深水半潜式起重铺管船总体布置关键技术

钟文军，彭小佳，何 宁

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

深水半潜式起重铺管船是深水油气田开发的重要装备，分为上浮体、立柱、下浮体三部分，船上设备众多，全船的总体方案设计需要综合考虑船舶运动性能、稳性、结构强度、设备布置、建造难度、总体造价等因素，设计难度较大。本文对船型总体布置设计中船型优化、上浮体布置、立柱布置、下浮体布置等几个关键技术[1]进行总结。希望为国内技术人员进一步的研究提供参考。

1 船型优化

全船的总体布置方案和主尺度优化是一个不断循环、持续改进的过程。设计出一套总布置方案后，要对浮力、稳性、运动、压载等进行计算分析，根据分析结果再不断完善总布置方案。优化的原则是尽可能增大垂荡、纵摇固有周期，避开波谱能量集中区域，使船舶具备最优的运动性能。建议的优化设计过程如下。

(1) 设计方首先应根据船东的功能需求，对主要设备的尺寸、重量等参数进行调研。

(2) 确定J-lay塔布置位置，初步完成主甲板布置设计，参考母型船或类似船型完成第一版总布置设计。

(3) 估算空船重量重心、质量回转半径、风力系数、流力系数等基本参数。

(4) 核算船舶在空船吃水、航行吃水、作业吃水的排水量是否能满足浮力需求。

(5) 进行稳性计算，根据计算结果确定最小水线面面积，并对立柱尺寸进行调整。

(6) 对船舶的固有周期、运动幅值、气隙等进行计算，根据计算结果修正船型。

(7) 对压载舱和抗横倾舱的舱容进行校核，确保能够满足压载和吊机回转的要求。

(8) 综合考虑各方面因素，对船型及舱室布置进行调整，直至各方面性能都满足规范和船舶功能要求。

2 上浮体布置

上浮体主要分为起重作业区域、铺管作业区域、主机舱区域和人员居住生活楼区域这四大部分，整个上浮体的布置也主要围绕着这四大功能的实现来考虑，并且需要尽量提高作业效率。

起重作业区域的布置比较常规，两台主吊机通常布置在船尾的两舷；生活楼的布置需要注意救生艇的布置以及人员居住的舒适度；而铺管作业区域和主机舱区域的布置需要重点关注。

2.1 J-lay铺管系统布置

J-lay塔布置位置有三种：舷侧布置、船尾布置及船中布置。设计方应根据项目实际情况选择合适的布置位置[2]。三种布置位置的优缺点比较如表1所示。

表1 不同J-lay塔布置方式比较Table 1 Comparison among different J-lay arrangement schemes

整个铺管系统除了J-lay塔还包括堆管区、管道传输系统、管道预制系统、A/R绞车等。确定J-lay塔布置位置后，管道预制系统和A/R绞车通常就布置在J-lay塔附近区域，方便铺管作业。堆管区可以布置在主吊机下方区域，也可以布置在上浮体舱室中。管道传输系统将海管由堆管区运输到预制系统区域，需尽量简化传输路径以提高作业效率。

2.2 机舱区域布置

半潜式起重铺管船电力负荷需求较大，通常会设置8～12台主机，可行的主机舱方案有四机舱和六机舱两种方案，如图1所示。六机舱方案与四机舱方案相比，最大故障模式动力定位(DP)冗余更小，总装机功率略低，但是机舱需配置的冗余设备增多，如分油机、滑油系统、燃油系统、冷却水系统、通风系统、钢制悬链线立管(SCR)系统等。综合比较后发现，两个机舱方案的整体造价差别不大，但是六机舱方案的电气、轮机系统设计难度更高，全船电缆布置复杂，且缺乏船舶实例，建造阶段项目风险过高，推荐优先采用系统配置更为简单的四机舱方案[3]。

主机舱区域有主机、辅机、锅炉、配电盘柜、日用油柜、制冷压缩机等众多设备，机舱区域的布置方案主要需考虑以下几个方面：(1)主机舱之间相互分隔，满足DP3的要求；(2)考虑主机舱与辅机舱及配电间之间的管路、电缆布置；(3)整体舱壁结构的布置合理性；(4)烟囱管道布置及烟囱位置的影响。

图1 四机舱布置方案和六机舱布置方案Fig.1 Four-engine-room plan and six-engine-room plan

3 立柱布置

立柱的尺寸是决定船舶运动性能的关键。综合考虑稳性、耐波性、气隙等计算结果可以初步确定立柱尺寸，确定主尺度后，立柱的布置主要注意以下几个方面[4]。

(1) 由于立柱处于水面附近，存在一定碰撞破损风险，因此人员经常活动区域、电梯井、油舱等重要舱室应尽量布置在内部安全区域(立柱中心连接成的矩形内部区域，见图2)。如需布置在外部暴露区时，须设置隔离空舱。

(2) 立柱与上浮体、下浮体的连接部位是高应力区，应尽量保证舱壁结构的连续性，并设置倾斜过渡。

(3) 立柱位置还布置有水平横撑、系泊缆导向轮等结构，受力都较大，结构布置上应予以考虑。

图2 安全区域示意图Fig.2 Sketch of safe area

4 下浮体布置

下浮体中主要布置油舱、压载舱、泵舱和推进器舱，其中推进器舱的布置最为关键[5]。推进器的布置方案要考虑以下几个方面。

(1) 尽量避免推进器之间的相互干扰。经计算，功率在4500kW左右的推进器相互距离在28m以上时，相互干扰才可以忽略。

(2) 推进器的布置位置应尽量远离船舶旋转中心，提供最大的回转力矩。

(3) 推进器舱应有足够空间能布置下电机、变频器、滑油系统等辅助设备。

(4) 航行工况时，应尽量使推进器来流稳定，提高推进器推力输出。

图3 推进器布置方案Fig.3 Thrusters arrangement plan

推荐的推进器布置方案如图3所示，推进器横向干扰较小，且远离旋转中心。

5 结 语

本文归纳了主尺度优化的流程，对半潜式起重铺管船的总体布置关键技术进行了总结，并分别对上浮体的铺管系统布置、机舱区域布置、立柱布置、下浮体推进器系统布置等重点问题进行了阐述。希望国内技术人员继续研究，早日建造出具有自主知识产权的半潜式起重铺管船。

[1] 彭小佳,宋安科,何宁,等.深水半潜式起重铺管船船型优化方法[J].中国海洋平台,2015,30(6)：20.

Peng Xiao-jia,Song An-ke,He Ning,et al.Hull optimization for deepwater semi-submersible crane vessel [J].China Offshore Platform,2015,30(6)：20.

[2] 海洋石油工程股份有限公司.半潜式起重铺管船总体方案论证报告[R].2016.

Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.Semi-submersible crane vessel general report [R].2016.

[3] The International Marine Contractors Association.IMCA M 140 Rev.Ι.Specification for DP capability plots [S].2000.

[4] Det Norske Veritas.DNV-RP-C205.Environmental conditions and environmental loads [S].2014.

[5] American Petroleum Institute.API-RP-2SK.Design and analysis of stationkeeping systems for floating structures [S].2005.