“华西900”起重/铺管船改造设计

韩绍湖

(天津滨海博泰海事工程技术有限公司，天津 300451)

“华西900”起重/铺管船改造设计

韩绍湖

(天津滨海博泰海事工程技术有限公司，天津 300451)

文章介绍了起重/铺管船“华西900”在改造设计工作中主要的船舶性能、作业要求、改造后遵循的规范标准、改造方式以及锚泊定位系统改造等内容。

起重/铺管船改造;锚泊定位；设计

“华西900”起重/辅管船为单一起重能力900 t的全回转起重船，由于海洋工程结构物的大型化、深水化发展以及近岸海洋工程市场低迷，该船已经失去了竞争能力。船东根据对我国渤海、东海以及东南亚海洋工程市场的调研情况，决定改造此船，增加铺设单节点铺管作业线、增加40名作业人员并对原船主吊机加以优化，使其起重能力达到1 000 t以上，并具备起重、铺管、居住三重能力。

1 船东的改造要求

1.1 航区以及作业环境

本船定位于中国东海、渤海以及东南亚、波斯湾等浅水海域进行作业，航行及作业水域的限制条件如下。

1)无限航区拖带调遣。

2)铺管作业环境：作业水深8～200 m；波高2.5 m；风速17.2 m/s；流速1.286 m/s。

3)起重作业环境：作业水深8～150 m；波高2.0 m；风速10.7 m/s；流速1.286 m/s。

1.2 铺管作业能力(单节点)

钢管管径范围(含涂层)，101.6～1 524.0 mm ；管节长度，12.20 m；最大钢管质量，≤30 t；甲板整体存管约3 000 t。

要求本船设置铺管主作业线8个站。其中包含对中焊接站1个，焊接站3个，NDT焊接检验站一个，喷砂防腐站3个。

1.3 起重作业能力

艉吊固定，1 050 t；全回转，400 t。

1.4 船级社及挂旗国

要求本船入级美国船级社，悬挂新加坡旗，并取得如下船级符号：ABS★A1, Barge ,Circle-E, Circle-M, Crane CRC, Accommodation, Pipe Laying, HELIDK。

2 改造设计思路及方案制定

“华西900”原船为双底、双舷侧散货船，改造为非自航、纵骨架式900 t能力的全回转起重驳船，设单层强力甲板，雪橇形船首，折线形船尾，舭部设有圆弧。900 t起重能力的全回转起重机位于艉部，船首设有4层能容纳198名船员及施工人员(特种人员)起居的居住甲板室以及驾驶室，直升机平台位于艏部居住甲板室上方。设于艉部的2只舵桨推进器用于本船作业时进行短距离移位以及辅助调遣航行。该船主要从事海岸港口、桥梁以及人工岛建设、海洋工程等起重安装作业。原船入级意大利船级社并持有特种用途船证书。

原船主要尺度及参数：总长，134.80 m；设计水线长，134.80 m；型宽，32.26 m；型深，10.30 m；设计吃水，6.10 m；结构吃水，6.80 m；船员定员，68人；特殊人员，130人。

起重机具备旋转、起升以及回转能力，尾吊时主吊钩能力，900 t×30 m；回转吊时主吊钩能力，400 t×30 m。

“华西900”原船外观见图1。

图1 “华西900”原船外观

根据船东对原船低成本改造原则，制定如下改造方案。

1)在原船的右舷增加约8 m宽的船体安装铺管作业线，保持原船的长度和型深不变。在新加船体的船尾布置固定式托管架。

2)在新加船体的顶部布置铺管罩，以遮蔽铺管作业。

3)对原船的艏楼甲板加以改造，切除并减小右舷的部分舱室改为铺管作业区，艏楼甲板以上的四层甲板室保持不变。

4)使铺管罩顶部与艏楼甲板平齐，艏部布置管线收放绞车、救生艇筏以及主吊机钩箱、吊臂搁置架等；艉部布置托管架起升绞车；其余铺管罩顶部设计为存放设备或货物的载货甲板。

5)根据美国船级社以及挂旗国新加坡的同意，避免船员舱室的重大改造，本船将持有海上移动平台证书取代特殊用途船证书。

6)加宽的船体结构艏部考虑增加2台75 t的锚绞车，使整船的锚泊定位绞车增加至10台；铺管作业线的所有变频器控制柜、变压器房布置在中部；其余舱室考虑为压载水舱、调载水舱以及燃油舱等，新增边舱的布置应考虑海上移动平台规则对破舱稳性的要求以及燃油舱的保护。

7)在原船主甲板左舷设置管线储存区，储藏大约3 000 t的管子，并设有存管立柱加以支撑。

8)原船的锚泊布置根据规范适当调整；根据新的电力负荷将原船发电机更换为5台康明斯1 450 kW的发电机。

9)对主吊机进行优化，使其最大起重能力达到1 050 t。

3 改造后总体布置方案及铺管性能

3.1 总体布置

根据上述船东要求以及改造方案的原则，加宽船体增加铺管作业线后的总体布置方案如下。

1)主船体加宽示意图，见图2。

图2 主船体加宽示意图

在原船体右舷加宽8.74 m，甲板上布置铺管作业线及铺管罩，甲板下设压载舱、绞车舱、燃油舱、变频器及变压器室等；设有边舱及双层底；艉部设铺管坡度为7°的局部甲板。

2)托管架及铺管罩布置示意图，见图3。

图3 托管架及铺管罩布置示意图

托管架：艉部布置2节托管架以保证8～200 m水深下，铺设101.6～1 524.0 mm管线；托管架依靠布置艉部铺管罩上2台45 t起升绞车通过艉部门架进行收放。

铺管罩：在新加宽主船体甲板上增设铺管罩，高度7.4 m，覆盖整个船长范围，铺管罩内铺管设备总成及相关作业站参见下节“铺管性能”。

船舶改造后，具备200 m以下水深铺管、150 m水深以下起重的功能，同时利用现有的舱室布置将住舱人数由198人提高至238人，船宽由32.26 m加宽至41.00 m，其余尺度不变。

为降低改造成本，加宽的船体将在原船右舷侧与原船焊接而成，此时原船右舷的外板将成为内部纵舱壁板。加宽船体与原船的连接位置见图4。

图4 船体改造后典型横剖面图

3.2 铺管性能

本船的铺管作业线为上海振华重工(集团)有限公司设计及制作，该作业线根据总体布置要求设置在主甲板的右舷侧, 通过纵向输送线、横向输送线和主作业线完成管段的焊接和输送。

本船设置铺管主作业线8个站，其中包含对中焊接站1个，焊接站3个，NDT焊接检验站1个，喷砂防腐站3个。铺管作业线总成设备见表1。

表1 铺管作业线总成设备列表

托管架的上面有滚轮组作为管线的支撑，当被铺管线从船上徐徐向下进入托管架时，该滚轮组即为管线的下水滑道，管线通过托管架即敷设于海底。当敷设水深增加时，则托管架用于支撑管线离开船尾后的上弯段部分，而下弯段部分则仍按管线自然下垂弯曲敷至海底。

控制铺管的主操作中心放置在驾驶桥楼甲板上的铺管控制室内。控制台有一个带红绿灯的模拟面板，以显示每个工作站的情况。来自张紧器、管线收放绞车、对中站及托管架最后滚轮组的可视系统监视器等都集成在铺管控制室内。作业线上的工作站都装有由控制台操作的声光报警系统。管段移动过程中控制系统与电子报警系统相连(灯光与警铃)。张紧器及收放绞车也在铺管控制室和绞车控制室控制。

另外在铺管罩内设有行车系统，并在相关作业站设有自动焊机、消磁机、坡口机、内对中器、无损探伤设备及涂敷设备等。

4 锚泊定位性能

本船应对起重状态以及铺管状态的锚泊定位能力进行分析，铺管船的锚泊定位与起重船有非常大的不同，铺管船在作业时锚泊能力应考虑管线对船舶的拉力及风浪流对船舶产生漂移位拉力的联合作用，锚泊能力比单纯的起重船增加了很多，因此本船增加了2台定位/移位锚绞车，共设置10台750 kN电动变频定位锚绞车。锚系分布在船的艏艉两舷处，控制船舶的前进、后退及左右移位；以及完成沿铺设管线的方向移位。

锚泊计算满足船东要求的环境条件要求以及船级社对锚泊分析的要求，特别是满足单锚失效后的整体定位能力(此时采用10锚定位系统)。铺管状态仍采用8锚定位系统，系泊模型见图5，数字1～8表示系泊缆绳。计算结果见表2。

图5 铺管状态系泊模型示意图

根据铺管作业环境进行锚泊计算时，考虑8锚定位能力(风暴条件下考虑10锚定位)，本次改造新增加的750 kN电动变频定位锚绞车考虑应用于管线的拉力作用。其余8台锚绞车及锚考虑为定位作用，锚绞车支持负载2 200 kN，钢丝绳最小破断负荷2 290 kN，定位锚采用大抓力德尔泰锚，锚质量8 000 kg。通过计算浪向270°时，3号缆绳受力最大，但锚泊系统仍有2倍的安全系数，满足系泊要求。

表2 150 m水深时不同状态起重/铺管船系泊力最大值统计示例

5 主要关键技术研究

5.1 船员舱室

本船原为特种用途船，执行国际特种用途船安全规则(SPS2008)，船员舱室执行劳工组织标准ILO92/133。本次改造由于船员舱室的修改以及船员人数的增加，船员舱室设计将按照已经生效的劳工组织2006标准进行改造，改动量非常大，在舱室不改变的前提下居住人数会大大减少，为了避开上述标准，本船改造的法规将执行海上移动平台规则，避免船员舱室的重大改建。

5.2 美国船级社对铺管船稳性的要求

自2015年以后，美国船级社规范加入了对铺管船的要求，该规范对稳性要求如下。

1)考虑管线收放绞车最大设计自持力平衡后的船舶最终水线，将不能超过任何风雨密开孔的下缘。

2)考虑管线收放绞车最大设计自持力平衡后的恢复力臂曲线必须有20°范围内的正值。

3)考虑管线收放绞车最大设计自持力平衡后的恢复力臂，在20°范围内不小于100 mm。

4)稳性范围内的所有开孔为风雨密。

由于上述计算没有先例，任何专业程序还没有嵌入上述要求，通过研究并通过编制外挂命令流程序，我们解决了上述计算铺管船稳性问题。

5.3 铺管罩强度

铺管罩为沿船长布置的、对铺管作业进行遮蔽的钢结构围壁。由于本船主船体总纵强度有一定的裕度，在改造设计时不希望铺管罩参与，从而减小铺管罩的结构尺度。但由于美国船级社规范对不参与总纵强度的最低长度限定在0.14L以下(L为船长)，从而对艏部的海管输送区的铺管罩结构设计提出严格的要求，一方面为了铺管区的完整性不希望对铺管罩进行拆分，另一方面为了消除总纵强度的影响要求拆分铺管罩。

为了解决上述矛盾，对总纵强度影响小的区域采用完整式，对影响大的区域采用拆分式，从而减轻铺管罩的结构重量。

5.4 托管架支撑结构强度

对于铺管船，托管架的支撑结构强度保证是非常重要的一环，其中也发现过由于强度不够，托管架掉落水中的先例，因此船东对托管架支撑结构的强度非常重视，并且要求比船级社有更大的安全裕度，经与上海振华重工(集团)股份有限公司、美国船级社反复研究并且对计算反复验证，从而取得了满意的加强效果。

图6为托管架的加强结构以及有限元的计算结果。

图6 托管架加强结构有限元计算结果

通过结构直接计算表明，最大应力发生在托管架支撑后铰点底座及支撑结构处，最大相当应力164.661 MPa，该处最大许用相当应力252 MPa以及284 MPa，因此强度满足要求并根据船东要求，具有1.5倍以上安全系数。

6 结束语

随着海洋石油市场的低迷，把单一功能船舶改造为多功能作业船舶是许多船东规避风险的选择之一。本文是笔者在从事“华西900”起重船改造为起重/铺管船设计工作中的一些学习体会及实践经验，希望给同行提供借鉴。

This article describes the key ship's performance; operational parameters; class rules and regulations; conversion design philosophy and positioning mooring system after HUAXI 900 converts to Heavy Lift/Pipe Laying Ship.

heavy lift/Pipe laying conversion;positioning mooring system; design

韩绍湖(1969-)，男，天津人，工程师，大学本科，主要从事海洋工程船舶、特种船舶技术开发与设计工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.06.013

2016-09-08