大型起重铺管船船型开发

程维杰

（1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 上海200240；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

大型起重铺管船船型开发

程维杰1，2

（1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 上海200240；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

［摘 要］文章对开发新一代5 000 t起重铺管船的总体设计进行研究，总结了起重铺管船新的发展趋势，提出一种新的平衡稳性、快速性和耐波性的船体多吃水变船宽的设计思路，为进一步提高单船体起重铺管船的总体性能以及拓展单船体的应用范围提供方向，并对其他海工船型的开发也提供一定的参考依据。

［关键词］起重船；铺管；耐波性；快速性；动力定位能力

引 言

进入21世纪以来，随着陆地资源的日益枯竭，世界各国都不约而同地将海洋作为资源开发的重点方向。海洋石油及天然气产量占全球油气产量的份额越来越高，海上风电方兴未艾，潮汐能和海底锰结核等新资源的开发利用也初露端倪，海洋工程建设的数量急剧增加。作为海洋工程开发的核心装备，大型起重铺管船的应用前景十分广阔。

1 大型起重铺管船发展概况

起重船属于工程船，主要承担海上结构物的起吊工作，按用途可分为用于海上吊装、拆卸的大型起重船，用于铺设海底油气管线的起重铺管船（装有回转式起重机），以及用于大型水上工程吊装的起重船（大多装设固定臂架式起重机）［1］。

起重铺管船按回转式起重机的能力大小，又分为常规起重铺管船和大型起重铺管船。对于常规起重铺管船，其起重机的能力以满足本船铺管作业要求为极限（如安装铺管系统的托管架等），典型的船型如“海洋石油202”号起重铺管船，其起重机的最大起重量约1 200 t，其他类似船型的起重能力也大致相当。本文所指的大型起重铺管船，是以起重作业为主，兼具较强铺管作业能力（或具备相关的改造潜力），起重量在3 000 t以上的起重铺管船。

按照载体型式的不同，大型起重铺管船又可分为单船体式（Mono Hull Crane Vessel）和半潜式（Semi-Submersible Crane Vessel）两种型式。单船体是主流和常见的型式，发展历史最长。根据所装备的起重机型式不同，又可分为桅杆式或全回转式。大型桅杆式起重机自重较轻，但设计、制造及装配工艺要求较高，价格也较昂贵；大型全回转式起重机应用较广，但其自重稍大、质心稍高，对载体限制稍多。不过，无论是装配桅杆式还是全回转式起重机，单船体起重船的起重能力都受到船宽的限制。虽然目前已有7 500吨级 “蓝鲸号”起重船投入使用，但其实际的最大起重能力也仅为5 000 t左右。总的来说，目前一般单体船大型起重铺管船的船宽不超过50 m，起重能力不超过5 000 t［2-3］。

半潜式突破单船体宽对稳性的限制，最大起重能力达到14 200 t（如1985年建成的“Thiaf”号）。该船型在20世纪70和80年代发展达到高潮，有5艘同类型平台投入使用。但由于建造和营运的成本均十分高昂，且细分市场有限，近年来虽时有建造方案推出，但迄今为止均未能再有同类型平台投入使用。

2 大型起重铺管船发展趋势与挑战

随着全球性海洋油气工程大量开发的需要，作业水域全球化发展，跨海域使用和长距离调遣也日益普遍，因而对航速的要求也越来越高。早期建造的起重船以非自航为主，即便有推进动力，也仅考虑到近距离移船的需要，一般航速在5～8 kn（如2006年建成的“华天龙”号和2008年建成的“Sapura 3000”号）。但近年来，新开发建造的大型起重船航速要求越来越高，一般都不低于11 kn（如2011建成的“威力”号和“海洋石油201”号），有些更是达到了14 kn（如2011年建成的“Oleg Strahnov”号和2012年建成的 “Borealis”号）。与此同时，起重船的作业能力也迅速提高，主尺度也随之大型化。如3 000吨级自航起重船“威力”号，船长约为140 m、船宽达到40 m；4 000吨级“华天龙”号，船长约为165 m、船宽达到48 m；4 000吨级 “海洋石油201”号，船长达到205 m、船宽达到39.2 m；5 000吨级 “Oleg Strahnov”号和“Borealis”号，船长均超过180 m、船宽分别达到47 m和46.2 m。随着船舶尺度增大和航速提高，需配置的动力也成几何级数增长，稳性以及建造和使用的经济性矛盾越来越突出。

海洋开发向近海和外海延伸，装备功能的多样化趋势明显，这就要求尽可能做到一船多能、一船多用，由起重和铺管功能结合而成的起重铺管船最为典型。海上大型结构物的吊装作业对船舶稳性的要求，导致船宽增加、横摇周期变短、耐波性变差，而耐波性的优劣直接关系到铺管作业的全年海上可作业天数，对其整个生命周期的经济效益产生重大影响。因此大型起重铺管船的稳性与快速性和耐波性的矛盾尤为显著。

3 新型起重铺管船船型开发

起重铺管船在重载起重作业时，重心高度极高，并且吊着重物旋转时会产生巨大的倾侧力矩。为确保稳性安全，此类船舶应具有很大的初稳性高度（GM）和复原力矩，因此船宽比常规船大得多。然而船宽增大，航行时的阻力必然大，所以在同样功率下的航速较低。此外，GM高则船舶的横摇固有周期短，在波浪中剧烈摇摆则限制了船舶铺管的作业效率。

因此，新型起重铺管船型需要解决的技术问题在于：克服现有技术中存在的问题，提供一种由光顺曲面构成船体的海洋作业工程船。其航行和作业吃水由浅到深、覆盖较大的范围，船体的舯横剖面呈倒置时钟形。在较浅吃水处宽度较小，随吃水的增加宽度逐渐增大，直至最大船宽。在较浅吃水状态（如航行、起重准备或其他作业工况），船的水线面较窄，因而阻力小，可达到较高的航速，同时具有较好的横摇性能。当船舶进行起重作业或其他可能严重危及船舶稳性的工程作业时，通过压载水舱的注水，使船达到较大吃水，此时船宽达到最大，从而确保船舶具有适度的稳性安全。

3.1 多吃水变船宽船型方案

目标船型是具有DP3动力定位和锚泊定位功能的自航大型全回转起重铺管船，用于全球主要海区，具备进行大型组块、平台模块、导管架的起重吊装、提供平台作业支持、潜水作业支持和铺管作业等需求，最大作业水深3 000 m。该船总布置图及三维仰视图如图1至图3所示。

图1 总布置图——首视图

图2 总布置图——侧视图

图3 线型的三维仰视图

船上设置一台全回转起重机，其最大固定起重能力为5 000 t，全回转起重能力为4 000 t。该船航速不低于13 kn，流线型首尾、舭部有圆角、设舭龙骨。船上设两层连续甲板，主甲板为干舷甲板。作为铺管作业船，船中心附近设两道纵舱壁，中间为S型铺管主作业线，管道经过起重机基座的下部，从尾封板的开口伸出船体，左右两侧为双节管预制和管道输送作业区。露天甲板为作业甲板，作业面积不少于5 000 m2，可运载吊装作业的大型结构物。铺管作业时，可储存管子，最大存储能力约为12 000 t。

该船主要参数如下：

船体总长 约190 m

水线长 180 m

型宽 48 m

型深（干舷甲板） 16 m

设计吃水（起重作业） 11.50 m

设计吃水（铺管作业） 10.45 m

航行吃水 8.50 m

动力定位 DP-3

锚泊定位 10点

定员 398 人

自持力 60 天

续航力 12 000 n mile

最大排水量 约70 000 t

多吃水变船宽船型设计方案见表1。

3.2 常规设计船型

起重铺管船船型为肥大性船舶。为了简化施工工艺、降低造价，传统起重铺管船的平行中体一般采用圆舭部直壁型。其中剖面设计如图4所示，线型设计如图5所示。

表1 多吃水变船宽船型的设计方案

图4 常规起重铺管船型的中剖面设计

图5 常规起重铺管船型的型线图

常规船型设计方案见表2。

4 快速性

使用Holtrop方法，对两个方案的快速性进行初步评估，考虑到快速性仅与航行吃水有关，故只对两个方案在满载航行吃水时进行评估。传统船型（方案1）的满载航行吃水为7.1 m，而多吃水变船宽船型（方案2）的满载航行吃水为8.5 m。两个方案的满载航行有效功率计算结果及对比如表3所示。在10 ～14 kn的航速范围内，相差均为8%。

表2 常规船型的设计方案

表3 满载航行工况下的有效功率比较

由于在同等排水量情况下，多吃水变船宽船型方案吃水约增加1.4 m，因此可采用桨径更大的全回转舵桨。在螺旋桨收到功率相等的情况下，螺旋桨设计转速可适当降低，螺旋桨效率也能获得一定的提升。总之，多吃水变船宽船型方案在快速性方面优势显著。

5 耐波性

5.1 耐波性与横摇周期

耐波性是船舶在波浪中运动特性的统称，包括横摇、纵摇、首摇、横荡、纵荡和垂荡，以及由这些运动引起的航行阻力增加、上浪、甲板加速度变化等性能，直接影响船舶在风浪作用下维持其正常作业能力。其中的横摇运动最容易发生且幅度最大，是耐波性研究的核心内容。

根据横摇频率响应函数的线性理论，横摇既取决于波浪能量的大小，也取决于谱密度曲线与放大因数曲线的关系。若根据后者，可将船舶在不规则波中的横摇状态作如下划分为亚临界状态、临界状态和超临界状态。亚临界状态为谐摇波长小于2倍船宽时，船舶横摇运动非常小，但在较高的海况下，稍大尺度的船舶难以做到这一点。当谐波波长位于主成分波区间以内时，横摇运动最严重，称为临界状态；当谐波波长大于最大有义波长时，横摇运动比较缓和，称为超临界状态。设计中通常希望船舶处于超临界状态，为此需要增加横摇固有周期TØ。而常规的起重铺管船船型横摇周期TØ仅为10 s左右，横摇谐波波长λ = 1.56×TØ2= 156（m）。

当有义波高HS为2.5 m时，最大有义波长为150 m，可以认为船舶处于超临界状态，横摇不严重；但当有义波高HS提高为3.0 m时，最大有义波长为180 m，船舶进入临界状态，会产生较严重的横摇。换言之，对于常规起重铺管船船型，2.5 m有义波高HS是极限的作业海况。在实际设计中，类似的参数也极为常见，这也从另一方面验证了传统船型在耐波性方面已面临严峻的挑战。

通过开发多吃水变船宽船型，将船舶横摇周期提高到12 s以上，这时横摇谐波长度可达到225 m，可以将船舶最大作业海况的有义波高HS提高到3 m以上，而船舶仍能较安全地处于超临界状态。

5.2 耐波性模型试验

考虑到船舶水动力分析的复杂性，我们仍然采用较可靠的模型试验方法。通过船模不同状态静水自由横摇衰减试验获得衰减曲线，确定其横摇固有周期；进行零航速下的迎浪、斜浪和横浪规则波模型试验，根据线性迭加原理把试验结果换算为不规则波（波谱取JONSWAP谱）；对不同吃水下的纵摇、横摇、加速度和垂荡的结果预报等。

通过安装于船模上的陀螺测量船模的横摇角时历，获得衰减曲线和固有周期。结果如表4和图6 -图8所示［8］。

表4 横摇自由衰减周期汇总

图6 吃水8.5 m横摇自由衰减时历（横摇周期17.15 s）

图7 吃水10.45 m横摇自由衰减时历（横摇周期13.05 s）

图8 吃水11.5 m横摇自由衰减时历（横摇周期25.55 s）

在有义波高HS= 3.0 m（平均跨零周期T2= 8.0 s）时的纵摇、横摇、加速度和垂荡结果预报如表5-表7所示［8］。

表5 吃水8.5 m（满载航行）时，不规则波　预报结果（HS= 3 m，T2= 8.0 s）

表6 吃水10.45 m（铺管作业）时，不规则波　预报结果（HS= 3 m，T2= 8.0 s）

表7 吃水11.5 m（起重作业）时，不规则波　预报结果（HS= 3 m，T2= 8.0 s）

5.3 耐波性归纳总结

1.2.3 统计学方法。采用SPSS 21.0统计学软件，对所有数据进行描述性分析，符合正态分布的计量资料以（x-±s）表示，计数资料用率表示。计量资料两组间差异检验采用独立样本t检验，计数资料两组间差异检验采用非参数秩和检验和χ2检验，采用二元Logistic回归，进一步研究影响血肿增大的危险因素，以P＜0.05为差异有统计学意义。

从以上结果获知，在满载航行工况时，由于水线面较窄而船舶重心位置相对较高，横摇周期超过17 s，不规则波中的运动幅值较小，耐波性表现非常突出。而最大起吊作业时，由于起重机及吊重的关系，船舶重心较高、横摇周期较长（超过25 s）、船舶运动幅值较小，有利于控制起重机的动载荷因子，增加起重机实际可利用的起吊能力。

在铺管作业的最大吃水时，横摇周期超过了13 s，虽然较常规的起重铺管船船型已大为改善，但仍未远离平均跨零周期T2= 8.0 s，不规则波中的运动幅值较大。起重铺管作业时的耐波性衡准为：横摇单幅最大值小于2.5°，纵摇单幅最大值小于2°［10］。由表6可知，多吃水变船宽船型在3 m有义波高下，艏斜浪（45°）情况下，横摇角稍微超过铺管作业耐波性衡准，即在艏向正负40°范围内，能满足铺管作业耐波性标准。考虑到本文较为保守的耐波性试验，选取铺管作业工况的最大吃水，此时露天甲板装载着12 000 t管子，同时还携带100%的油水。若适当降低吃水，即控制船舶燃油淡水的装载率（如50%）、调节压载舱的装载以及调整甲板上管子数量，水线宽将可减窄，同时重心增高，能显著改善船舶的耐波性能，其极限就是航行工况（吃水8.5 m）时的情况，即燃油淡水装载率为50%，甲板上装载的管子质量仍能达到6 000 t左右，能够覆盖绝大多数的作业情况。

这就是说，多吃水变船宽起重铺管船船型实际上可以在很大的气象窗口内实施铺管作业，作业效率比常规起重铺管船大大提高。

6 结 论

经过比较分析，本文推荐的起重铺管船船型采用多吃水变船宽方案，在满足稳性要求的前提下，显著改善了起重铺管船航行时快速性和铺管作业时耐波性；使大型起重铺管船在提高起重能力的同时，又能以较低的推进功率达到较高航速，从而拓展了船舶的可作业范围；而耐波性的改善，大大增加了铺管作业的气象窗口，改善了大型起重铺管船的经济性能。与传统船型相比，多吃水变船宽的船型，其吃水自然稍有增加，但考虑到大型起重铺管船的作业海域绝大部分为深水和远海，因此并不会对该船型的应用产生实质性的影响。

随着深海、远海油气田等资源开发逐步进入实施阶段，不仅是起重铺管船船型面临稳性与快速性、耐波性的矛盾，其他海洋工程船型（如钻井船）的可变载荷在不断加大，且作业设备的能力日益增强、船体尺度越来越大，从而形成波浪载荷大、运动性能差、对环境载荷敏感等现状［11］，正面临与起重铺管船船型相类似的挑战。

本文仅以起重铺管船船型为例，阐述了多吃水变船宽的基本原理、主要特征和优点，其应用范围还可以有各种变化和改进，例如不设置起重机而是设置钻井井架，即应用钻井船。因此，多吃水变船宽的船型实际上是一种新型的海洋工程船船型，可以在深水、远海的海洋工程开发中广泛应用。

［参考文献］

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［ 9 ］ 盛振邦，刘应中.船舶原理（下）［M］. 第一版，上海：上海交通大学出版社，2004：384.

［10］ 王晓波，许文兵，肖龙. 深水铺管起重船“海洋石油201”在荔湾3-1气田开发工程的适用性分析［C］//纪念顾懋祥院士海洋工程学术研讨会论文集，北京，2011：164-165.

［11］ 刘学勤，张海彬.深水钻井船运动性能分析［J］. 船舶，2013（6）：12-15.

［中图分类号］U674.34

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2015）03-0028-07

［收稿日期］2014-10-11；［修回日期］2014-10-17

［作者简介］程维杰（1982-），男，硕士，高级工程师，研究方向：船舶总体设计。

Development of hull line for huge crane and pipe-laying vessels

CHENG Wei-jie1,2

(1. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University Shanghai 200240, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Abstract：This paper presents a research on the key technologies involved in the general design of a new generation of 5 000 t crane and pipe-laying vessels. Through summarizing latest development tendency of huge crane and pipe-laying vessels， it proposes a new solution for balancing its seakeeping capacity， power performance and stability. It provides a scientific basis for improving the overall performance and expanding the operating scope of mono-hull crane and pipe-laying vessels， and also a reference for the design of other types of offshore vessels.

Keywords：crane vessel； pipe-laying； seakeeping capacity； power performance； DP capability