某坐底式半潛駁船專用系統設計

辛來寶 鄒愛芳

摘? ? 要：半潛駁船在工程上的應用由來已久，其主要在運輸大型海上石油鉆井平臺，大型預制結構件，超長、超重設備、設施，以及港口/碼頭建設，岸外工程建設，修、造船舶，打撈沉船，運送深水船舶等領域發揮著重要作用。近期，隨著海上風電業的興起，半潛駁船又應用于風機機艙、塔筒、葉片運輸，還可在潮間帶坐底兼作風機安裝作業設施。該型船作業系統獨特，本文將簡要介紹其壓載和船底噴沖專用系統設計。

關鍵詞：海上風電；半潛駁船；壓載和船底噴沖系統

中圖分類號：U664.83+2 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Specialized System Design of a Bottom-Sitting Semi-Submersible Barge

XIN Laibao，? ZOU Aifang

（ Shanghai Bestway Marine Engineering Design Co.， Ltd.，? ?Shanghai 201612 ）

Abstract： Semi-submersible barge has been used in projects for a long time. It plays an important & unique role in transporting super long and overweight equipment that cannot be separated and carried， such as large offshore oil drilling platforms， large ships and prefabricated components， as well as in port/dock construction， offshore engineering project construction， repairing and building ships， salvaging sunken ships， transporting deep-water ships through shallow water channels， etc. With the rise of offshore wind power industry in recent period， new mission has been given for the semi-submersible barge： to transport the fan engine room， tower barrel and blade， and to use as a fan installation ship while bottom sitting during intertidal zone. Such ship operation system is especially unique. This paper outlines the special system design such as its ballast and bottom jet systems for the semi-submersible barge.

Key words： offshore wind power;? semi-submersible barge;? ballast and bottom jet system

1? ? ?前言

風力發電是將風能轉化為電能，是一種清潔型能源。現有陸上風力發電和海上風力發電兩種型式。陸上風力發電發展較早，但其易受地形阻力的影響，往往會產生噪音擾民。另外，陸地上能建風電的余地十分有限，而海上可用面積多，風流量大、風力足，且一般無地形阻力的影響，同時也無占用農耕地和林業用地擔憂，故海上風電發展前景可觀。

但海上風電場的建設亦存在諸多難題，如施工難度高，施工周期長等等，導致海上風電成本比陸上風電高50%～100%，其中海上風電開發總成本中的22%用于風電安裝中[1]。風電安裝是海上風電開發建設的基礎環節，其中包含風機基礎安裝、機艙安裝以及葉片安裝等主要工程。

海上風電安裝受作業海域水深影響大，常見采用以下方案作業：在潮間帶可采用坐底式半潛駁船或坐底式平臺；在淺水區域可采用殼體式或桁架式樁腿[2]；當水深超過60 m時，一般采用圓柱式樁腿配備插銷式液壓升降系統或桁架式腿配備齒輪齒條升降系統。此外，在天氣和波浪條件較好的水域可采用起重船。由此可知，坐底式半潛駁船具有一定的市場。而該船型屬特種工程船，系統配置復雜，其中壓載和船底噴沖系統是其關鍵的專用技術。本文將以某坐底式半潛駁船為例，簡要介紹其壓載和船底噴沖系統設計。

2? ? ?某半潛駁船及坐底作業概況

2.1? ?半潛駁船基本情況

某坐底式半潛駁船主尺度參數參見表1所示。其主船體為鋼質箱型、單底、單甲板焊接結構，四角塔樓，首部左右塔樓橋接，無甲板室，設有 8點錨泊定位設備。

該船漂浮和坐底狀態分別見圖1（a）和（b）所示。

2.2? ?坐底作業

該船可坐底作業。按狀態分為干式坐底和濕式坐底型式。

干式坐底型：整船坐落于無水（水深為0）的海底泥/砂床上。

濕式坐底型：整船半潛坐底，舷外海面保持一定的自然水深。其又分為無浮力坐底和有浮力坐底兩種工型式。前者的船底入泥與海床完全接觸，底部無浮力作用；后者是部分船底區域未能接觸到海床，在船舶底部產生一定浮力。其原因有：由于坐底時的回流沖刷海床形成的局部“掏空”進水，或雖底部接觸入泥，但海床泥土具有較大的透水特性，其含水量較高（含水量越低，所產生的浮力越小）等。

影響坐底半潛駁船作業可靠性的關鍵性系統主要有壓載系統和船底噴沖系統。壓載系統通過控制泵和遙控閥等來實現船舶的下潛（包括坐底）和上浮，合理的壓載艙布置和壓載系統的設計對于此型船的作業可靠性和安全性尤為重要。而船底噴沖系統通過高壓水沖擊船底，以使其可快速上浮，能遷移至下一個工位作業點，因此該系統可以說是該型船舶上浮并脫離海床的保障系統。

3? ? 壓載艙布置及壓載系統設計

3.1? ?壓載艙布置

該型船為濕式坐底型。為確保坐底時船舶性能，根據總布置情況，在主甲板以下共設有20個壓載艙。壓載艙應盡量均勻分布，各艙艙容宜相近，以使各艙注、排水時間基本相同為宜，并可防止因過大的不均勻引起局部沉陷問題。其分布圖如圖2所示。

依據CCS船舶坐底作業附加要求，總體計算計及了100%浮力，即對地壓力有超壓水量，以保證坐底抗傾、抗滑移，同時也考慮海流對海底土壤的沖刷引起的負作用。最終本船最大坐底吃水確定為36 m。

為能實現最大吃水狀態坐底，四角塔樓下的8個壓載艙（BWT1（P2）、BWT1（S2）、BWT2（P2）、BWT2（S2） 、BWT4（P2）、BWT4（S2）、BWT5（P2）、BWT5（S2））往上延伸直到平臺甲板（距基線高45 m），以存儲足夠的壓載水（以下稱其為“超壓水”），如圖3所示。

3.2? ?壓載系統設計

為保證本船能安全可靠地上浮、下潛及坐底作業，該船所有壓載艙設有一套具備動力注入/排出的壓載系統，其主要由壓載泵、遙控閥門、液位遙測等組成。

設計時首先需確定總壓載水量、進排水時間、壓載泵流量和揚程等主要參數。全船起浮所需排出壓載水估算約36 850 t， 為縮短起浮時間，使從最大沉深上浮至設計吃水不超過2.5小時，全船共設8臺壓載泵，每臺泵排量應不小于下式計算結果q，以增加有效的作業窗口期。

（1）

式中：q為每臺壓載泵的排量，m3/h；Q 為壓載泵的總排量，t ；n 為壓載泵的數量，臺 ；t 為作業時間，h 。

該船在主甲板下首、尾各設1個泵艙。首泵艙內布置4臺壓載泵，每舷各布置2臺壓載泵。尾泵艙內亦布置4臺壓載泵，每舷各布置2臺壓載泵。8臺壓載泵可同時工作，即同時注入或排出艙內壓載水。各泵艙內左、右舷的壓載泵通過橫向總管相連接，每臺壓載泵都可以抽吸（或注入）同側或另一側的壓載水艙，系統具有冗余功能。考慮首、尾泵艙相距較遠，縱向壓載總管不連通。其壓載管及吸口布置如圖4所示。

由于“超壓水”的存在，則壓載泵揚程不能按常規沉浮曲線上最大壓差（～10.8 m）選取，應依據最大外部吃水與壓載艙液位差及管路阻力損失計算[3]綜合考慮確定。初步計算最大沉深時壓載泵需要克服總共約16 m水柱的重力勢能和管路總阻力，為此，該船壓載泵揚程最終選取20 m水柱。

該船壓載水總管為單總管式，其進、排水均從海水箱所連接的總管通過。為減少排水時管路阻力，壓載泵出口宜朝向海水箱。經綜合考慮，對于四角塔樓下的8個“超壓水”壓載艙，其單個壓載艙進、排水支管通過的設計流量取單臺壓載泵排量（～2000 m3/h），管內流速按常規選取2～3 m/s。該支管管徑di由計算確定，其通徑選取DN550。各艙支管末端采用2個DN400支吸口，便于艙結構圍繞吸口布置構件和加強。總管通徑按2臺壓載泵同時工作時的流量設計，計算后選取總管通徑選取DN800.

坐底工況時，通過向壓載艙內注入適當的超量壓載水（36 m水深坐底時打超壓載水量～11 350 t），以達到穩定坐底的目的。脫離海床起浮時需排出這些壓載水。該船壓載艙數量多，且單艙容積大，故壓載艙內水位對船舶吃水、船舶安全及功能的實現影響較大。基于該型船特點，設計時需注意以下幾點：

1）該船壓載艙的液位遙測不選用常規的壓電式傳感器。因長時間運營后海水中攜帶的大量泥沙會逐步沉積在壓載艙內，容易堵住壓電式傳感器測點，導致測量結果不準確甚至失效。本船采用吹氣式（或稱氣/電轉換式），壓縮空氣流經減壓過濾器后導入氣/電轉換箱（內含各壓力艙傳感器），最終通過若干不銹鋼管通向各個壓載艙。需注意：

（1）氣/電轉換箱布置位置高度應高于被測壓載艙，以防其海水倒流而損壞其內部電氣元件。經實船驗證，采用氣/電轉換箱放置在較低位置，并在通氣管上加止回閥的方式不可取，因其易發生損壞傳感器元件事故；

（2）隨著壓載艙內水位增加，耗氣量增加明顯，故在空壓機和空氣瓶選型時應充分考慮。

2）依據結構設計載荷的要求，下潛或上浮作業狀態時，以舷側為邊界的壓載水艙的壓載水面與實際吃水線之間的高度差不得超過 15 m；相鄰的壓載水艙的壓載水面高度差同樣不得超過各內艙壁承受壓差限定值。該項數據可以從遙測系統的電腦上直接觀察監視，并設有超值報警信號，以提醒船員及時調整各艙水位差。

3）船舶吃水傳感器所在舷側管上增設壓縮空氣吹除接口及閥門，以便船員定期開啟閥門，用壓縮空氣對管內進行吹除，減少因管內泥沙淤積引起的測量誤差甚至堵塞導致的失效。

4）為確保船舶平穩坐底及加快脫離海床，四角塔樓下的8個壓載艙（BWT1（P2）、BWT1（S2）、BWT2（P2）、BWT2（S2） 、BWT4（P2）、BWT4（S2）、BWT5（P2）、BWT5（S2））增設重力注入和壓力排出壓載水功能。通舷外管（從舷邊到內側）上依次設手動蝶閥和遙控蝶閥。

5）壓載系統內需經常操作的閥門數量多，通徑大。為操作方便，該系統內常用閥門均采用遙控蝶閥形式。本船遙控閥采用電液式雙作用驅動頭，干式安裝。其具有安全可靠、功耗小、啟閉時間較短的特點。此外，進、出壓載艙的遙控蝶閥（包括重力注入、排出閥）均采用開度控制，以便船員在不停泵的情況下合理調節各艙壓載水速率，精準控制船舶姿態，保證船舶穩性。壓載泵出口遙控蝶閥也采用開度控制，以降低起動電流，保護壓載泵電機。

6）船舶坐底后，低位海水箱附近的海水通常會變渾濁，甚至被海沙、泥等覆蓋。故在每舷側的壓載泵附近分別設置獨立的高、低位海水箱，且高位海水箱位于主甲板上塔樓內側，以減少坐底工況渾濁海水或泥沙進入壓載艙的風險。船員可根據下潛及上浮作業區域水深以及吃水情況，合理選擇使用高、低位海水箱。

4? ? ?影響起浮的主要因素分析及噴沖系統設計

4.1? ?影響起浮的主要因素分析

坐底時，如果海底為砂床，對船舶上浮影響很小；如果海底為泥床，則海泥將產生較大吸附力，對船舶上浮有較大影響。

海泥吸附力主要由側面摩檫力、底面粘著力、底面真空吸力組成。根據模型試驗可知，底面的真空吸力主要取決于起升時海水滲入接觸面的程度。如邊界條件保證其難以滲水，則其底面真空吸力將是拉脫強度中的主要部分，并決定和支配著其它兩種因素[5]。因此，脫離海床起浮的關鍵在于保證船底上浮時透水的有效性，決定其能否利用船體自身浮力實現起浮。

4.2? ?噴沖系統設計

依據上述分析，該船增設船底噴沖系統。理論上全船底部設噴沖裝置更有利于增加船底透水的有效性。但布置過多的舷側開孔將增加泄漏的風險，同時引起管系路系統復雜，控制閥增加，泵排量加巨，泵電機功率顯著加大，電力負荷超限，電站增大，成本高等問題。

該船通過排水操作流程上作了一些調整，僅在船舶四角、船底區域局部設置噴沖管路及噴嘴，即可滿足使用。主要是：排水過程中，當各艙內壓載水位降到主甲板附近時，優先將四角塔樓下的8個壓載艙內海水多排掉至少2 m高差的壓載水，使四個角形成上浮的力（此后這8個艙與其余壓載艙一直保持這樣的液位差。“超壓水”排出快結束時即開啟噴沖泵。此時，舷外海水經加壓后通過截至止回閥、噴沖管及支管、噴嘴，最終以較高射速直接噴入船體四個角船底周圍的海泥，利用噴沖的沖刷作用，破壞邊界條件，降低海泥對四個角船底的吸附力，保證船底海水的滲入，并從四個角形成突破口，逐漸向船底面滲水，從而達到輔助船舶上浮的目的。

本船設4臺噴沖泵，主要參數50 m3/h×2.0 MPa，首、尾泵艙內各布置兩臺，設若干噴沖支管。

由于泵出口壓力較大，噴沖系統內無縫鋼管壁厚應按船級社規范[6-7]要求計算確定。噴沖支管上設截止止回閥，通過控制截止止回閥來控制釋放區域以及噴射流速，其噴嘴勻布布置。依據馬飛的研究理論[8]，在淹沒射流作用下，土體表面壓力分布為：

Fb = 7.05×P0×R02? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中： Fb —— r=b處對應的作用力，kN;

r —— 射流的作用半徑；

b—— 射流的半寬厚度；

P0 —— 噴嘴出口壓力，MPa;

R0? —— 噴嘴出口半徑，m。

該船采用2 MPa壓力水源。依據總體提供的數據，按公式（2）計算其噴沖斷面半徑約為2.5 m，而實際噴嘴覆蓋面按2 m半徑布置。噴嘴典型圖如圖5所示， 局部噴沖管及噴嘴布置圖見圖6。

隨著壓載水不斷被排出舷外，模型試驗顯示：拉力（由浮力提供）持續加大，船體與海床之間的粘著節點上的粘著力逐步被破壞，施加拉力越快，需要同時克服的結點上的粘著力越多。同時由于海泥的粘滯性等特征，底面的真空吸力消減隨其下海泥的膨脹變慢，起拉速率越大，拉脫強度越大。故在排載過程中應盡可能勻速地排水，當超壓水量接近全部排出時，宜大幅減小壓載水的排出量，直至提供浮力的少量剩余壓載水（～1 000 t）排完，減緩浮力的增加速度，以降低其拉脫強度。建議排水脫離海床上浮作業在漲潮期間進行，以能充分利用其船體產生的大浮力及大海涌浪沖刷等有利條件，實船驗證確實效果明顯。

4.3? ?噴沖系統操作注意事項

1）該船船底噴沖系統主要采用高壓水噴沖，設有四個噴沖區域（艏左區域、艏右區域、艉左區域、艉右區域）。每個噴沖區域由兩個沖水閥控制。在入泥較深情況下，應采用分區域沖水（開啟兩臺沖水泵，并開啟該區域一個沖水閥進行沖水）；

2）應優先選擇入泥較淺的區域開始噴沖，同時優先排出該區域的壓載水（如需）；

3）噴沖過程應時刻觀察泵出口壓力及泵運行情況。如出現泵出口壓力迅速且明顯下降，則表明噴嘴已經沖開。此刻尤其注意泵工作電流，如其超過泵額定工作電流，應關停噴沖泵及該區域沖水閥，進行下一個區域噴沖；

4）如噴嘴長時間未沖開，噴沖泵將長期處于“悶泵”狀態。為防止其因“悶泵”損壞，可采用輪流使用不同噴沖泵或停泵間隔噴沖的方法，或在沖水泵出口設置旁通管路，可部分或全部開啟旁通管路，以防止沖水泵長期“悶泵”工況。此外，作業期間可采用點溫計等形式測溫，判斷是否需要停泵。

5? ? ?結束語

雖然坐底式半潛駁船型風電安裝船受水深限制影響大，不同作業位置間的轉移速度緩慢，但總體上其造價低、建造周期短、坐底后作業穩定性高，適用于沿海灘涂或淺水域。坐底式半潛駁船由諸多系統組成，本文僅概述其獨特的壓載和船底噴沖專用系統設計基本情況，旨在為同行提供有益幫助。

參考文獻

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[8]馬飛. 水射流動力特性及破土機理[J].北京科技大學學報，2006，28（05）.

作者簡介：辛來寶（1983- ），男，工程師。主要從事船舶設計工作。

鄒愛芳（1986- ），女，工程師。主要從事船舶設計工作。

收稿日期：2023-05-08