自航式半潜维修船的需求分析与概念设计

桑惠云， 谢新连, 马梦知

(大连海事大学 综合运输研究所， 辽宁 大连 116026)

自航式半潜维修船的需求分析与概念设计

桑惠云， 谢新连, 马梦知

(大连海事大学 综合运输研究所， 辽宁 大连 116026)

为提高执行远海任务的舰船、海洋工程装备的维修保障能力，基于远海维修需求趋势和现代技术发展状况，提出一种自航式半潜维修船概念设计方案。介绍该新型维修船概念设计方案的基本构思与特点，给出提高其维修作业能力的措施，指出需进一步深入研究的问题。

船舶工程； 远海保障; 维修船; 舰船维修

美国海军提出未来海上维修保障船舶应同时具有大装载量和远续航力的特点，应建立健全海上维修保障措施，增加海上保障的灵活性，提供较大的机动空间，并减少船舶维修保养对港口设施的依赖。[1]2009年6月，我国海军东海舰队对浮动船坞在海上维修受损舰艇进行了实地演习，表明新型浮动维修船坞可为舰艇提供海上故障检测、修理、试验等全方位保障，使得装备维修得以从岸基拓展到海上。[2]此外，国产世界第一艘自航式浮船坞也已交付使用[3]，这均证明了舰船维修保养向远海维修发展的可行性，表明了我国舰船维修保障工作具有向远海海域拓展的需求和趋势。许多海运发达国家已开始重视远海维修保障力量的建设，多名学者[4-8]为远海维修保障船的设计提出了具有可行性的方案。

1.在已有的船上配备维修方舱:该方案有效提高了维修保障船的机动性、扩大了适用范围，且对母体船舶类型限定不严格，可根据舰船故障的实际情况自由组配维修方舱，实现了“快速、机动”的目标。[8]在南海海域举行的综合演练中，我国南海舰队某保障基地直属装备部将“舰船装备机动修理方舱”从陆地搬到新型登陆舰，随战舰出海，担负主战舰的海上抢修任务[8-9]，实现了装备修理保障模式的新突破。不同的故障舰船类型及舰船故障类型给维修保障船执行的任务带来了较大的随机性和多样性，因此维修保障船需配备数量较多的维修方舱以满足不同舰船的维修需求。此外，维修保障船较适合于实施平行救援，在船体受损或主战舰丧失动力的情况下,维修能力或救助能力较为有限。因此,该种设计方案更适用于保障支持或对特定类型舰船实施伴随保障。

2.由其他船型改装而成的维修船:目前各国在役保障支持舰队中，有较大一部分船舶是由战舰或辅助工程船改装而来的，近年来海洋工程船因性能优越也渐渐加入到改装行列中。[5,7]一般来说，船型改装时备选船型需满足多项技术要求，主要包括工作车间及辅助作业车间空间的大小、维修人员住舱数量及住舱条件、动态定位系统、动力系统、航速、船用重型吊具等，其中足够的空间、动力配置与供应及住舱条件是关键。因此，相对于第一种方案，该方案对船型限定较为严格。

3.浮上-浮下(Flo-Flo)维修船[5,10]:由英国BMT国防服务公司针对战损舰船而设计，其整体效果图见图1。

图1 Flo-Flo维修船整体效果图[4]

该方案以驳船为载体，承载主要维修设施(见图2)。该船实行分区布置，甲板以前为生活区，甲板以后为工作车间，甲板为堆存区及作业区，这种分区布置有利于减少振动和噪声对生活区的影响。甲板上设有格栅结构，可堆存标准化集装箱，便于储运备件和模块化装备，以满足模块化维修(替代化维修)需求。甲板上另设有多台旋转式起重机，可用于拖拽故障船舶和起吊大型设备。工作车间为单层建筑，通过宽大的门口与甲板相连，便于重物的搬运与移动。另外，工作车间顶部设有直升机停降平台，平台一侧设有模块化维修设施，可实现对故障飞机的模块化维修。相比前两种方案，该方案设计针对性强，故对于远海维修来说，其作业能力及维修能力较强，空间设计较为合理，可满足技术人员及维修作业人员的膳宿要求，在总体设计上有较多可取之处。但在该方案中，维修驳船不具有自航能力，需通过Flo-Flo重吊船实现船体的移动,故无法单独实现伴随保障，适合置于友好港口或安全海域提供维修服务。将其置于远海作业时，其作业能力受天气、波浪、海况影响较为明显，有一定的作业风险。

图2 维修驳船的设计效果图[4]

通过对现有维修船设计方案进行分析与对比，针对现有远海维修需求，在当前船舶远海维修保障技术基础上，提出一种新型远海维修保障船(自航式半潜维修船)的概念设计方案。其主要功能为：对远海故障舰船进行救助、拖运及独立维修，实现舰船的维修保养工作由岸基转向远海，从而提高舰船的作业效率及营运安全性，降低其维修保障时间，增大服务半径。

1 自航式半潜维修船功能定位及需求分析

与汽车在路上行驶难免发生故障甚至迫使抛锚一样，舰船(包括军用舰艇和商业船舶)在海上作业时同样面临故障难题，一些故障如果得不到及时、有效的修理，舰船再次发生故障或再次受到打击的概率会明显增大，甚至会造成生命、财产损失或使环境遭到破坏。对于战舰来说，甚至会影响使命任务的完成，造成无法挽救的后果。

随着军用舰艇和商船规模不断增大以及部分地区政治、经济局势动荡不安，实现全球覆盖保障(Global Reach[5])已成为新一代维修船追求的目标。对于新一代维修船而言,只有集高技术和多功能于一体实现跨越式发展[11]，才能满足现代化舰船、装备的维修需求。此外,海洋工程的快速发展也需要具有大装载力、多功能的维修供应船提供远海支持服务：

1. 可为水面舰船提供技术支持，并便于接受或提供补给。

2.须具有自航、远航的能力及重物承载能力，可应用于战损舰船或遇难船舶的救助、浮起、拖带、运输及人命救援，有能力承运大型海洋工程装备。

3.须具有独立维修能力，可对故障舰船的船体进行堵漏、对主要动力装置进行维修或更换，并可实现对舰艇水下船体的维修保养。

4.须具有机加工能力，能对所需部件进行塑模、加工及再加工。

根据上述功能需求，新型维修船须满足：

1.具有独立、稳定、充足的动力装置，可为自身提供推进动力、为执行维修作业提供所需动力。

2.具有开阔、平展的甲板，可承载故障舰船。

3.具有充足的压载水舱，可实现自身船体的沉浮，以便下潜浮装浮卸维修对象。

4.具有重型吊机，可用于打捞、拖曳丧失动力或船体破损的舰船及水平(接受或提供)补给时承吊补给物品。

5.具有足够的料件及机加工设施，可完成料件的加工及塑模。

6.具有充足的储存舱室及加工车间，用于料件及机加工设施的储存和布置。

7.可承载模块化装备，以满足模块化维修和模块化存储的需求。

8.居住舱室充足，满足在船船员、维修作业人员及被救助人员的膳宿要求。

9.具有直升机停降平台，便于接受垂直补给。

通过以上分析可知，新型维修船已成为一个集约化的现代修船厂，须配备一定的维修设施，能实现规模化、整体化的加工及维修作业，有能力独立完成远海维修。对于这样的新型维修船，必须综合考虑维修需求、作业模式及工艺流程，对船体、车间等进行创新性设计，确保维修作业的灵活性、作业状态的稳定性，并达到省时、省力的目的。

2 基本设计理念及概念方案

功能定位是设计新船型时主要考虑的因素之一，即明确新船型的使用场合及作业使命：明确有关港口、航线、作业海域、传统维修船的使用情况及当代造船厂的造船技术水平，对影响新船型营运效果的各种因素的发展趋势做出正确的估计和判断[13]；新型维修船定位为流动修船厂，应用于远离岸基的海域，可为故障舰船提供技术支持和远海独立维修服务，同时可实现遇难船舶的救助、拖带以及长距离运输。基于需求分析和功能定位，对提出的新型自航式半潜维修船概念方案作以下几点描述[6]。

2.1半潜船体

在国内外大中型舰船失事于远离本土的水域且不适合长距离拖带的情况下，运用半潜式重载船将其运回本国基地或就近友好港口逐渐成为主要手段。以往利用半潜重载船运输故障舰船时，从保证半潜重载船和故障船的安全这一根本目的出发，必须借助外部维修力量对故障船进行合理的抢修以控制其损害程度；同时在运输过程中要保持故障船的水密性，尽可能地消除影响海上运输的不安全因素。半潜重载船作为重大件长航线海上运输的主要运载工具，其优势主要表现在:

1) 适合航行于开阔海域，可操控性、适航性较好，在各种操纵模式下都具有较好的稳性。

2) 船体与浮船坞相近，中部有着宽阔的甲板，能通过调整舱内的压载水，迅速、稳定地实现自身船体的沉浮。

3) 航速较高，运输时间较短,能够承载受损舰船经历长时间的航行及复杂的海况，安全、快速地到达目的地。[4]

以此应用为基础，提出以自航式半潜船体为载体设计新型维修船(见图3)。自航式半潜维修船的主甲板开阔，完全具有常规半潜船的功能,既可以靠泊码头装卸舰船维修所需零部件、设备以及生活补给品,也可以在下潜到一定深度采用浮装浮卸方式装卸超大、超重且不可分割的大型海洋设备或工程结构物(如海上石油平台、大型发电设备、军舰、潜艇等)。此外,其还可作为遇难舰船或海上工程结构物的打捞救助作业平台，利用船上配备的打捞救助装备、下潜沉浮的功能和重型吊机能力将遇难舰船或海上工程结构物托举打捞出水。自航式半潜维修船在参与打捞救助故障舰船过程中，与半潜式重载船的明显区别在于打捞完毕后，可以立刻利用维修船上配备的维修力量对难船进行抢修，快速恢复其功能。在特殊情况下，若舰船受损较为严重，超过半潜维修船的维修能力，可以将半潜维修船与岸基维修厂的维修作业结合起来，在往岸基维修厂运送的同时对受损舰船进行应急修理，以减少运输安全隐患。

图3 自航式半潜船船体

2.2主甲板以上空间布置

提出的新型自航式半潜维修船的主甲板平坦、开阔，用于承托故障舰船。主甲板上铺设有数排可拆卸的支墩，用于维持故障舰船、保持故障舰船平衡;主甲板下部空间内设有各功能舱室。此外,主甲板作为主要维修平台，用于对故障舰船进行施救、维修。主甲板尾部可设直升机停降平台，也可作为垂直补充的接收位置；该处设有2个可移动的浮舱，用于调节船体纵倾及上浮、下潜。

为避免货物高度和外形尺寸对驾驶室视线造成影响，上层建筑设于船首，内设有驾驶台、控制室、生活区，两舷配备救生艇筏。新型船主船体两侧设有可移动的两边舱，可根据需求隐藏于船舷两侧或装配于甲板两侧。两边舱顶部设有可移动、具有外伸能力的轨道式龙门起重机，用于起吊、拖曳故障舰船或维修作业时起吊维修对象上的重大设备；两边舱上部空间内设有蓄电池室、氧气室和乙炔室、设备间、高压水枪室、油漆间以及备件物料仓库。底部边舱设有压载水舱室(用于调节船体的潜浮)及工作车间。为保证安全，两边舱外部设置舷墙，整体效果见图4。

图4 整体效果图

2.3主甲板以下舱室布置

新型自航式半潜维修船主甲板以下舱室包括与船体自身性能相关的舱室和与维修功能相关的工作车间两部分。与船体性能相关的舱室包括主甲板下的水密边舱、舵机舱、锚链舱、机舱、燃油舱、淡水舱等；与维修功能相关的工作车间包括维修工具库、机加工车间、氧气室、乙炔室、废品回收室、救捞装备室、备件材料仓库等，各工作车间内部均配备有相应的设施、材料和备件，以满足不同舱室设置的功能需求。主甲板下部空间内除有上述舱室设置及其他必需舱室外，其余空间均设为压载水舱室。采用艉机型布置方式，以减轻居住区的噪声、振动。其主要舱室布置效果图见图5。

图5 舱室布置效果图

3 提高维修作业效率的措施

传统维修船上完成料件加工和舰船保障维修的设施一般为固定设施，这种布置形式在操作上缺乏灵活性，会浪费舱室空间或增加料件搬运距离。为此,提出一种模块化的设计方案，即维修设施以可移动、单元化的小型工作车间的形式存在。该方法目前多应用于飞机维修领域[14]，且较为成功。

料件搬运是自航式半潜维修船作业过程中的关键环节,在制造业中约占总运营成本及生产时间的20%～50%，而较为合理的工作车间布局可以将该比例缩小到10%～30%。[15]合理的车间布局就是根据船舶维修的工艺流程及各车间的作业功能与能力，合理地确定半潜维修船内部各车间或设备组的相互位置，使得具有连贯性作业的工作车间布置流程化，且紧邻备件材料仓库。车间布置决定了维修作业过程中的物流方向和速率以及半潜维修船内部舱室的面积利用率，从而在结构上限定了维修船的功能潜力。

备件材料仓库的布置是影响料件搬运效率的另一个重要因素。新型维修船备件材料仓库采用单元化存储的理念，即以标准化托盘或集装箱作为料件的存储工具放置于舱室内，当料件消耗殆尽后，可实现存储单元的整体替换。单元化存储可通过叉车等运载工具实现单元化搬运，简化了料件的搬运环节，节约了搬运时间。此外,单元化存储有利于节省舱室空间和库存管理成本。

搬运工具对料件搬运效率的影响也不容忽视。自航式半潜维修船作业过程中，搬运作业环节一般可分为：岸基到维修平台、维修平台到备件材料仓库、备件材料仓库到工作车间(或工作车间到工作车间)、车间到维修平台、维修平台到被服务船。在自航式半潜维修船设计方案中，从岸基到维修平台的搬运可使用岸吊、船吊或岸上配备的专用提升工具；从备件材料仓库到工作车间或工作车间之间小型料件的转移可使用索道或传送带，对于重量较大的料件可使用叉车，不同楼层的车间之间设置自动升降梯，以实现料件竖直方向的移动；从维修平台到被服务船的小型料件搬运可通过传送带或索道完成，大型料件搬运通过维修船上配备的起重机完成。

除提升作业效率和搬运效率外，维修船工作车间布置的模块化和存储的单元化设计可使相似船舶便于替换配备设施，不仅有利于设备更新换代或船舶使命变化时变更设备，而且有利于节省舱室空间和人工成本，其不足之处是根据任务需求进行重新编组/解组会造成一定的时间浪费和管理成本上升。

4 结 语

新型维修船的作业能力很大程度上依赖于其设计的合理性及各系统的协调性。船舶是一个复杂的系统，各要素间的内在关系错综复杂，在设计中确定一个要素时往往涉及许多其他因素，有些因素在设计之初由于条件不具备，难以考虑周全。[13]作为一种新型船，没有母型船可以参照，在设计或建造时一些不可预见的因素可能会导致设计成本、设计风险、建造成本增高。此外，在设计阶段还要对多方面的因素进行深入分析与设计，按照设计螺旋线理论展开全船总体技术方案设计工作，将设计工作恰当地分成若干循环或阶段，由粗到细、由简到繁，使总体技术方案的设计水平螺旋式提高；充分考虑到每个系统或子系统与其他系统或子系统的相互作用以及布局设计对船舶技术性能的影响，最终达到预定的技术要求。文中就维修船的功能定位及关键功能的实现给出了一个初步的概念设计方案。还需进一步对以下几个方面进行研究：

1.工作车间和备件材料仓库的布置水平在一定程度上决定了新型船的维修能力和作业效率，因此工作车间及备件材料仓库的布置仍是研究的重点。

2.维修工艺与作业流程是工作车间及备件材料仓库布置的主要依据，为达到有效的空间布置，必须对维修工艺和作业流程作进一步优化。

3.新型维修船重型起重设备的设计。

4.新型维修船设计不仅要满足当前需求，而且要满足其生命周期内未来一段时间内的需求，因此设计时要对未来的海运环境、需求、船舶特征及可能生效的规则、规范进行合理的预计与假设。

5.信息化管理，包括故障检测信息化、船岸沟通信息化及库存管理信息化。

6.海上维修作业风险分析与控制。

新型自航式半潜维修船的最大优势在于其具有较强的机动性、灵活性和多功能性，使投资经营者能够提供远海维修、重大件运输、救助打捞等综合性服务。此外，其在其他方面也有较大的利用空间。比如，国际海事组织于2004年通过《需要救助船舶的避难地指南》，但是到目前为止，因为政治敏感度较高等原因,沿海国家并没有积极配合为遇难船舶提供避难地。为此，业界多次联合呼吁采取国际行动，为遇难船舶提供避难港。[16]新型维修船可为难船提供救助、避难服务，在对难船实施救助打捞的同时，利用自航式半潜维修船上配备的维修力量为难船提供应急维修服务，避免因船舶故障而造成生态、环境破坏；救助、维修完毕后，有能力将其送回本国基地的安全港口。

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http://www.ship.sh/news_detail.php?nid=11770.

ConceptualDesignofSelf-PropelledSemi-SubmergibleRepairShipanditsRequirementAnalysis

SANGHuiyun，XIEXinlian，MAMengzhi

(Integrated Transport Institute, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

With the aim of augmenting the maintenance support for ocean vessels and marine engineering installations，a conceptual design of self-propelled semi-submergible repair ship is worked out based on the state-of-the-art technologies and potential future needs. The scheme and the features of the design are introduced, and the measures are provided to get the ability of marine maintenance support them. The issues that need further investigating are proposed.

ship engineering; marine maintenace support; repair ship; vessel repair

2014-08-18

高等学校博士学科点专项科研基金(20102125110002)

桑惠云(1986—)，女，山东寿光人，博士生，主要从事交通运输规划与管理研究。E-mail:shywb20071010@163.com

谢新连(1956—)，男，辽宁大连人，教授，博士生导师，主要从事交通运输规划与管理、交通工程研究。

E-mail:xxlian77@yahoo.com

1000-4653(2014)04-0079-05

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