大型起重铺管船稳性特点与船型设计

2015-01-03毛建辉顾解忡

船舶 2015年2期

毛建辉顾解忡周健

（1.上海交通大学上海200030； 2.中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011）

引言

随着海洋油气开发和大型海上工程的发展，大型起重船作为必不可少的工程船舶，近几十年来有了长足的发展。特别是进入21世纪，由于国际油价持续走高，近年来各国对海洋油气资源的开发利用方兴未艾。大型起重船作为海洋油气开发过程中的重要装备也越来越受到大家的重视，而且逐渐向大型化、专业化方向发展。其中大型半潜起重船（SSCV）虽然外表粗笨，但起重量巨大（最大起重量达1.4万吨）、环境适应性强（高稳性、对海浪的敏感度低）。该船造价昂贵、数量稀少，成为工程船家族中颇具特色的一员。半潜起重船（SSCV）具有起重船和半潜平台的双重船型特点，高稳性是其最重要的特点之一，本文就其稳性特点以及与船型和主尺度的关系进行简要阐述。

稳性对船舶的重要性是众所周知的，而大型起重船作业工况的稳性尤为重要，例如“华天龙”号起重船的起吊质量达4 000 t。当重达4 000 t的重物悬挂在甲板以上约100 m的高度时，其对全船重心高度乃至稳性的影响是巨大的。并且由于起重机设在船尾，起重机自重加上起吊载荷共1万多吨全部集中在船尾，而且船舶作业时要将纵倾角和横倾角控制在起重机工作范围内，因此，对船舶浮态和稳性的控制成为大型起重铺管船总体设计的关键技术。

1 大型起重船作业特点［1］

大型起重铺管船在起重作业时，具有以下特点：

（1）由于在大型起重船上，主起重机的质量约占整个空船质量的20%～25%，同时起重机重心高度在甲板以上约30～40 m，因此，当起重机装船后，将使整个空船重心高度比常规船提高40%～80%。

（2）在起重作业时，在短时间内需要起吊数千吨甚至上万吨的重物，也就是在短时间内船舶排水量急剧增加数千吨甚至上万吨；同时根据船舶稳性计算原理——重物的作用点应位于吊钩以上的上滑轮轴心处，而该滑轮在起吊时，一般在水线以上至少100 m，因此使全船重心在短时间内提高很多。这些都对船舶稳性极为不利。

（3）当横向起吊时，起吊重物的质量与吊幅的乘积将产生巨大的倾覆力矩，在短时间内使船舶产生的静横倾角达到7°～ 8°甚至更大。为保证船舶和起重机作业的安全（一般横倾<5°、纵倾<2°），此时必须反向加载压载水，以抵消吊重产生的倾侧力矩。这样将进一步增加船舶的排水量。

（4）当全回转起重机带载回转时，巨大倾覆力矩的方向在短时间内发生改变，因此原来用于抵消吊重倾侧力矩的压载水也必须迅速调载，否则会进一步加剧船舶倾斜，并使起重机的回转机构处于下坡运转状态，这非常危险，绝不允许。为了迅速调载，一般大型起重船的调载压载泵容量都比较大，如4 000 t（回转）起重船的压载泵容量约 4×2 000 m3/h。［2］

分析起重铺管船的上述作业特点，发现稳性和浮态控制最为关键。因此，在选择船型和主尺度时必须考虑各种作业状态下稳性和浮态的要求。

2 各船级社规范对起重船作业稳性的要求［3］

目前各船级社规范对起重船作业稳性的要求不尽相同。

我国《国内航行海船法定检验技术规则》［4］对起重船作业状态下的稳性有以下两点要求：

（1）初稳性高度GM：

式中：GM为初稳性高度，并计及自由液面与悬吊重物对初稳性高度的影响，m；Mf为起重船承受的风压倾侧力矩，考虑风压的高度修正影响并计入起吊载荷的受风面积，kN·m；Mh为旋转式起重机起吊载荷倾侧力矩，kN·m；Ml为船舶不对称装载倾侧力矩，kN·m；为起重船允许的极限静倾角，（°），旋转式起重船不超过5°为所核算装载情况下的排水量，t。

（2）稳性衡准数Kc：

式中：lq为最小倾覆力臂，m；但不计横摇影响；lf为风压倾侧力臂，m；Mh、Ml、与式（1）相同。

第（1）点是对初稳性高度的要求，实际上是要求船舶的初稳性高度能满足在总的倾侧力矩作用下，横倾角不得超过5°。总的倾侧力矩中包括风倾力矩Mf、起吊载荷倾侧力矩Mh和不对称装载力矩Ml。为了安全起见，Mf应取与Mh同向，通常将反向压载力矩归入Ml，即Ml与Mh方向相反。在理论上，如果船舶排水量和压载水舱舱容允许，Ml可加到足够大甚至与Mh相同，则该项衡准就蜕变为初稳性高满足在风倾力矩作用下，横倾角不超过5°，从而排除对起吊载荷的约束。

第（2）点是对稳性衡准数的要求。与普通船相比，在倾侧力臂中加入了起吊载荷倾侧力臂和不对称装载倾侧力臂。同样，若使Ml与Mh大小相等、方向相反，则该项衡准与常规船无异，也排除了对起吊载荷的约束。

综上所述，国内法规对起重船作业稳性的要求，实质上主要是对抗倾调载能力的要求，只要提高抗倾调载能力，就可增大起吊力矩，因此没有直接限定船舶的起重能力。当然，由于起吊载荷的重心较高，吊重增大本身会降低初稳性高GM和最小倾覆力臂lq，从而间接限制了起吊载荷不可能无限增大。

国外船级社中，美国船级社（ABS）MOU规范［5］对起重船的作业稳性有特殊要求。起重船在起吊作业应用反向压载情况下，当起吊载荷突然失去时应满足如下要求：

（1）起吊载荷突然失去前的静平衡角θL（起吊倾覆力矩曲线与起吊载荷失去前复原力矩曲线的第一交点所对应的倾角）应小于甲板边缘入水角。

（2）面积A2应大于或等于A1的1.3倍，如图1所示。

图1 失荷稳性曲线

（3）起吊载荷失去后的静平衡角θE（起吊载荷失去后复原力矩曲线与无起吊载荷排水量下由反向压载引起的倾覆力矩曲线的第一交点所对应的倾角）应不超过15°。

第（1）点是对船舶起吊载荷后的静稳性复原能力的要求，也即船舶在起吊载荷后，起吊载荷和反向压载量产生的倾侧力矩使船舶横倾角不能大于甲板进水角。

第（2）点是对船舶动稳性复原能力的要求。因为起吊载荷突然失去时，船舶迅速向压载一侧倾斜，在加速度作用下，具有很大的动能，在达到回复力矩与压载倾侧力矩相等的平衡点后还将继续倾斜，直到回复力矩作的功完全克服倾侧动能为止。一旦船型确定以后，船舶的动稳性性能就基本固化。所以，这一要求实际上是限制起重船的反向压载量，即不能通过提高船舶的抗倾调载能力来无限制增大起重力矩。

第（3）点是对船舶静稳性复原能力的要求，也即起重船所允许的最大反向压载力矩不能大于横倾15°时的稳性复原力矩。

ABS规范从动稳性和静稳性两个方面限制起重作业时的反向压载力矩，从而限制船舶所允许的起重能力，确保船舶稳性安全。由于ABS对起重船的这一稳性衡准规则较科学合理，故DNV和GL等船级社也都采纳类似的起重船稳性衡准要求。

3 船型和主尺度选择分析

提高大型起重船的稳性，合理选取船型和主尺度是关键。

半潜起重船型（SSCV）由于具有较好的稳性和良好的耐波性，在大型起重船中优势明显。它主要有2个下浮体、多个立柱和上平台组成。半潜起重船可以在左右两舷各设置1台起重机，因此其总起重量大，舷外有效吊距大。半潜起重船作业时，下浮体和部分立柱沉入水中，水线位于立柱截面，较小的水线面面积使波浪和流作用在平台上的载荷大为减小，因而大大提高了在恶劣海况下的作业性能，而较大的水线面面积惯性矩又提供了平台作业时所需的稳性。因此起重量8 000 t以上的大型起重船多采用半潜船型。

对半潜船稳性影响最大的是立柱数量及其形状尺寸。立柱是联结下浮体和上平台的承上启下的结构，立柱具有两个作用：一是支持上平台和上平台设备和载荷，二是为保证平台的稳性而提供足够的水线面积。对半潜起重船来说，立柱水线面积的分布尤为重要。设计经验和研究分析表明，半潜式起重船立柱的数量、形状、大小、布置位置并不取决于结构强度，而主要由浮态、稳性和作业时的可变载荷所控制，首尾端的立柱还应兼顾作业性能、航行性能及波浪中的运动性能的影响。

立柱的净高度（从下浮体甲板至上平台底板）对运动性能及稳性都有很大影响。这一高度以水面为界分为两部分，水下部分高度决定了下浮体的沉潜深度，对平台的运动性能影响很大。水上部分高度即气隙，也与平台在波浪中的运动有关，决定了上平台在设计海况下是否上浪，以及相应的结构设计要求。立柱高度对平台的重心高度和平台的最小进水角都有很大关系，从稳性角度而言这一高度应尽可能减小，但对运动性能（尤其对气隙而言）则相反。

下面就以目前世界上现有半潜起重船来分析其主尺度的特点。目前世界上现有半潜起重船共5艘，其主要参数如表1所示。其中DB101为平台改装的单起重机半潜船型，对半潜起重船船型主尺度的研究并无典型意义，不作为我们的研究对象。

表1 现有半潜起重船主尺度参数［1］

Thialf设有8个立柱，每侧4个，如图2所示。立柱总长约占船长65%，立柱为带圆角的矩形截面，从下到上形状不变。为了使浮心后移，增大尾端2个立柱的水线面积，尾端立柱面积增大到其他立柱面积的1.8倍，同时也缩小尾部两排立柱的间距。采取这些措施后，在作业吃水情况下的浮心位置位于舯后约3.50% 船长。

图2 Thialf

Saipem 7000设有6个立柱，每侧3个，立柱下部为矩形截面。由下页图3可见立柱上部（作业水线以上）向首尾方向扩大，水线面积大幅增加，主要用于提高承受变动载荷的能力。根据侧视图估计下部立柱总长度约为船长的50%，而上部增加到约65%。此外，立柱横剖面上部内侧呈45°斜角向上放出，这样的处理不仅增大水线面积，在回转起重作业时还能有效增大水线面惯性矩，从而提高复原力矩。

图3 Saipem 7000

从上面两个例子可以看出，立柱数量的选择、主柱水线面面积的大小、形状和立柱间的间距都是由稳性和浮态确定的。

4 实例

现以某16 000 t半潜起重铺管船为例，探讨船型和主尺度与船舶稳性和浮态的关系。该船船尾设2台8 000 t起重机（主船体外形见图4），设8根立柱（左右舷各4根立柱），立柱总长度约占船长65%。立柱为带圆角近似矩形截面，横剖面内侧作业水线以上约呈60°斜角向上放出。下面详细分析各个立柱的特点。

图4 深水半潜起重铺管船

由于半潜起重船起重机的巨大质量和作业时的起吊载荷都集中在船尾。为保证浮态平衡，应使立柱的水线面形心尽量往船尾移动。因此船尾左右舷的2个立柱较大（长约39 m，宽约30 m），并与下浮体宽度保持一致，既达到增大尾部水线面积的目的，又有利于将上部起重机的载荷有效传递至下浮体。立柱内外侧采用不对称设计，外侧采用大圆弧，与下浮体和上平台对齐，这样有利于增大回转起吊作业时的有效舷外吊距和起重机载荷的传递。

首端立柱的形状与下浮体和上平台前端的形状相一致，采用不规则形状，下缘外侧与下浮体甲板型线相吻合，上缘外侧与上平台边线相齐，形成类似双体船的两个船首，以利于改善航行性能和波浪中的运动性能。这样的船首处理，使半潜起重船不再完全形似半潜平台，而更像是机动灵活的自航船。

中间共设4个立柱（左右舷各设2个立柱），长约37.0 m、宽约24.0 m。通过适当增加立柱数量，可使立柱之间的间距有更大的调节自由度，以便更好地控制作业时的船舶浮态，减小调载用的压载水量，降低调载系统的复杂性。

另外，本船下浮体高度约15 m，上平台高度约12 m。综合考虑船舶稳性和运动性能，立柱的高度取20 m。此时作业吃水约27 m，船舶具有较好的稳性和运动性能。

单侧横吊和回转吊作业时，将中间4个立柱内的压载水舱作为调载水舱，进行左右对角调载。这样不仅可提供抗横倾调载力矩，还能改善起吊前后或回转时的船舶纵倾。单机横吊8 000 t 和带载回转90°时的调载过程示意图如图5所示。作业过程中船舶最大横倾角约2.5°，最大纵倾角约1.2°，满足起重机作业要求。单个作业步骤的最大压载水调载量6 000 t，压载系统选用4台排量6 000 m3/h的调载水泵，可满足回转90°调载时间15 min的要求。