10000t举力半潜驳总体设计

王 辉

（天海融合防务装备技术股份有限公司，上海 201612）

0 引 言

半潜驳是指在进行装卸作业或有操作需要时，可通过调节自身的压载水量将载货甲板潜入水中而呈半潜状态的驳船，主要用于预制、装运和沉浮水上建筑工程所用的大型混凝土沉箱，也可用于装运大型钢结构、设备及其他可移动的海上建筑物等。

近年来，随着海上桥梁、港口码头等水上建筑工程的迅猛发展，半潜驳的应用越来越广，需求量越来越大。同时，根据工程的需要，半潜驳呈现出多样化、大型化的发展趋势。天海融合防务装备技术股份有限公司自成立以来，设计和改装了一系列半潜驳，主要有左右坞墙式（见图 1）和四角塔楼式（见图 2）2种，举力从5000t到25000t不等。本文以某10000t举力半潜驳为例，对其总体设计进行介绍和分析。

图1 左右坞墙式半潜驳

1 10000t举力半潜驳的船型设计与主尺度选取

1.1 船型与外观设计

半潜驳通常设计为无动力的驳船，在移动定位时往往需拖船辅助，这会影响其作业效率，而设计为有动力的半潜驳会大幅增加设计和建造成本。对此，将该船设计为具有辅助推进功能的非自航半潜驳船型。该设计既可提高船舶进出港和在作业区域内短距离移位的效率，又不会过多地增加成本。

该船的主船体采用方驳型单甲板浮箱，艏艉底部采用流线型以减小航行阻力，艉部设置3只呆木以提高航行的稳定性；为便于在装运沉箱时布置垫木，举升甲板无脊弧无梁拱；主船体举升甲板以上采用四角塔楼式设计，使该船既可采用纵向过驳沉箱，也可采用横向过驳沉箱，方便沉箱的装卸作业；艉部左右塔楼桥接，横向连接桥设计便于舱室、管路及电缆布置和人员通行。

该船在设计塔楼时进行特殊考虑，将艏艉塔楼设计成阶梯形外形，即分别在艏塔楼前端和艉塔楼后端设置一个与塔楼相连的小平台。小平台的设置可增加半潜驳举升甲板入水时的水线面面积，提高半潜驳下潜的稳性；同时，小平台高度适中不会造成结构自重大幅增加，进而影响船舶的载重量、稳性和建造成本。该船的外形设计已获得半潜驳外观设计专利[1]。图3为该10000t举力半潜驳外形图。

图3 10000t举力半潜驳外形图

1.2 主尺度选取

主尺度选取是半潜驳设计的关键之一，是多参数、多目标、多约束的求解和优化问题，是一个逐步近似的过程，通常按螺旋线形式[2]进行。该船的船宽设计为42m，船宽的确定综合考虑目标沉箱的宽度、塔楼的宽度、进出沉箱空间要求和船舶稳性，若过宽，其横向结构强度要求较高，会大大增加结构自重，造成成本大幅增加。船长需根据船宽，结合设计吃水和载重量要求选择，以确保该船在设计吃水下具有足够的载重量。该船的设计吃水为4.8m，经初步计算，确定船长为76.8m。型深主要根据干舷要求、过驳码头标高和潮位情况选择，经初步计算，确定该船的型深为6m。该船最大沉深由目标沉箱浮游稳定高度确定，这里取26m，举升甲板以上20m。

由上述分析，初步确定该船的主尺度为：船长L=76.80m；型宽B=42.00m；型深D=6.00m；设计吃水d=4.80m；最大沉深为26.00m；举力为10000t；运载力为8000t。

在初步选定主尺度之后，还需精确计算，保证取值的可靠性。以半潜驳最危险情况下的下潜稳性为校验标准，采用NAPA软件建模计算，确保该半潜驳的下潜稳性满足法规[3]要求：半潜驳满载甲板货物在举升甲板入水或出水过程中，在蒲氏风级≤6级、有义波高≤0.5m的水域，或蒲氏风级≤4级、有义波高≤1m的水域，经自由液面修正之后的初稳性高度≥0.15m；在半潜船下潜至最大沉深时，经自由液面修正之后的初稳性高度≥0.5m。

该半潜驳装运8000t沉箱下潜时的稳性校核结果见表1。

表1 10000t半潜驳载运8000t沉箱下潜时的稳性校核结果 单位：m

由表1可知，该半潜驳装运沉箱下潜过程中的稳性满足法规要求且具有一定的裕度，因此该半潜驳的主尺度选取是合理可靠的。

2 船体总布置及结构设计

该半潜驳主体为方驳型单甲板浮箱，举升甲板以下由3道水密纵舱壁和5道水密横舱壁分隔成20只压载水舱、机舱、舵桨舱和艏艉泵舱，艏艉泵舱分别横向贯通连接左右塔楼，艏艉泵舱之间设置纵向管弄，便于内部通行，便于管道及电缆安装和维护检修等。举升甲板上的四角设塔楼，为半潜驳下潜提供足够的水线面面积，保证半潜驳半潜作业时具有足够的稳性；艉部左右塔楼横向桥接，塔楼内部设置甲板室，用于布置生活舱室、工作舱室、机器处所、服务处所和控制站等。塔楼顶甲板上设置锚系泊设备，用于进行锚系泊作业。图4为该半潜驳舱底布置图。

图4 10000t举力半潜驳舱底布置图

该半潜驳船体结构按规范[4]要求设计。举升甲板和船底结构采用纵骨架式，舷侧结构采用纵骨架式，每隔1.8m设置一档强框以支持纵向结构，举升甲板载荷按25t/m2设计，沉箱行走区域甲板载荷按35t/m2设计。四角塔楼结构采用横骨架式，横向连接桥采用横骨架式。船体结构材料满足材料与焊接规范[5]的要求。

该半潜驳不满足L/ B＞3的要求，其总纵强度应通过直接计算确定，波浪弯矩和切力采用三维势流绕射/辐射软件HYDROSTAR与波浪运动响应和载荷长短期预报软件FATA进行长期预报，利用MARS软件对船体梁结构进行分析校核，满足规范要求；该半潜驳采用有限元分析方法进行直接计算校核，其横向强度满足规范要求。

3 锚泊系统设计

锚泊系统作为半潜驳的一个重要系统，配置过高会增加成本，配置过低会影响作业安全。该半潜驳配置4点锚泊定位系统用于下潜作业时的锚泊定位。在设计该锚泊系统时，采用三维势流绕射/辐射的源汇分布法和悬链线法进行耐波性运动响应分析及锚泊分析的水动力计算。目前该方法已广泛应用于海洋工程船和常规船的水动力计算分析中，成为解决海洋工程船水动力问题的首选方法。

该半潜驳下潜作业时的4点锚泊定位系统配置有4只AC-14大抓力锚，每只锚重6975kg，锚索采用直径为46mm的钢丝绳，每根锚索的长度为600m。图5为该半潜驳下潜作业时的4点锚泊定位系统布置图。

图5 半潜驳进行下潜作业时的4点锚泊定位系统布置图

选取最大风、浪、流联合作用下的载荷，采用准动态分析方法对下潜作业时4点锚泊定位系统进行受力分析，结果见表2。

表2 锚泊系统受力分析结果

由表2可知，下潜作业锚泊定位时，在6级风、1.0m有义波高、2.0m/s流速和90°环境力下，钢丝绳最大轴向拉力小于设计张力和锚能提供的最大抓力，满足要求。

4 压载系统设计

压载系统作为半潜驳的一个重要系统，也是该半潜驳设计的关键之一。压载系统的好坏直接影响半潜驳沉浮作业的安全性、稳定性和效率；同时，半潜驳沉浮作业的时间也是用户考核的一项重要指标。该半潜驳压载管路采用集中注入或排出总管的方式，设艏艉2个泵舱，分别布置2台压载泵。全船共设4台压载泵，每台压载泵的排量为1500m3/h，扬程为13m，4台压载泵既可同时工作，也可单独控制。压载管路采用前后2路，分区控制，前后管路之间设有纵向连通管，前后压载系统互为备用，确保整个压载系统可靠运行。该船从设计吃水下潜至最大沉深大约需3h。图6为该半潜驳压载系统管系原理图。

当半潜驳下潜至底部接近海底时，海底区域的海水会因船体的扰动而变得浑浊，导致海水中的泥沙增多。为减少进入压载舱的泥沙量，该半潜驳同时设置高位海水箱和低位海水箱，其中高位海水箱通过海水总管与低位海水箱相连。通常情况下，半潜驳外的海水通过低位海水箱进入海水总管，在半潜驳下潜时可根据实际情况切换为由高位海水箱进入海水总管，这样可减少进入舱内的泥沙量，减少清舱工作量，降低泥沙对压载系统的不利影响。

图6 10000t举力半潜驳压载系统管系原理图

5 结 语

半潜驳设计是一项系统性工作，需考虑的因素较多。为设计出满足规范、法规要求且令用户满意的半潜驳，设计者应尽可能地综合考虑各方面的因素。

本文以 10000t举力半潜驳为例阐述半潜驳总体设计的思路，并对半潜驳设计中的几个关键点进行介绍，对以后半潜驳的设计和开发具有一定的帮助。