50 000载重吨半潜运输船总体优化设计

陈晓晨，肖留勇，高 斌

(上海船舶研究设计院，上海 201203)

0 引言

随着海洋资源开发的不断深入，世界各国对海洋工程结构物的需求越来越多，如导管架平台、自升式钻井平台、半潜式钻井平台、风电安装平台、海底采矿平台等。而这些大型海洋工程结构物体量巨大，其运输受到起重能力、营运成本、运输周期、气候与海况等条件的制约，往往需要借助半潜运输船这一特殊船型进行长距离的转运迁移。

某50 000载重吨半潜运输船“祥和口”号自2016年交付以来，承运了多型海工平台，但在常年运营中发现了一些问题，如：压载水舱容易淤积泥沙、不易排空；船舶尾部靠泊码头时，由于艉封板面积较小与码头护舷较难匹配；生活区布置的舒适性问题等。此外，近年来生效的新法规、新规范也对船舶环保排放提出了更高的要求。

为此，本文以在“祥和口”号船型基础上改进的新一代50 000载重吨半潜运输船为研究对象，在满足现行的公约、规则、规范要求的前提下，针对该船型的作业特点，从线型、分舱布置、上层建筑布置、环保排放升级这4个方面进行优化设计。

1 主要参数

50 000载重吨半潜运输船主要参数如下：总长216.70 m，型宽43.00 m，型深13.00 m，设计吃水9.60 m，下潜吃水26.00 m，载重量约48 000 t，压载水量约95 000 m，服务航速14.5 kn，续航力约18 000 n mile，定员37船员+12乘客，船级CCS ★ CSA , Semi-Submersible Vessel, ERS, PSPC(B),Loading Computer(S,I), Ice Class B, In-Water Survey, BWMP★ CSM, AUT-0, GPR(EU), Green Ship I, NEC(III), BWMS,FTP, PR-2, DP-2, SCM。

2 线型优化

根据半潜运输船的实际使用需求及特点，对新一代50 000载重吨半潜运输船的线型进行针对性的优化，见图1。

图1 艏部线型对比

从图1可知，船体首部线型取消了球鼻艏，采用了近年来应用广泛的无球鼻艏线型设计，艏部线型更为丰满。这样的艏部线型优化设计，有以下几方面的好处：

(1)对船舶稳性有利。因为半潜船下潜作业时，最危险的情况往往是在主甲板尾部刚入水的时候。此时，水线面面积急剧减少，船舶容易丧失稳性，所以艏部线型扩充后利于下潜时的稳性。采用该设计后，空船下潜时主甲板处于刚浸没的状态，横向稳心距龙骨高度可以提高约0.7 m，初稳性高度可以提高约1.0 m。

(2)增大了艏部压载水舱的舱容，提高了船舶储备浮力。半潜船在下潜状态下，必须保证一定比例的储备浮力。中国海事局和中国船级社(CCS)要求在下潜工况时从下潜水线到其上第1层甲板的储备浮力不小于3.5%，到第2层甲板不小于5%。挪威船级社(DNV)的要求更高，要求这2个数值分别不小于4.0%和5.5%，在2010年7月后又新增了艏、艉分别不小于1.5%的要求。该船的储备浮力分别达到了5.58%及6.61%，满足储备浮力的要求。另外，艏部压载水舱增大，也有利于半潜船在下潜作业时调整浮态；以较大的艏倾姿态下潜，可有效增大水线面面积，保证下潜作业的安全平稳。

(3)球鼻艏的主要作用是减小船舶兴波阻力。而该船属于中低速船，兴波阻力占总阻力的比例较小，所以采用无球鼻艏的船首设计对快速性没有太大的影响。采用无球鼻艏的艏部线型还可以避免球鼻艏复杂曲面的加工及内部狭小空间的施工，方便船厂施工建造，降低建造成本。

需要注意的是，艏部线型的调整会导致计算船长的变化，这也对防撞舱壁的位置及干舷计算产生了一定影响。由于该船取消了球鼻艏，计算船长与垂线间长一致为212.46 m，而母型船由于球鼻艏的存在，其计算船长为208.76 m。如果按母型船将防撞舱壁设在249号肋位，其距离艏柱的距离为17.5 m，就不满足防撞舱壁距离艏柱的间距应小于0.08(为计算船长)即17.0 m的要求，故该船将防撞舱壁前移了一档肋位。干舷计算也是由于计算船长变化的影响，导致若取原母型船的设计吃水9.68 m计算，则干舷不满足。由于该船型线变胖，排水量增大，在9.60 m设计吃水时不仅能够满足载重量的要求，同时也能满足干舷要求，所以该船选取9.60 m作为设计吃水。

母型船与新一代50 000载重吨半潜船的艉部线型见图2。相比母型船，该船尾框线型下延，舷侧变胖；呆木部分线型也做了调整，其横剖面采用圆弧过渡。母型船在使用中发现，货物在码头从艉部上货时，由于艉封板高度较小，船舶尾部经常无法与码头橡胶护舷很好的接触靠泊。通过加厚艉框线型，这一问题就得以解决，同时还能提高船体的刚度，使得整个载货甲板的许用载荷可以保持一致。但这样优化也带来了问题，螺旋桨由于线型变化，直径需缩小到6 m。所以需要根据现有的线型，重新设计与之匹配的高效螺旋桨及舵组合，弥补因螺旋桨直径减小而导致的推进效率的损失。经水池试验验证，该船的航速能够达到要求的14.5 kn。

图2 艉部线型对比(单位：mm)

3 分舱布置优化

本船压载水舱横剖面见图3，将压载水舱分为上下3层共10个舱，顶层压载水舱的舱容较小，这样即使在货物装载中操作失误导致主甲板受损，进而顶层压载水舱进水，对船舶稳性影响也较小。与母型船不同的地方在于将双层顶及双层底由水平改为倾斜设计。这样设计有2个优点：

图3 典型压载舱横剖面

(1)有利于压载水舱排水。原有的水平式舱底容易沉积泥沙，进而堵塞排水孔，使用时间一长排水速度就变慢，而要进入舱内清淤又是费时费力的工作。采用倾斜式舱底后，压载水舱排水时泥沙大部分会随着排水冲走，不易产生沉积，压载舱清淤周期可大大延长。

(2)自由液面修正值大大减小。压载水舱在满舱或空舱时，2种型式的舱顶/舱底的自由液面修正值在理论计算上都为零。但是在实船操作中，由于压载舱内结构件或是船舶浮态的影响，压载水舱很难达到100%注满或完全排空的状态，往往会出现99%、98%或1%、2%的情况。若是水平舱顶/舱底，则自由液面修正值仍为最大值。而倾斜式舱顶/舱底的自由液面则限制在顶部/底部的小三角形内，因此自由液面修正值大大减小，下潜作业时的船舶稳性有明显改善。

另外，该船将燃油舱的布置位置从船中位置调整到了船中后部即推进机舱前面的位置。由于淡水舱布置在船舶首部上建下方，其他辅助油水舱都布置在艏部机舱区域，这样的总体布置就使得船舶首尾的油水分布更为平衡，出港和到港时的船舶浮态变化不大，避免船舶为了调整浮态在航行中频繁地调拨压载水。由于装载货物一般位于船中位置，若燃油舱布置在船中，则限制了装载货物时调整中垂弯矩的空间。

4 上层建筑布置优化

该船上层建筑布置相比母型船有以下提升：

(1)噪声与振动优化：将机舱棚、风管、空调机室及应急发电机室都与船员生活区进行分隔，使生活区内的噪声及振动可以控制在更低的水平。

(2)住舱布置优化：住舱的长宽比更为合理，避免过于狭长或拐角过多的房间，房间内设施布置更为规整，住舱整体设计更符合人体工程学的要求，同时也方便了船厂施工建造。

(3)通道优化：上层建筑内的通道布置更为方正，动线更为合理，方便人员日常通行及紧急情况下的逃生。

5 环保排放升级

为防止船舶营运对大气环境造成的污染，国际海事组织对氮氧化物、硫氧化物等有害物质的排放作出限制。我国对于硫排放的控制更为严格，要求船舶燃油硫含量低于0.1%。新一代50 000载重吨半潜运输船在设计之初就考虑了环保排放的要求，并采取了一系列的应对措施。

该船推进系统为柴-电推进，采用2台中速推进电机配合齿轮箱，主机为4台MAN 8L32/40。艏部机舱主要布置主机及辅机相关设备，艉部机舱主要布置推进电机系统相关设备。该船配置了SCR尾气处理系统。该系统包括尿素舱、尿素泄放舱、尿素输送泵、尿素供给单元、尿素喷射单元、SCR反应器。通过设置SCR尾气处理系统，该船可以满足Tier III阶段的排放要求。

为了满足硫氧化物排放的环保要求，该船设置了1套超低硫燃油系统。该系统包含了2个超低硫燃油储存舱、2个超低硫油日用舱、1个超低硫油澄清舱，这样单独设置管路可以避免超低硫燃油和重燃油混合产生的杂质。采用超低硫燃油，既能满足0.1%的硫排放要求，相比轻柴油其更容易维持需要的黏性和润滑性，从而减少高压油泵泄油量，降低柱塞咬死的风险，提高船员操作的便利性。

6 结论

(1)半潜运输船线型设计在满足快速性、操纵性的同时，还应尽可能提高其下潜稳性，保证下潜作业安全平稳。艉框线型尽可能加厚，以提高艉部结构强度，同时方便艉部靠泊码头装载货物。

(2)可以根据实际使用情况优化半潜运输船压载水舱剖面型式。油水舱布置要保证整体力矩的平衡，可减少因油水消耗导致的浮态调整。

(3)半潜运输船由于人员较多、航程较长，应尽量提高生活区舒适性，将噪声源与住舱进行分隔以降低噪声及振动，内部通道及动线应合理规划。

(4)对于环保排放的要求应给予重视，应根据生效的法规，考虑相应减排设施配置。设计方案在满足环保排放的同时，也要考虑船员操作的便利性。