三维物探船稳性优化设计

初绍伟

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

海洋石油埋藏在海洋底层以下的沉积岩和基岩中，必须经过勘探、开发和生产才能加以利用。地球物理勘探船（简称物探船）是海洋油气资源勘探的专用船舶和关键装备，具有不可替代的重要作用［1］。由于技术难度高，作业系统复杂，以往物探船尤其是三维物探船的设计被国外设计公司所垄断，如挪威的Skipsteknisk 公司和 Ulstein 公司等［2］。为满足使用需求，三维物探船的众多大型物探设备布置在主甲板以上，因而上层建筑面积大、整船重心位置高，相比其他船型其稳性是比较突出的问题，也是设计过程中亟需解决的重要问题。随着国内油气资源勘探需求的增多，近年来国内对三维物探船的设计与建造积累了一定的经验。本文结合国内首艘完全自主设计的三维6 缆物探调查船（以下简称本船），介绍其稳性优化设计方面的经验。

1 三维物探船稳性特点介绍

三维物探船的稳性特点与其布置密切相关。三维物探船的核心作业系统为信号采集系统，包括物探电缆、物探电缆绞车、电缆储存绞车、排缆器、尾标吊机、电缆拖点、扩展绳绞车、扩展器及其收放储存装置等，系统尺寸大而重，且都布置在主甲板以上。三维物探船侧视图及物探设备布置如图1所示。由于主甲板以上中后部集中布置了物探设备，且该区域占据的层高很高，本船水线以上面积是水下面积的2.5 倍左右，因而稳性气象衡准应仔细查核，特殊抗风力的要求则通常较难满足。

图1 三维物探船侧视图及物探设备布置

除重心高、受风面积大外，三维物探船的另一个稳性特点是船宽较宽。这主要基于两方面考虑：其一是为了弥补重心高对稳性的不利影响；其二是物探设备布置需要。由图2 可见，炮缆及炮缆绞车与物探电缆绞车通过前后左右错位布置，需要足够的船宽满足设备的布置需要。

图2 物探设备布置俯视图

此外，由于三维物探船上层建筑面积大、层高较高，相比于同吨位的常规船型结冰时冰载荷偏重以及重心更高，故对稳性更加不利。以本船为例，冰载荷的质量占全部空重的1.7%，重心高度比空船重心高7.4 m，比不考虑冰载荷时的整船GM 值降低了约0.1 m。

根据SOLAS 要求，应根据概率破舱初始工况纵倾值来确定实际装载工况允许的纵倾值范围。三维物探船作业时，数百吨物探设备施放到水中。为弥补尾部质量的减轻，需在船体中后部设置足量压载水舱，以避免物探设备施放前后船体纵倾变化过大。

2 线型及总布置优化

2.1 线型优化

线型优化时在排水量一定的情况下，可适当增加水线面的面积提高线型的KMT 值以获得更大的GM 值。

线型浮心位置在线型优化时除要考虑水动力性能的影响，还应特别考虑装载工况的重心纵向位置，避免两者偏差较大引起较大纵倾。

2.2 尾甲板局部外扩

三维物探船因布置需要为小长宽比的船型，线型进流段和去流段变化较快，对快速性不利。若为稳性或布置需要而继续增大船宽，则对航速指标影响较大。因此，为兼顾快速性、稳性和布置需要，可在尾部主甲板以上局部放宽线型，如图3 所示。此方式可增大物探设备的布置空间［3］，在保证快速性不受影响的同时，在船舶横倾时可提供更大的回复力臂。

图3 尾甲板局部外扩

2.3 设备选型与布置

对本船重心影响最大的设备为枪阵的形式。枪阵根据其浮体形式不同分为硬浮体枪阵和软浮体枪阵［4］。硬浮体枪阵依靠可伸缩悬臂梁式行吊进行收放，自动化程度高，但占用甲板面积大，需要较高的层高；软浮体枪阵通过滑轨进行收放，机械化程度相对较低，但所需空间小，适合排水量较小的物探船。以某12 缆物探船为例，采用硬体枪阵所需层高为5.5 m；本船采用软体枪阵，所需层高仅为3.9 m。

图4 相同容量的不同电缆绞车尺寸

物探电缆绞车的直径和宽度通常可作调整，如图4 所示。相同物探电缆容量的绞车可采用左侧高度较低，宽度较大的形式，也可采用右侧高度较高，宽度较小的形式。合理调整物探电缆绞车的尺寸以及单双联，可以优化尾部设备布置，从而降低整船重心高度。另外，扩展器的存放位置（如甲板面或舷侧），对全船重量也有一定影响。

3 空船重量重心的跟踪与控制

除了提供技术方案优化三维物探船的重量重心，持续跟踪和统计重量重心的变化也十分重要。如图5 所示，随着设计的深入，重量重心的统计值逐渐逼近最终实船结果。在设计建造过程中应不断跟踪重量和重心的变化，掌握实船重量和重心与前期预估值的偏差情况，提前采取应对措施。

同时，对重量重心的估算应留有一定裕度，对空船重量应预留合理的排水量裕度；空船重心高度的裕度应在破舱稳性计算中预先考虑；船舶应尽量左右对称布置，避免产生严重横倾；船舶前后部应设置足够的压载水舱，调节重心纵向位置偏差引起的纵倾。

图5 重量重心统计趋势图

4 完整稳性

由于三维物探船船宽较宽，型深型宽比较小，完整稳性校核时需特别注意大倾角时的稳性要求。根据2008 IS Code［5］稳性衡准，三维物探船有两处规范要求较难满足：一是最大回复力臂对应的横倾角应大于25°，二是30°～ 40°之间回复力臂下的面积应不小于0.03 m·rad。

横倾角度25°～ 40°时，水线已远远高于主甲板边线，此时仅主甲板以下提供浮力远远难以满足稳性要求（如下页图6 所示）。为解决该问题，可在主甲板尾部物探设备区设置甲板室，将甲板室和主甲板以上一层甚至两层计入浮力曲线。

根据2008 IS Code 以及CCS 的要求，为将上甲板以上两层均计入稳性曲线，则上甲板以上第一层的窗应为水密不可开启的舷窗，上甲板以上第二层的窗应为风雨密窗并配风暴盖。主甲板尾部的甲板室应设有至上一层甲板的通道，否则不应计入稳性曲线。

图6 大倾角稳性示意图

5 破舱稳性

5.1 双层底划分

根据特种用途船舶安全规则（SPS 2008）［6］的要求，特种用途船的破舱应按照客船要求进行计算。客船破损进水平衡之后允许的横倾角不应超过15°，否则生存概率等于0；而货船则要求平衡角在15°～30°之间时进行折减，横倾角超过30°时生存概率才等于0。三维物探船属于短宽船型，较大的船宽使舷侧舱室进水时很容易差生较大的横倾角，从而降低生存概率。为减少破损后的船舶横倾角，考虑将左右边舱连通，形成U 形舱（如图7所示）。计算表明，左右边舱连通后破舱稳性指数比连通前提高0.013。

图7 某科考船双层底左右边舱全部连通（优化设计2）

U 形舱的设计实际上相当于一个横贯进水装置，设计时应注意左右连通的通道或者管道应有足够大的横截面积，以满足规范关于横贯进水装置的要求。

5.2 破舱安全区

由于物探船分舱复杂，通常没有专门的管弄布置阀件。如遥控阀在液舱内就地布置，则管理和检修不便。为便于管理，压载和舱底系统的阀通常布置在机舱。由于就地没有设置阀，当管路破损时海水会顺着的管路进入尚未破损的舱室，而这是规范不允许的。

在破舱计算模型中可将所有可能引起累进进水的管路均进行建模，并在计算中考虑管路与舱室的连通作用。该种处理方式与实际破损情况最接近，得到的破舱稳性指数也较高。但是该方法十分繁琐，在设计初期也无法获得管路的准确位置及其连通的舱室，可操作性较差。为解决该问题，在本船破舱稳性计算中引入“安全区”这一概念。如图8 所示，船中阴影区为假定的安全区，高度为全船高度。压载和舱底等管路布置在安全区内。计算破舱时，若横向破损范围在安全区外，则不考虑管路引起的累进进水，破损进入安全区内时则认为生存概率为0，从而简化了破舱计算，更具有可操作性。

图8 安全区域示意图

6 结 语

本文对国内首艘自主设计的三维物探船的稳性优化设计进行了介绍。船体宽、重心高和上建面积大是该船型的重要稳性特点。设计过程中需要从线型、总布置等方面控制重量重心并持续跟踪其变化趋势。将甲板室、上层建筑计入稳性曲线，优化双层底布置和设置破舱安全区等方式可优化或者简化该船型的稳性计算，同时对于其他特种用途船也有一定的借鉴意义。