)

機(jī)架系統(tǒng)組成的鉆爆工程船如圖5 所示：

圖5 鉆爆工程船

4 拼裝工藝

4.1 拼裝方案方案介紹

船體由左前浮箱、左后浮箱、前主浮箱、后主浮箱、右前浮箱、右后浮箱組成，共計(jì)6 個浮箱。甲板建筑及所有設(shè)備全部設(shè)計(jì)為可拆解結(jié)構(gòu)，整船屬于組合式機(jī)動鉆機(jī)船。本船拼裝結(jié)構(gòu)屬于改良的船體聯(lián)接設(shè)計(jì)，可快速完成水面拼裝。

4.2 拼裝步驟

1）所有箱體運(yùn)輸?shù)轿缓螅仍谏硤銎秸麍龅貙觾啥沃鞲∠洌肯潴w下部設(shè)有3～4 個4 m 的氣囊，并通過氣囊充氣預(yù)調(diào)平箱體）。由于主浮箱是由兩段箱體焊接而成，同時使用了全新設(shè)計(jì)的聯(lián)接法蘭，聯(lián)接法蘭也可增加一部分強(qiáng)度。聯(lián)接法蘭在進(jìn)行主浮箱兩段對接過程中，可避免箱體的錯位（聯(lián)接法蘭帶有錐形定位錐），并能保持兩段主浮箱的平直對接，同時減少了對場地的平整要求。兩段主浮箱對接完成后，進(jìn)行對接縫焊接。考慮單獨(dú)的焊縫不滿足強(qiáng)度要求，所以需在對接箱體的四邊焊縫處腹板200 mm 寬8 mm 鋼板來補(bǔ)強(qiáng)，腹板需均布100×10 mm 塞焊孔如圖6 所示。

圖6 拼裝塞焊孔

2）主浮箱兩段焊接完成后，依靠氣囊滑下水，如條件不允許（水位落差太大）時，可采用兩臺 100 t 吊機(jī)抬吊下水。主浮箱分布有發(fā)電機(jī)艙（發(fā)電機(jī)沒有對中安裝）和油艙，箱體最長、重量最大。受發(fā)電機(jī)不對中安裝的影響，下水后可能會產(chǎn)生左（右）傾斜，所以主浮箱在下水過程中屬于風(fēng)險(xiǎn)較大的一步工序，可通過配重預(yù)調(diào)壓載平衡。下水過程中，需利用錨艇靠泊來輔助主浮箱的穩(wěn)定性，并用纜繩進(jìn)行固定。錨艇靠泊的作用是為了防止主浮箱在移動過程中出現(xiàn)側(cè)傾。主浮箱下水后，需要移動到船艏垂直于岸邊，使船艏部分箱體輕微擱淺在邊坡上（類似錨艇靠岸時，前車頂岸坡一樣），依靠擱淺的部分可以很好的防止浮箱在后繼的拼裝過程中產(chǎn)生側(cè)傾和提供相對平穩(wěn)的箱體，為下一步的拼裝提供便利，如圖7 所示。

圖7 岸邊拼裝圖

3）起吊左（右）前浮箱。左（右）前浮箱長17.8 m，寬2.8 m，靠前位置有定位樁套（不對中安裝），舷邊水線下有圓角，首部有傾斜。所以，左（右）前浮箱在吊放入水后，產(chǎn)生的側(cè)傾會比主浮箱更嚴(yán)重。由于艏部有傾斜，產(chǎn)生的浮力小，因而出現(xiàn)首重尾輕的現(xiàn)象。在拼裝中，出現(xiàn)兩個浮箱的前后高低錯開的現(xiàn)象，這是拼裝過程中的一個難點(diǎn)。所以，在起吊左（右）前浮箱進(jìn)行拼裝時，需要吊機(jī)保持吊重協(xié)助進(jìn)行扶正。同時，錨艇需要停靠在主浮箱的后部。在需要時，利用多根吊臂鋼絲繩幫抬吊主浮箱后部同步調(diào)平，如圖8 所示。

圖8 調(diào)平安裝

4）吊裝左（右）后浮箱，左（右）后浮箱長21 m，寬2.8 m，分別布置有動力主機(jī)艙、定位樁套、液壓泵站和鉆機(jī)工作平臺，形狀不規(guī)則，重量分布不均勻，在水中的自由狀態(tài)與左（右）前浮箱相像，并且側(cè)傾還要嚴(yán)重。所以，同樣需要兩臺吊機(jī)進(jìn)行抬吊，并且在進(jìn)行對接-聯(lián)接法蘭緊固的過程中，吊機(jī)不可完全放松起吊鋼絲纜，如圖9。

圖9 安裝平面圖

5）五個浮箱完成吊裝，并且左、右浮箱的中間聯(lián)接法蘭都進(jìn)行了緊固，使全部浮箱形成三個獨(dú)立的船體。下一步工作需要把左、右船體向中間合攏，并緊固聯(lián)接法蘭，完成船體拼裝。在進(jìn)行合攏前，需要舷邊的前、中、后部位對稱安裝導(dǎo)纜架，并安裝好張緊鋼纜。總裝完成結(jié)果如圖10 所示。

圖10 完工后的鉆爆工程船

5 結(jié)語

組合工程船改變了傳統(tǒng)的船體建造方法，易于制造、拆裝方便、機(jī)動性強(qiáng)。拼裝后進(jìn)行施工可減少工程船儲備量，避免部分工程船處于停航狀態(tài)而施工又急需工程船的狀況，減少了船舶管理成本和造船成本，縮短項(xiàng)目施工工期。即使長期處于停航狀態(tài)，也可將零部件運(yùn)回倉庫，減少管理成本。主要優(yōu)勢集中在以下幾個方面：

1）可以在任意航區(qū)調(diào)遣、航行、施工，還可以運(yùn)輸至各種不通航的水域開展作業(yè)，在一定范圍內(nèi)可以根據(jù)施工需要組合成大小適宜的施工船舶；

2）由于工程船是一種特種作業(yè)船，不能使用其他類型船舶就近改造或租賃其它船舶進(jìn)行施工。而通過模塊化組合工程船配置不同的設(shè)備可形成鉆機(jī)船、挖泥船、打樁船、貨船等多種船舶。

3）能夠在水面進(jìn)行拼裝，不用上、下排在船廠拼接，可減少對場地的要求。