半潜船完整稳性的初步研究

陈 伟 宗 智，2 林 哲 郝威巍

1大连理工大学 船舶工程学院，辽宁 大连116024 2工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连116024

半潜船完整稳性的初步研究

陈 伟1宗 智1，2林 哲1郝威巍1

1大连理工大学 船舶工程学院，辽宁 大连116024 2工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连116024

和其它类型船相比，半潜船的工况更复杂，船舶型线和用途也很特殊，使得稳性问题成为设计中一个重大的挑战。但目前还没有针对该类船舶的稳性规范，对该类船型开展稳性研究很有必要。通过1艘改装半潜船的稳性计算，发现航行状态下半潜船稳性特征与江船类似。而在下潜状态下，稳性随吃水增加而有所好转，在货物甲板出入水时稳性最差，此时可以采用纵倾来改善稳性。同时建立了依据完整稳性的船舶装载能力的数学模型。

半潜船；完整稳性；模型

1 引言

半潜船是一种新型海上大型构造物运输的特种工程船舶。半潜船通常的工作过程是：首先使半潜船下潜到要求的吃水深度，将待装载的货物移至船舶主甲板上方后开始上浮，同时装载的货物被托起，待主甲板出水后将货物固定好，运输至目的地；卸货时拆掉紧固构件，船舶再度下潜至要求的深度，将装载的货物移出。其主要用途是运送各种海上或陆上的大型物件，也可装载滚装货物，铺设海底管路和电缆等［1］。

由于当今世界各国对海洋石油开发力度的增强，以及通信业的迅猛发展而需要敷设大海底电缆和光缆，因此半潜船的需求正增加。处于保修期的海洋石油钻井平台，也需要用半潜船将其搬运到船厂保修。另外更换钻井而需要移动海洋石油钻井平台时，经常用半潜船来搬运这些钻井平台。但据统计，有动力远航能力的半潜船全世界仅有30艘，所以，目前船舶市场对新半潜船的需求量很大。

半潜船是属高技术含量和高附加值的船舶，在世界上为数不多，国内国外能设计此类特种船舶的单位也不多。在国内对此开展研究的主要是广船国际和上海船舶设计研究院［2－6］。在半潜船的设计过程中，稳性问题是难点。从现行各大船级社的规范来看，业界对该问题还没有定论。另外，由于半潜船载货货物形状的不确定，给稳性计算带来了非常大的困难。因此有必要对半潜船开展深入、细致的研究。

本文结合一艘改装半潜船，研究其完整稳性特点。通过计算，旨在揭示半潜船的稳性特点，探讨半潜船稳性加强的措施，为半潜船的稳性设计提供更好的参考。本文的计算软件采用Win Argos 8.2s［7］。它是BV开发的用于船舶稳性和总纵强度计算的商用软件。通过完成船舶型线、舱室等的建模后，可以依据不同的规范来校核船舶的稳性。

2 实例半潜船特性

本文以1艘改装半潜船（DEVELOPMENT WAY）为例，对半潜船的完整稳性进行初步研究。该半潜船的总布置简图见图1。该半潜船主要参数见表1。

表1 主要参数

图1 半潜船总布置图

从其总布置图可见半潜船突出的特点就是将船中部分切掉一块，形成凹形的侧投影。这种“凹”形结构是形成半潜船稳性特征的一个主要原因。从总体考虑，改装半潜船与设计半潜船相比，差异在于上层建筑的位置刚好相反以及主尺度的差异。前者差异对于船本身的横稳性没有本质影响。设计半潜船的主尺度的特点就是船宽较大，后者的差异可以通过在改装半潜船两舷侧加装水密浮箱来解决。对于本例，加装浮箱后船宽变为38 m，其主尺度符合设计半潜船的特征。研究改装半潜船的稳性，可以揭示半潜船稳性的一般规律。

3 实例半潜船静水力曲线分析

以本船为例，半潜船静水力曲线如图2所示。和普通船相比，半潜船的静水力曲线上存在着非常明显的间断。对于本例，间断发生在货物甲板入水处。该吃水（12.71 m）以下和以上，静水力曲线光滑过渡。但是在该吃水处，除了LCB（纵向浮心位置）以外，所有的静水力参数在形式上均有所变化。影响半潜船浮态和稳性的水线面漂心位置（LCF）、横稳心高（KMT）等发生突变。

对于本例改装半潜船，空船重心偏向船中靠后部分，而且当吃水大于型深时，水线面面积主要集中在船尾。在货物甲板入水后，船的漂心向后移动，使得空船重心所引起的尾倾力矩减小，相反大量的压载水将产生很大首倾的力矩，这将导致船舶的浮态极易发生变化，在下潜阶段极易出现埋首，而且漂心之前的少量压载水就能引起较大的首倾。水线面面积骤减，而且面积主要集中在船尾，是导致漂心后移的主要原因，同时将导致横稳性高减小。半潜船在水下也会承受一定的货物载荷，其重心在货物甲板之上，对稳性更加不利。此时半潜船的稳性受到严峻的考验，对下潜过程中的操纵控制提出了更严格的要求。

图2 实例半潜船的静水力曲线

4 半潜船的完整稳性

4.1 航行时的稳性

与普通运输类船舶一样，半潜船在航行阶段的稳性问题主要是大倾角稳性。由于半潜船船型的特殊性，其稳性又有自己的特点。

本文取航行阶段几个典型的工况来研究其稳性特点。分别取满载出港和压载到港进行稳性计算，计算中假设货物均匀分布在甲板一定长度范围内，所得稳性曲线如图3所示。从图中可以发现，航行时初稳性高较大，稳性消失角达到60°以上（不考虑进水角）。这主要是因为半潜船重心较低，船宽较大，干舷较小，其稳性特点与江船相似，稳性是足够的，但在海上航行时会产生剧烈的摇摆，尤其是对于甲板装载大型货物的半潜船，需要引起更多的注意。同时，半潜船稳性在货物甲板入水后复原力臂变化平缓。稳性曲线上存在2个反曲点，一个在货物甲板边缘入水角度处，另一个在最上层水密甲板边缘入水角度处。对于满载出港，吃水为9.84 m，第一个反曲点角度应为9.58°，第二个反曲点应在32.57°。对于压载到港，吃水为7.5 m，第一个反曲点角度应为17°，第二个应在37.8°处。可见稳性曲线很好地反映了这一点，只是由于曲线的变化平缓，第二个点并不突出。

图3 航行时的稳性曲线

4.2 下潜时的稳性

半潜船下潜过程中，由于水线面的损失及稳心高的突然变小，导致稳性大幅减小。这个时候，半潜船的初稳性高很小，船舶很容易发生倾斜，在装卸货物时，由于偶然因素很多，这一阶段要特别注意半潜船和货物的安全。半潜船通常要在良好的海况下进行半潜作业。因此，在半潜阶段，仅考虑初稳性。

半潜船在主甲板无货下潜时，压载水随着吃水的变大而增加，导致船舶的重心缓慢升高，对稳性产生不利的影响。而此时的水线面面积惯性矩在不断增大，最终的结果是使初稳性高不断变大，稳性有所好转。半潜船无货上升时呈现出相反的变化过程。

在主甲板有货下潜时，随着吃水的逐渐增大，半潜船所受的货物载荷变小，压载水也逐渐增加。由于货物的重心在主甲板以上，而压载舱一般在主甲板以下，因此，压载水的增加能够使整体的重心降低。加上水线面变化的有利因素，吃水增大时稳性也有所好转。半潜船载货上升时呈现出相反的变化过程。

综合上述讨论，半潜时影响稳性的主要因素有排水体积的变化，水线面面积惯性矩的变化及船舶整体重心的变化。前两者的变化由半潜船船型的特点决定，结果是初稳性高随着吃水的增大而缓慢地增大。从稳性要求的角度考虑，船舶整体的重心越低，初稳性越好。因此，半潜船的空船重心较低，但在航行阶段，过低的重心往往会削弱船的耐波性。这个问题可以通过改变压载舱的布置，使其具有上下层的布局来解决。在航行阶段，将压载主要放在上层舱组内，就可以提高船舶的重心。

考察半潜船的潜水状态，从货物甲板入水后，船的稳性有所好转。从静水力曲线图上可以看到，入水后横稳性高逐渐增大。这主要归结于船舶型线的外飘使得水线面的面积增大。而在入水点处，稳性发生突变，此时的稳性最差。根据初稳性高定义：

其中，IT为水线面横向惯性矩，▽为排水体积。若忽略自由液面修正，比较吃水为12.71－，12.71＋，12.8 m处的稳性高如表2所示。

表2 不同吃水下的稳心高

可见水线面面积突变是稳性突变的主要原因，而随着吃水增加，稳性好转是浮心、水线面面积和排水体积共同作用的结果。

新设计的半潜船也具有同样的变化规律，这是由半潜船的船型特点所决定的。这就不难理解为何有的半潜拖轮在下潜时在船舷侧放置浮箱来提供水线面面积。

4.3 极限重心高度曲线

随着吃水的改变，半潜船的稳性也是不断变化的。为了评估半潜船的装载能力，需要得到极限重心高度曲线。该曲线是根据稳性规范计算得到的，但是目前业界还没有一个完善的半潜船作业稳性规范来指导。本文采用这样的方法：在航行阶段，按照普通的运输船舶来校核稳性，主要依据规范是IMO 749（18）；在作业状态依据CCS半潜船的作业稳性规范。

根据稳性规范，可以将极限重心高度曲线分为4个区域。A区域，根据IMO规范得到航行阶段的极限重心高度；B、C、D区域是根据CCS规范所规定的半潜作业不同阶段的初稳性要求计算得到的。

式中：zB为浮心高度，BM为浮心至稳心的距离，为规范规定的最小初稳性高，为自由液面对初稳心高的修正值。

图4 极限重心高度曲线

4.4 货物对完整稳性的贡献

在半潜船托举货物出（入）水时，虽然货物与船体可能没有紧固连接，但还是有一个等效载荷作用在货物甲板上，其值等于货物重量减去对应吃水状态下的排水量。这一过程中，货物可能会对半潜船的稳性有利，现存的半潜船的设计同样说明了这点，如果不考虑货物对稳性的贡献，稳性可能出现负值［8-10］。

如果货物与半潜船紧固连接，则可以将两者视为一个整体。显然，此时问题变为该联合体的稳性问题。因此，不能把货物简单地作为一个载荷加到半潜船上，而应该考虑其对稳性的贡献，即在计算半潜船的稳性时将货物所能产生的复原力矩考虑进去。注意，是否考虑货物对稳性的贡献对半潜船的浮态没有影响。在一定倾斜角度下，作用在半潜船上的实际复原力矩为：

式中：MS为作用在半潜船上的复原力矩；ΔW，ΔS为货物和半潜船的排水量；GM′，GM为不考虑相互影响时货物和半潜船的初稳性高；φ为倾斜角度；R为半潜船等效的初稳性高。

在载货下潜和上浮阶段，货物与主船体之间可能没有紧固连接。这时，货物对半潜船的稳性影响比较复杂，接触位置的不同对稳性的贡献有很大的差别。如果货物仅分布在船的一舷，不利于半潜船的稳性。为简便计，考虑货物与主甲板还没有接触时，如图5所示的两种分布情况。

图5 货物的分布方式

对于跨舯分布，半潜船发生倾斜并与货物接触时，货物相当于搁浅，有一个力反作用于半潜船。反作用力对半潜船所产生的力矩与半潜船的复原力矩相叠加，阻止船舶进一步倾斜，对稳性有利。对于单舷分布，如图5所示，在没有接触时对稳性没有贡献。当已经有一部分载荷分布在主甲板上时，如果半潜船发生货物一侧的横倾，货物将失去支撑而产生惯性响应，此时作用在半潜船上的力将使得船进一步倾斜，对稳性不利。对于两种分布情况下如何衡量货物对稳性的贡献，还需要进一步的研究。

5 基于完整稳性的半潜船运载能力评估

半潜船的极限重心高度曲线实际上就体现出了船的运载能力。对于改造的半潜船，预定的载重量往往受到稳性的限制而不得不减小。为了更加直观地了解所造半潜船的载重能力，便于营运时快速简单判断运载某货物的可行性，有必要给出半潜船的装载限制曲线。货物的参数主要取重量W和重心高度H。

半潜船的压载舱室一般都达到40个，设置这么多压载舱室主要是为了便于浮态的调节和减小自由液面对稳性的影响。在评估载重能力时，必须考虑自由液面的影响，在极限重心曲线中已经包括了自由液面的修正。

对于某一特定的货物，如果其稳性在甲板出（入）水时满足要求，则在整个半潜过程中的稳性肯定满足要求。上述W与H有如下关系：

式中，Δ为货物甲板出入（水）时的排水量；W，H为货物的重量和重心高度；W1，h1为空船与可消耗品重量和重心高度；D为半潜船型深；min为极限重心高度曲线中查得的最小极限重心高度；a，b为与压载水舱布置相关的参数，其中a与分布面积有关，b与压载的垂向高度有关。

对于本船，各参数的取值为：Δ＝72 900 t，W1＝28 887 t，h1＝5.90 m，D＝12.71 m，min＝7.205 m，a＝9 184 t／m，b＝1.4 m，从而得到货物的重量重心限制曲线。

图6 改装半潜船的货物重量重心限制线

6 稳性改进措施

半潜船通常用来运载昂贵的海洋结构物，货物的运输安全是工程人员最为关心的事。通过上面的分析，在货物甲板出（入）水的时候稳性最差，因此，需要采取一定的措施来保障安全。除了限制半潜作业海况外，我们可以在现有的条件基础上来适当改善稳性。

采用保持一定的纵倾进行半潜作业，尤其是在出（入）水的过程中，能使半潜船的稳性有较大改善。利用本例模型，比较有无纵倾时的静水力参数，计算结果如图7所示。从图中可以看到，在船舶出（入）水阶段，纵倾能够使横稳心高加大。

船舶维持一定的纵倾，可以减缓水线面面积的突变程度，最大程度地增大水线面面积，从而提高船舶稳性。运营中的半潜船在出（入）水阶段都要保持一定的纵倾，也正是基于这点考虑。

图7 纵倾对半潜船横稳心高的影响

7 总结与展望

本文通过研究1艘改装半潜船的完整稳性，尤其是半潜作业时的稳性问题，揭示了半潜船的稳性特点，探讨了半潜作业的最差稳性和货物对稳性的贡献问题，同时给出了一个简单易行的评估半潜船运载能力的模型，得到以下结论：

1）半潜船航行阶段稳性曲线特点与船宽较大、干舷较小的江船类似，因此其动稳性需要引起格外的重视，由船型决定了曲线上存在2个反曲点。

2）半潜船在下潜时稳性变差，但随着吃水的增大，初稳性有所好转。

3）半潜船的最差稳性出现在货物甲板出（入）水的时候，该处的稳性特点可以作为半潜船运载能力评估的参考点。

4）在出（入）水阶段，稳性可以通过使船舶保持一定的纵倾来加以改善。

随着市场需求的进一步扩大，半潜船将会成为运输类船舶的常见类型。对于半潜船的设计，目前最为迫切的是制定一整套的半潜船规范，尤其是半潜船运载大型货物时的稳性问题。半潜船所运的货物种类多、形状复杂，在设计时很难将货物的尺寸、形状、大小、重量重心等因素确定下来。这无疑给稳性计算带来很大的不确定性和困难。所以，如何考虑和界定半潜船货物，将成为未来半潜船稳性研究的一个重点问题。一个可能的解决方案就是不再考虑具体的货物，而是抽象地定义货物的几何要素，然后给出这些几何要素的限定关系。

另外一个问题就是，半潜船的稳性衡准。尽管有些船级社对此有规定，但是我们注意到半潜船在某些状态下的稳性很差，不能满足目前的IMO所有的稳性衡准，而且半潜船市场正在快速扩大，因此，开展半潜船的稳性衡准研究非但必要，也相当紧迫。

［1］ 蔡睿眸.18000t半潜船的开发［J］.广船科技，2001（4）：1－6.

［2］ 冯志根.半潜船船型特点及其发展前景［J］.上海造船，2006（1）：49-51.

［3］ 冯志根.大型半潜船发展前景［J］.船舶设计通讯，2001（1－2）：4-7.

［4］ 何雨嘉，何运鹏.半潜船设计的挑战［J］.中国水运，2004（6）：23-24.

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［7］ Bureau Veritas.Win Argos User’s Guide［S］.1993，4.

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［10］ 盛振邦，刘应中.船舶原理（下册）［M］.上海：上海交通出版社，2004.

A Preliminary Study on Intact Stability of Semi－submersible Vessel

Chen Wei1Zong Zhi1，2Lin Zhe1Hao Wei－wei1
1 School of Naval Architecture，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China 2 State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment，Dalian 116024，China

Semi－submersible vessel has more complicated working conditions compared with other ships，with special lines plan and purpose，which makes the stability a big challenge for designers.In this paper，the intact stability of a conversion semi－submersible vessel was calculated to reveal the intact stability properties of this ship type.The character of the stability on the navigation condition is similar to the river ship.A stability catastrophe point exists as the draft of the vessel equal to the mould depth，also known as the intact stability poorest point，making it a potential threat to the safety of the vessel and cargo.The loading ability of the vessel was obtained by the mathematical model.

semi－submersible vessel；intact stability；mathematical model

U661.22

A

1673－3185（2009）03－13－05

2009-01-04

陈 伟（1985-），男，硕士研究生。研究方向：船舶与海洋结构物设计与制造。E-mail：challyvei＠yahoo.com.cn

宗 智（1964-），男，教授，博士生导师。研究方向：船舶与海洋工程。E-mail：zongzhi@dlut.edu.cn