50000dwt半潜运输船总体设计

田明琦，谭 美

（中集船舶海洋工程设计研究院，上海 201206）

50000dwt半潜运输船总体设计

田明琦，谭 美

（中集船舶海洋工程设计研究院，上海 201206）

50000dwt半潜运输船是中集船舶海洋工程设计研究院为振华船运有限公司设计的新一代大型海工船，具有装载能力强、经济、安全、下潜起浮效率高和操作灵活等显著特点。简要叙述半潜运输船船型、特点和使用功能。重点阐述船舶稳性安全及结构质量控制对载重量和下潜能力的影响、压载系统效率、电力推进系统与动力定位功能以及相关的优化设计和技术措施。

半潜运输船；船型特点；设计

0 引 言

半潜船也称半潜式母船，是专门用来运输大型海上石油钻井平台、大型舰船、潜艇、龙门吊和预制桥梁构件等超长、超重但又无法分割或拆解吊运的超大型设备的特种船舶，主要分为无动力半潜驳船和自航式半潜运输船2类。其工作原理与潜艇非常类似，不同的是，潜艇可全部潜入水下航行，而半潜船是除去艏楼、上层建筑及艉浮箱之外的船身甲板潜入水下一定深度，部分在水上提供储备浮力。

半潜船可通过滑上滑下、滚装滚卸、吊上吊下及下潜上浮等多种作业方式进行移动和装卸货物［1］。下潜上浮作业最具半潜运输船的作业特点，在将需要装运的货物（如游艇、潜艇、驳船、钻井平台、大型海洋结构物及各类海洋平台等）拖曳到已经潜入水下的装货甲板上方时，通过大型空气压缩机或压载水调载泵将半潜船压载水舱内的压载水排出船体，使船身连同甲板上承载的货物一起浮出水面，绑扎固定，由此即可通过海运将货物运至目的港［2］。

半潜运输船可分为以下2类。

1） 常规半潜运输船，其承载作业仅可在低海况下进行，该类船以运输为主。

2） 以海工作业为主的半潜运输船，不仅要兼顾海上运输，更要承担海上打捞作业、海工作业及抢险救援等任务；其承载作业可在相对较恶劣海况下进行，与常规半潜船相比，在强度、稳性及功率配置上均需进一步优化，以满足使用安全及规范要求。50000dwt半潜运输船的设计和实际使用就是要符合以海工作业为主的半潜运输船的要求［3］。

1 船型特点

50000dwt半潜运输船的设计要求是满足船级社及国际相关法规、公约和规范的要求，并具有总体布局合理、完整破舱稳性达标、耐波性能优越、定位快捷有效和操纵灵活方便等特点。

该半潜船为钢质、流线型艏、方艉的三岛式半潜运输船，具有DP-2动力定位功能，可在无限航区航行及作业。其艏部设艏楼，在艏楼上布置甲板室，用作生活区、驾驶室和其他处所。其艉浮箱可移动，并能通过船上专用设备移动和重新布置在艏楼底下。

该船采用电力推进系统，设4台主柴油发电机组、1台停泊发电机和1台应急发电机。该船采用双层底结构，设有多道水密横舱壁，布置有压载舱、艏艉泵舱、艏部机舱、淡水舱、燃油舱、滑油舱及前后贯通的纵向走道。该船的主尺度见表1，总体布置见图1。

表1 50000dwt半潜运输船主尺度

图1 50000dwt半潜运输船总体布置

该船挂中华人民共和国国旗，船体、设备、机器及其他所有装置入级中国船级社（China Classification Society，CCS），并获得船级符号：

★ CSA Semi-Submersible Heavy Lift Vessel，SPS，ERS，PSPC（B），Ice Class B，Loading Computer S.I.D.， In-water survey， Clean， BWMP （MEPC.127（53） ）

★ CSM AUT-0， DP-2， SCM， Electrical Propulsion System

该船可用于：海洋石油和天然气勘探、开采所需大型海上装备（如大型钢结构件、各类平台、导管架和平台主块等）、大型船舶及舰艇的装载与运输；400英尺（1ft=0.3048m）自升式钻井平台（2个）的运输；质量约 18000t的大型上部模块的浮托法安装；大型船舶的应急抢险打捞、破损船舶的装载与调遣；通过潜浮作业，满足排水量＜80000t的运输船的整体打捞（空船质量＜20000t）；通过艉部拉移装载大型模块（质量≥25000t）；水上遇险的各类军事船舶、民用船舶、器材及航空航天器的抢险打捞和海上油污染防治。

根据设计任务书的要求，设计师收集并整理了市场上已交付使用或正在建造、洽谈中的几十艘半潜运输船的相关资料，其中5万吨级船舶所占的比例较大，包括旧船改造和新造船2类，包括常规动力推进、电力直推和吊舱推进等不同形式。这些大型半潜运输船具有船龄短、载重量大和设备先进等诸多优点。半潜运输船大型化的发展已经愈演愈烈，5万吨级半潜运输船可作为市场上的主流船型，市场前景十分广阔。近期，8万吨级半潜运输船已在国内开工建造。

2 稳性的技术要求

半潜运输船的主要包括长距离的海上航行运输工况和半潜承载作业工况。

半潜运输船运输通常在无限航区海域航行，在设计吃水下，船体的各项性能（即浮态、稳性、抗沉性及强度）均应满足有关船级社、海事当局的法规及规范对无限航区船舶的要求。船舶完整稳性应满足IMO MSC.267（85）决议之《2008 年国际完整稳性规则》的有关要求。值得注意的是，完整稳性衡准“最大复原力臂对应横倾角应≥25°”。由于该类船的宽度很大，在较小的横倾角时甲板就会上水，进而复原力臂达到最大值，因此与船级社沟通，采用近海供应船的等效规则替代该项规则，即把横倾角≥25°要求降低到横倾角≥15°，相应地，复原力臂曲线下的面积要求由0.055m·rad提高到0.080m·rad进行补偿。当然，该船船东提出需要满足Noble Denton Report No.0007/NDI“Guidelines for the Transportation of Cargoes on Heavy Lift Ships”的稳性标准［4］，该标准属非强制性标准，相关内容如下。

1） ND-RANGE：完整稳性范围0°横倾角，至正复原力臂（GZ）消失角≥36°。等效地，若拖航或航行的最大运动幅值可通过模型试验或运动响应计算得出，则完整稳性范围应≥（200.8）θ+°，θ即设计海况引起的横摇或纵摇的最大角度+设计风所引起的静横倾角或纵倾角。

2） ND-WO：对完整稳性，复原力臂曲线下的面积应≥40%的风倾力臂曲线下面积。该面积由 0°横倾或纵倾及风倾力臂曲线与复原力臂曲线的二次交点或进水角组成，取小者。

3） ND-DWNFLD：任何＜20°或（5）θ＜+°指定的进水点，其中θ是定义在“ND-RANGE”中，在作业工况都应是关闭或水密的，或采用自动关闭保护。

承载的货物分为有浮力货和无浮力货两大类。有浮力货可以计及货品提供的水线面积、复原力臂及排水体积等因素，对船舶的初稳性和大倾角均有不同程度的好处。经过计算，该方案可满足多种典型货物的航行状态的稳性要求，具有良好的性能。

国际上针对半潜船的规范并不十分完善，CCS较早提出了半潜船的附加标志，并在《钢质海船入级规范》中对半潜船下潜、上浮工况作出如下规定。

1） 半潜船应在不超过“4）”所规定的风、浪外界环境条件下进行半潜作业，并应在稳性计算书、操作手册及有关的证书中予以注明。

2） 半潜船在半潜作业下应按10%的燃料、消耗品及备品核算“3）”～“6）”各作业装载情况下的稳性。

3） 半潜船满载甲板货物准备下潜时，经自由液面修正后的初稳性高度≥1.0m。

4） 半潜船满载甲板货物在举升甲板入水或出水过程中，其稳性应满足下列衡准之一：

（1） 在基本无浪的平静水域，蒲氏风级≤3级时，经自由液面修正后的初稳性高度≥0.05m，或蒲氏风级≤5级时，经自由液面修正后的初稳性高度≥0.1m；

（2） 在蒲氏风级≤6级、有义波高H1/3≤0.5m 的水域，或蒲氏风级≤4级、有义波高H1/3≤1m 的水域 ，经自由液面修正后的初稳性高度≥0.15m。

5） 半潜船下潜至最大沉深时，经自由液面修正后的初稳性高度≥0.5m。

6） 半潜船甲板上无承载物在下潜或上浮的任何阶段，经自由液面修正后的初稳性高度均应≥0.15m。

7） 存在自由液面的液体舱都应考虑其最大的自由液面影响。

8） 承载大型物件、船舶或海洋设施进行下潜作业时，可按承载物的实际位置及浮态计及其对稳性的影响。

9） 应编制相应的半潜作业操作手册，规定具体的下潜程序与操作步骤，以保证船舶符合“3）”～“6）”的各项规定。半潜作业操作手册应提交CCS备案。

以上几个不同的衡准值对设计者及业主设计和使用该半潜船提出了不同的要求。例如，同样大小的半潜船在承载同一结构物时，若海况较低（蒲氏风级如 1～2级），则其主尺度、定位功率大小、船体强度均可满足使用安全及规范要求；而在进入高海况（4～5级）区域作业时，则只有降低承载能力并增大定位功率方可满足使用安全及规范要求。该船的投标方案满足标书要求的下潜及起浮作业环境条件：蒲氏风级≤6级；流速≤2kn；有义波高H1/3≤2 m 。

规范规定，半潜船下潜至最大沉深时，应满足最大沉深水线以上第一层甲板以下部分的储备浮力比率≥5%，或最大沉深水线以上第二层甲板以下的储备浮力比率≥5%，但第一层甲板以下部分的储备浮力比率≥3.5%。因此，在设计艏楼及艉部浮箱时，需要全面平衡临界稳性、下潜稳性及有效甲板面积之间的矛盾，如果艏楼及艉部浮箱设计得过大，虽然下潜稳性更容易满足、储备浮力充足，但要牺牲有效的装货甲板面积和长度。为了提高该船的各项性能指标，给业主带来最大限度的有效装货空间，在设计过程中进行多次尺寸核算后才确定最终的设计方案。

常规的半潜运输船往往具有因船宽大带来的自由液面影响、压载水卸放难排净等问题。该船设计时，经过几种分舱布置形式的调整，最终确定液舱甲板结构形式为向船中倾斜（见图2）。这样的设计既有利于清理水舱和泄放压载水，也可降低自由液面产生的不利影响。另外，空气管的布置也引入了安全区域的概念，即所有的空气管都经过安全区域后再拐到指定的位置。所谓安全区域，就是为了避免船体破损之后沿着空气管发生衍生进水而故意让空气管绕道，虽然增加了建造成本，但对破损后船舶的浮态有很大利好，得到船东的认可。破舱稳性计算针对航行工况，稳性衡准按照SOLAS 2009第Ⅱ-1章及修正要求。同时，由于该船属B-60干舷，需按照《1966年国际载重线公约》的相关要求进行确定性破舱的计算。

图2 倾斜甲板

半潜船的空船质量直接影响载重量和稳性等关键性能指标，其质量的预估既不能过重也不能过轻。过重，影响装载能力；过轻，则在装满压载水的情况下不能达到最大的下潜深度，无法满足使用要求。另外，重心高度也直接影响大型货物的装载能力。该船的设计既可满足空船状态（10%油水）下潜至27m的最大沉深，同时也可满足航行状态的载重要求及其他相关规范要求。

3 结构强度设计

该船入级CCS，设计时结构主要满足《CCS钢质海船入级与建造规范》（以下简称《规范》）中对干货船及半潜船的要求。由于该船/B D（型宽/型深）≥2.5，不完全满足《规范》给出的波浪弯矩及波浪剪力公式使用条件，因此需采用水动力法对其波浪弯矩及剪力进行直接计算。另外，根据标书技术要求，该船有B级冰区加强，结构设计时应按《规范》对相关区域外板及扶强材进行加强。针对沉浮作业及远洋航行2种工况，需对船体总纵、总横强度及局部强度进行有限元分析，确保船体在足够安全的情况下控制自重，降低造价。

1） 沉浮装货：主要考虑船舶下沉后船体压载舱构件承受的水压力及船舶浮起时排压载的压缩空气压力，对船体构件局部强度有较高要求。

2） 航行状态：主要考虑波浪弯矩、剪力及载货与船舶自重产生的静水弯矩、剪力对船体总纵强度和局部强度的要求［5］。

3） 当有重货从艉部滑移上货时，可能产生很大的中拱弯矩及剪力，也应特别关注；经对多种典型工况进行分析校核，可保证该船具有足够的强度。

4 电站及推进系统

设计中选用先进、稳定的动力装置及电力系统。除改装船以外，新建的半潜运输船大多采用全电力推进模式，带有动力定位能力，主推进器选用全回转舵桨、AZIPOD等形式。具有动力定位能力的船舶能积极参与海洋工程作业、打捞抢险救援、海上浮托安装和海上托举作业等，能大幅提升船舶的作业效率和作业范围。该船设计中充分论证电站功率、压载系统配置、推进功率和定位能力等诸多因素，经过船模试验验证及动力定位能力分析确认，证明选择3台吊舱推进器不仅能满足该船的航速要求，而且更有利于海上施工作业。动力定位的海况条件为：蒲氏风级6级，流速2kn，有义波高H1/3≤2 m 。在此海况条件下，通过艉部品字形排列的3台ABB全回转吊舱推进器及布置在艏部的2台大功率侧推器，共同完成海上的动力定位，满足冗余设计，在一台推进器失效的前提下，仍可实现DP-2的动力定位要求。

在设计吃水10m、3台推进电机功率均为90%（3×4500×0.9kW）情况下，清洁船体、平静海面、蒲氏风级≤2级、水深≥50m时的航速≥14.0kn。在服务航速下，基于柴油（燃油低热值为42700kJ/kg），燃油消耗≈50.3t/d。

5 压载水系统

压载系统的设计应使船舶在各种航行运输、下潜上浮及浮态调整状态下保持平衡。压载系统、舱室液位测量系统、吃水测量系统、船体甲板挠度测量系统与装载计算机信号要整合在一起，对船舶状态进行实时监控，并保证与全船管理系统的正确通信。

压载系统的设计能力，从最大半潜吃水（27m）上浮至设计吃水（10m）的时间≈4h。该船设有2套独立的压载系统：① 压缩空气压载/排载系统，使用空压机对主甲板以下的压载水舱进行操作；② 泵压载系统，用于全船压载舱，包括艉浮箱。

在进行无需处理压载水的下潜/上浮作业时，用压缩空气系统服务主甲板以下的压载舱， 用泵压载系统服务主甲板以上的压载舱。压缩空气压载/排载系统设置 4台电驱动、水冷却的空压机，每台的排量≈6500m3/h，排出压力 270kPa。由空压机产生的压缩空气打至压载水舱可以排空压载水，反之也可作为减压装置加速压载。空压机作为减压装置时，根据制造商标准，应减少空压机排量。

当需要使用压载水处理装置时，设在艏部泵舱的排量为1400m3/h的5台艏压载泵和设在排量为500m3/h的艉部泵舱的2台艉压载泵可调节全船所有压载舱的压载水，控制全船浮态。

6 结 语

该50000dwt半潜运输船充分考虑了业主使用、船舶安全等因素，是系统集成度较高的半潜运输船。该船预定2016年交船，将为中集船舶海洋工程设计研究院进入大型半潜运输船设计领域奠定坚实的基础。

［1］ 黄蓓蓓，于洋. 半潜船发展历史与展望［J］. 中国水运，2010， 10 （1）： 4-6.

［2］ 冯志根. 半潜船船型特点及其发展前景［J］. 上海造船，2006 （1）： 49-51.

［3］ 仲伟东，王忠复. 半潜运输船的自主研究开发［J］. 上海造船，2010 （4）： 30-33.

［4］ 焦宇清. 50000dwt半潜船总体设计综述［J］. 船舶设计通讯，2010 （S1）： 58-64.

［5］ 周兰辛. 18000t半潜船结构设计研讨［J］. 船舶设计通讯，2001 （3/4）： 23-25.

General Design of 50000dwt Semi-submersible Heavy Lift Vessel

TIAN Ming-qi，TAN Mei
（CIMC Marine Engineering Design and Research Institute， Shanghai 201206， China）

50000dwt semi-submersible heavy lift vessel is a new generation of offshore vessel designed by CIMC ORIC for ZPMC Shipping， which has the features of large loading capacity， economical performance， safety， high submerging/floating efficiency， flexible operation and etc. This paper briefly introduces the characteristics and functions of the semi-submersible heavy lift vessel， and elaborates the technologies adopted as well as the optimization in the design with the focus on the stability safety， influence of structure weight control on loading capacity and submerging ability， ballast system efficiency， electrical propulsion system and its dynamic positioning function.

semi-submersible heavy lift vessel； ship feature； design

U674.1

A

2095-4069 （2016） 05-0040-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.05.008

2015-09-23

田明琦，男，工学硕士，主任工程师，1980年生。2006年毕业于哈尔滨工程大学船舶与海洋工程专业（研究生），现从事船舶与海洋工程总体设计工作。