8 000 HP深水三用工作船设计研究

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(中海油田服务股份有限公司，北京 101149;2.上海船舶研究设计院，上海 200032)

8 000 HP(5 920 kW)深水三用工作船是上海船舶研究设计院于2010年为中海油服船舶事业部设计的一型三用工作船，该船的研究设计工作是在总结以往三用船型的设计基础上，消化吸收国内外优秀船型的优点，并根据船东提出的“设计任务书”的具体要求而进行优化设计。该船为海洋石油钻井平台作业及开发生产提供服务，能拖曳海洋石油钻井平台和工程作业船舶；给铺管船、起重船等进行抛起锚作业；能为海上平台供应多种甲板货和液货；能进行守护值班和营救作业，可搭载获救人员100人；具有对储油船及提油船进行拖带、顶推和捞取油管作业，协助其进行提油作业。

本船航行于无限航区，满足中国船级社(CCS)和中国海洋石油总公司对远洋拖船、供应船、抛起锚船和油田守护船的有关要求和规定，其效果见图1。

图1 8 000 HP深水三用工作船外观效果

1 船舶基本概况

1.1 船型和船级

该船为全焊接式钢质船体，横骨架式，具有一层连续主甲板。主甲板上设有一层长艏楼和一层短艏楼，第二艏楼甲板上设有三层甲板室，主甲板下设双层底和局部平台甲板，机舱区域为双底双壳。

该船采用四机、双导管可调桨推进形式，设双流线型悬挂式襟翼舵，海马型球鼻艏，前倾式船艏，方形圆角/巡洋舰式船艉，在船艏、艉设有管状式侧推装置，船艉设有艉滚筒，配备一台2 500 kN双卷筒液压拖缆机，长艏楼后的主甲板设有甲板载货区和作业区。

该船(包括船体、轮机、电气及特种设备等)均按中国船级社(CCS)现行规范和规则进行设计、建造和受之检验，并取得下列船级符号。

①CSA Offshore Tug / Supply Ship，Stand-By Ship，Anchor Handling，Ice Class B，In-Water Survey；

②CSM AUT-0。

1.2 主要要素及总图

该船主要要素见表1，总布置图见图2。

2 主要作业功能

2.1 供应作业功能

2.1.1 甲板货供应

该船主甲板中后部设有甲板载货区域和作业区域，区域尺寸：长×宽=38 m×12.8 m，总面积约为480 m2。该区域两舷设置2 000 mm高挡货栏杆，中间铺80 mm厚的防腐梢木木甲板，可装载钻井物资和材料、钻井钢管、钻杆、平台生活用品等甲板货750 t。甲板均布负载按50 kN/m2(距艉端10 m范围内100 kN/m2)设计。在载货区前部设置2台100 kN卧式液压移货绞车，对货物进行管理和绑扎。

表1 主要技术要素

图2 总布置图

2.1.2 液货供应

该船可向平台供应钻井淡水、淡水、钻井泥浆、盐水、柴油、散装水泥、重晶石、土粉等。该船配置了多台大排量对外供应液货泵和管路系统。

随着海洋平台物资供应需求的不断增长，国际海事组织为近海供应船运载危险液货制定了规则。本船满足经MSC.236(82)和MEPC.158(55)决议修正的IMO A673(16)号决议——《近海供应船散装运输和装卸有限数量有害有毒液体物资指南》的要求，该决议适用于2006年12月1日或之后安放龙骨的所有近海供应船。 本船所装钻井泥浆和盐水属于该指南附录1允许载运产品表中油基泥浆、水基泥浆和钻井盐水，其闪点大于60 ℃，属于不可燃液货。该船钻井泥浆舱以及清洗污水舱与船壳板之间具有大于760 mm的间隔。泥浆舱和盐水舱的舱底污水系统与船用排水系统独立分开。此外，该船到货物区域内处所的出入口符合国际散装化学品规则的要求。该船可以取得《近海供应船散装运输有限数量有毒有害液体物资适装证书》。

该船燃油舱总容积为755 m3，燃油舱与船体外壳距离满足IMO MARPOL公约的要求：“如果燃油舱总舱容超过600 m3，则该船燃油舱必须设置双壳保护。”

2.2 海上拖带作业功能

该船在主甲板上设置一台2 500 kN的双卷筒液压拖缆机，供拖带使用。该船能够拖曳海洋石油钻井平台、大型起重船、大型下水驳船和工程作业船舶。该船在主甲板上中后部船中心线处设有可拆式拖曳限位眼板一个，拖缆机的主拖缆穿过拖曳眼环后进行拖带作业，当不执行拖带作业时，可将此拖曳眼板拆移存放。

2.3 抛起锚作业功能

该船在主甲板上设一台2 500 kN的双卷筒液压拖缆机，高低布置双卷筒，拖缆机工作负载2 500 kN(第一层)，每个卷筒容绳直径×长度=70 mm×1 500 m，主拖缆破断负荷2 700 kN,拖缆机可在驾驶室后驾控台上遥控操纵，也可在机旁操纵，拖缆机能用于海上拖航作业和起抛锚作业。

在主甲板艉部设一套升降型组合式液压鲨鱼钳/挡缆桩装置，安全工作负载3 500 kN，适用链索直径50～102 mm，液压挡缆桩安全工作负载为1 500 kN，鲨鱼钳和挡缆桩在工作时伸出甲板。在船艉端设一卧式圆筒形艉滚筒，工作直径×长度=2.4 m×5.4 m，安全工作负荷3 500 kN。在艉部的液压鲨鱼钳/挡缆桩和艉滚筒之间的钢甲板作特别加厚处理，并在艉部与艉滚筒连接的主甲板中间设置与艉滚筒工作宽度相适应的木甲板夹层钢板滑道[1]，钢板滑道宽4.8 m，钢板滑道上表面钢板与木甲板的钢质压板平。使船舶能方便地为海上石油平台提供快速高效的抛起锚作业服务。

深水抛起锚设施布置图见图3。

图3 深水抛起锚设施布置示意

2.4 油田守护作业功能

该船具有油田守护值班和营救作业能力，可搭载获救人员100人。在主甲板中后部设置营救作业区，并设置直升机悬停区，宽敞的甲板面积适合直升机提升吊篮营救人员和接送上下班工作人员。此外，该船配备玻璃钢高速救助工作艇，能使落水人员得到快速安全营救。

3 性能研究

3.1 快速性

该船属于中高航速船舶，对航速要求较高，一般需要较大的船长与船宽的比值。根据平台守护和营救作业特点，该船的操纵性要求较高，同时为平台供应甲板货750 t，对最大吃水时船舶排水量和稳性要求较高，这就需要较小的船长与船宽比值。当同时考虑快速性、操纵性和稳性，需要对船舶的线型进行论证和优化。当船舶主尺度和主机功率一定的情况下，船舶所受阻力的大小、推进效率高低与船舶线型设计优劣有很大关系。因此线型设计是船舶快速性研究的一项重要内容。

利用CFD软件计算并优化线型，并选择最优线型进行了船模试验。

设计状态实船航速预估如图4所示。当主机功率为100%MCR，轴系效率为0.95，吃水4.8 m时，实船航速为14.81 kn[2]。

图4 实船航速预估

对该船进行船模伴流试验，轴向伴流等值线见图5。由图5可见，轴向伴流比较均匀，基本没有高伴流区，伴流峰值控制在0.5之内，虽然在靠近桨轴中心的位置有很小区域的高伴流区，由于区域较小，并且位于桨轴中心处，对艉部伴流场基本没有影响。

该船艉部伴流场分布较均匀，不仅降低了船舶阻力，而且还改善了螺旋桨上方和前方区域的来流[3]，使螺旋桨对船体产生的激振力控制在较为理想的范围内。

图5 轴向伴流等值线(Vs=14.81 kn)

3.2 耐波性

该船的任务之一是守护在海上石油平台附近，即使在恶劣海况下也一样，因此在主甲板下配备了具有减摇效果的平面被动式减摇水舱。

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在减摇水舱内沿宽度方向布置两排直径为220 mm的圆柱作为阻尼格栅，两排格栅横向间距为6 700 mm。为了分析阻尼格栅密度对减摇效果的影响，减摇水舱评估计算中分析了3种格栅配置形式，减摇水舱主尺度及参数见表 2，减摇水舱隔栅配置形式见图6。

表2 减摇水舱主尺度及参数

图6 减摇水舱隔栅配置形式

选取典型装载工况的减摇水舱减摇效果进行分析，见图7。

图7 不同隔栅方案横摇运动响应

不同隔栅方案横摇运动响应，在曲线峰值处，Config.3在大部分频率范围内的RAO值均最小，Config.2次之，而Config.1最大。由此可见，3种阻尼格栅配置方案中Config.3减摇效果在大多数情况均高于Config.2，而Config.1减摇效果最差。综合计算结果，并考虑到减摇水舱内其它构件(如扶强材等)所引起的阻尼，最终选用Config.2方案[4]。

Config.2方案的计算结果显示，典型装载工况的最大减摇率为34.4%。

3.3 完整稳性

该船完整稳性是依据IMO IS CODE 2008、国际海船法规2008年版及其修改通报的有关要求进行稳性核算。

1)在进行拖带作业时，应满足国内航行海船法定检验技术规则(2011)对拖船的要求来校核稳性。

2)在作海上自由航行时, 航行于无限航区，应依据IMO IS CODE 2008对货船的要求来校核稳性。

3)在进行海上救生作业时，搭载获救人员100人，应满足海上获救人员集中一舷的稳性要求。

5)抗风能力满足12级风稳性要求。

6)抛起锚稳性应满足CCS(2013年)通函 关于“锚操作”(anchor handling)附加标志对稳性要求。

3.4 破舱稳性

1)依据IMO MSC.235(82)“近海供应船设计和建造指南 2006”规定进行计算。

2)#24～#87双层底延伸到舷侧，其它部位的双层底没有延伸到舷侧，根据SOLAS B-2部分第9条货船双层底来核算其双层底破损情况是否满足规范要求。

4 船员舒适度

船舶正常航行时，噪声水平应保持在IMO A468 (XII)决议《船上噪声规则》推荐值范围内。船体舱室噪声计算采用经验公式法进行，该方法比较简便实用，主要是根据舱室距离声源的距离和甲层数确定噪声的衰减量，该方法的主要内容包括：噪声源的确定、结构噪声传播计算、空气噪声传播计算、噪声级合成等[5]。

在基本设计过程中，对船体舱室噪声进行计算，以便在该船设计阶段了解船体舱室噪声水平，并使之能满足IMO决议A.468 XII的噪声要求，船体不同区域舱室噪声限值见表3。

表3 舱室噪声限值 dB(A)

通过舱室噪声计算可知，部分计算值略高于标准限值。因此，在详细设计过程中，在主机、辅机基座四周以及艏侧推桨四周敷设阻尼材料，对于平台甲板集控室、健身房和主甲板医务室、厨师室等舱室内的甲板敷设阻尼材料，以达到噪声控制的目的。

在船舶线型设计过程中，对船体艉部线型进行了优化设计，艉部线型设计时增大螺旋桨与船体的间隙，使船体纵剖线曲率变化尽量缓和，避免水流分离。改善螺旋桨前方的不均匀伴流场，减少螺旋桨激振力。

优化船艉附体形状，对螺旋桨前方的人字架进行优化设计，前倾10°，增加人字架与螺旋桨之间的距离，改善船艉伴流场，减少船体振动。船艉附体形状见图8。

图8 船艉附体形状

依据主机、螺旋桨和艏艉侧推参数进行初步振动估算，利用挪威船级社(DNV)的“船舶有害振动预防指南”进行结构固有频率的计算[6]。根据计算结果，对局部相对较弱的舱壁结构进行加强。

上层建筑和甲板室的振动与否直接关系到船舶舒适性。在进行上层建筑和甲板室的设计时，应同时计算规范强度和结构振动固有频率，确保上层建筑和甲板室结构布置的合理性。

5 结论

1)在线型设计时，着重优化艏部和艉部线型，利用CFD软件进行船舶阻力理论计算，选取最优线型进行船模快速性试验和伴流试验。

2)船艉附体设计的优劣在很大程度上影响船舶阻力和船艉伴流场，尤其是船舶艉部人字架的尺度、安装角和位置将会直接影响船艉伴流值的大小和分布，在今后设计类似船型过程中，人字架的安装位置应尽可能远离螺旋桨的前端，剖面形状做成机翼形。这样既可以减少附体阻力，也可改善船艉伴流场。

3)对装载有限数量有毒液体货品的船舶，应满足IMO A673(16)号决议——《近海供应船散装运输和装卸有限数量有害有毒液体物资指南》的要求。

①对装载有限有毒液体货品的舱室应与起居处所、饮用水和生活消耗品分隔开。

②到货物区域内处所的出入口应符合国际散装化学品规则的要求。

③泥浆舱和盐水舱的舱底污水系统与船用排水系统应独立分开。

④货物区域处所的通风应执行国际散装化学品规章第12章的要求。

[1] 周国平，闫秋莲.10 000 kW深水动力定位工作船设计研究[J].船舶工程，2012，34(3)：6-9.

[2] 张建武.8 000 HP深水三用工作船模型快速性试验报告[R].上海：702研究所，2013.

[3] 闫秋莲，李卫华，杨佑宗.10 000 kW多功能守护船振动分析与改造[J].中国造船，2013，54(4)：38-44.

[4] 邹 康.8 000 HP深水三用工作船减摇系统评估报告[R].上海：上海船舶研究设计院，2013.

[5] 郭 列.8 000 HP深水三用工作船船体舱室噪声计算[R].上海：中国船舶科学研究中心，2013.

[6] 曹 健.8 000 HP深水三用工作船振动评估[R].上海：上海船舶研究设计院，2013.