无人货驳的坐底式打捞起重工程船改造设计

叶昊，陈世海，乔国瑞，刘雨，迟健

(1.中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011；2.交通运输部上海打捞局，上海 200090)

中交上海打捞局拟针对1艘沉船开展打捞作业工程，该沉船为“Kea Trader”号集装箱船，于2017年7月前往新喀里多尼亚努美阿港时，意外搁浅在南太平洋靠近新喀里多尼亚群岛的杜兰德礁区上，在海上受到了几个月暴风雨、海浪、潮流，以及礁岩压力等外界环境力的持续冲击后，船体断裂情况逐步恶化，见图1。

图1 “Kea Trader”号沉船残骸

事发海域水深范围为5.9～6.9 m，常规浮式起重船因不具备坐底功能，无法有效实现针对浅水礁区搁浅失事船舶的海难起重打捞坐底作业，需借助专门的坐底式起重船进行坐底起重作业。坐底式全回转起重船设有巨大的起重设备、调载设备和支撑结构，相比常规起重船，除了要考虑调遣航行和浮式起重作业工况下的船舶稳性、结构总纵强度和局部强度，还要考虑坐底作业水域海况条件下底质承载能力、抗倾覆抗滑移坐底稳性和坐底作业船体结构强度等因素。新建1艘坐底式全回转起重船需要投入大量资金，且建造周期长，将严重影响海难打捞工程项目的整体工程进度。大型无人货驳甲板面空间较大，通常采用单层连续纵通甲板，具有一定长度的平行中体，结构简单坚固，可改造利用的空间相对较大，改造工程量相对较小。若在无人货驳的基础上用较少的成本和较短的时间将其改装成坐底式全回转起重船，不仅能够满足海上浮式起重作业需求，也能满足浅水礁区海难打捞等特殊工程项目的坐底起重作业需求。因此，探讨将大型无人驳船改装成坐底式全回转起重船的方法。

1 改造前原货驳概况及改造内容

改造前原货驳是1艘钢质全电焊、非自航、方型驳船，主要用于水泥的驳运；总长171.0 m，型宽32.0 m，型深12.0 m，设计吃水7.86 m，结构吃水9.40 m；设首尾防撞舱，中部为货仓区域，设有4个大货舱，每一货舱甲板上设2个大型舱口盖。总布置示于图2。

图2 原水泥货驳总布置示意

改造设计总体目标：将原无人货驳改造设计成1艘可供人居住的打捞起重工程驳船，配备800 t全回转主起重机，在能适应打捞作业区域作业环境条件的前提下，满足针对沉船“Kea Trader”号打捞工作的使用需求。

1.1 货驳主船体结构的改造

根据起重能力、起重臂的放倒长度要求、总布置、浮态及稳性等因素，确定具体实施例改造后的船长为125 m，型宽和型深均无需调整。截掉原货驳平行中体货舱区域部分分段，并将该被截货舱区域分段之前与之后的两部分船体分段通过焊接处理拼合，形成新拼合而成的起重驳船主船体总长125 m；原货驳主甲板上的货舱舱口区用钢板密封；主船体主甲板以下加设一道连续的中纵舱壁和2道旁纵舱壁，以提高浮式及坐底起重作业的总纵强度，见图3。

图3 改造后起重驳船主甲板以下船体布置示意

将双层底内旁桁材数量加密，同时在船底及舭部处设置一定厚度的钢质护底板，以增强坐底起重作业时船体底部结构强度；在船底护底板下方且对应于双层底桁材的位置沿纵向加装一定数量的聚氨酯垫条，如图4所示，以防坐底作业时底部磕碰，并加大底部摩擦系数，从而增加坐底时的抗滑移能力；对原货驳货舱水密舱壁上的加强筋适当加密补强，同时在各货舱中间位置加设水密横舱壁，并在舷侧双壳内增设若干水平桁材，以提高坐底起重作业时抵抗横向环境载荷(波浪及流载荷等)的强度和抗扭强度。

图4 改造后起重驳船典型横剖面示意

1.2 主船体内机泵舱、油水舱及压载系统的增设

将主船体首部主甲板以下的原货驳货舱区域改造为机舱、泵舱和淡水舱等舱室，船上各类用电设备系统及起重机由主电站提供动力。中后部原货驳的货舱区域改为压载舱，并将两舷侧空舱及艏艉尖舱也改为压载舱，在压载舱底部合适区域加设压载管隧舱，通过配置合适数量及能力的压载泵、布置压载管系来实现压载及调载功能。船上压载泵排量较大、压载舱数量设置较多，一方面通过对压载水快速有效的调配，满足浮式起吊作业时浮态及稳性要求，另一方面通过加载或排放压载水控制船体重量，使船体快速下沉坐底或起浮，并基于作业现场环境条件和坐底工况及时调整船体对地压力，从而满足在恶劣海况条件下坐底作业时的抗倾覆和抗滑移要求。

1.3 主甲板上主起重机、上层建筑及舾装设备配置

主甲板尾部设置主起重机，为全回转型式，起重机基座通过船体内纵向和横向舱壁、强框架进行加强；首部主甲板以上增加艏楼、甲板室、烟囱等，满足100人的定员要求；主甲板尾部和艏楼甲板各设4只定位锚，组成8点定位锚系统，从而实现对起重驳船的定位和移船作业。作业甲板区域在舷侧位置加设2.5 m高的可拆式挡浪板，以保障恶劣海况下坐底作业时的甲板作业人员安全。

改造后起重驳船的主视图见图5。

图5 改造后起重驳船主视图

2 改造关键技术

2.1 起重驳船的坐底稳性评估

本船浮式拖航及起重作业稳性与常规起重船的校核方法无异，而作为坐底式起重驳船，需要着重关注的是坐底作业状态下的坐底稳性。船舶在不同坐底工况的环境载荷作用下应具有足够的抗倾覆能力和抵抗水平滑移的能力，并需考虑坐底礁岩底质的承载能力。

船舶受到的倾覆载荷主要为一定吃水状态下风浪流载荷共同作用引起的力矩、起吊重物引起的力矩、空船重量及装载不均匀引起的力矩。计算倾覆力矩时，需考虑上述力矩的叠加的最不利影响，并假定倾覆支点在船舭部与船底的交汇处，坐底作业状态下船舶载荷示意于图6。

图6 坐底作业状态船舶载荷示意

对于入CCS船级的坐底式海工平台，需满足CCS《海上移动平台入级规范》第三篇第2章第5节的要求计算船舶坐底时的抗倾稳性和抗滑移稳性。而改造前的原货驳入ABS船级，为保证入级要求的一致性，根据使用方要求改造后起重驳船也考虑入ABS船级，满足ABS有关规范、规则要求。而ABS对于坐底式起重平台的土地承载力和抗滑移能力没有提出明确的衡准，于是采用ISO标准中对于海洋油气平台基础在非标准土壤中的衡准对本船进行校核，要求礁盘底质承载力和抗滑移能力的安全系数均不小于1.25，抗倾稳性衡准则参照美国船级社移动平台规范中对于自升式平台的衡准进行校核，即倾覆力矩与复原力矩的比值不小于1.3。沉船海域现场礁岩底质的承载能力和抗滑移摩擦系数等物理特性均由分析得出。

根据ABS规范要求计算风载荷及流载荷。波浪载荷的获取则相对复杂，为较准确得出坐底工况的波浪载荷，项目组在上海交通大学海工水池进行了坐底状态下的各典型有义波高下的波浪载荷模型试验，见图7。

图7 船舶坐底状态下波浪载荷模型试验现场

通过模型试验可知，在不同典型工况波浪周期以及有义波高(1.5、2、2.5、3 m)下0°、45°和90°三个浪向作用在坐底平台的波浪载荷，将其分解为横向、纵向和垂向3个方向的波浪力和力矩，见表1。

表1 水池试验结果

由表1可知，波浪作用在坐底平台上时会产生较大的垂向作用力，在某些工况下垂向力会达到平台对地压力的80%以上。正向垂向力减小了平台的对地压力从而影响了平台的抗滑能力和抗倾能力，而负向的波浪力则增加了平台底部的对地压应力。此外，除沿船宽方向产生倾覆力矩外，在船长方向上也会产生较大的纵向力矩，对船舶总纵强度的影响较大。

坐底工况的选取是基于船舶使用方提供的目标海域海底礁盘现场勘测情况、失事船舶船体位置及打捞方案，并最终简化成4种起重船的典型坐底工况(见图8)，并将其作为坐底稳性校核工况，其中黑色区域为与船底接触的礁岩，空白区域为礁沟。

图8 基于现场勘测情况给出的4种坐底工况示意

4种典型工况的坐底面积约占平底面积的70%～75%(含冲刷面积)。每一种坐底状态下包含多个分工况，由模型试验得出的3个浪向下不同有义波高下的波浪载荷及力矩极值、船上起重机的典型吊重吊向(横向、艏向及艉向)组合而成。这些工况对船体配载的要求并不一致，需通过对压载舱的合理配载，使得静水载荷时的船体对地载荷分布较为均匀，以最大程度地减小因波浪载荷等动载荷变化而引起的对地载荷突变可能发生的船体结构破坏。结合风、浪、流载荷及船舶配载情况，并配合考虑各种坐底工况的船体强度分析，计算评估底质承载力、抗滑移和抗倾覆稳性。

1)对底质承载力计算如下。

(1)

式中：为考虑波浪垂向力的最大对地压力；为对地作用面积；及为横向及纵向倾覆力矩；及为以船体底部重心为原点沿横向及纵向惯性矩；及为受力点与原点的距离，一般取船底与地面接触处；为材料系数，取1.25。

以图8的工况A为例尾吊作业、横浪浪向、波高2.0 m。最大对地压力=168 762 kN，对地作用面积=2 186.63 m，包括环境载荷和非均匀装载力矩，结合船模试验结果及工况配载情况，取为429 880 kN·m；同理取1 329 260 kN·m，最大受力点坐标取=4994、=145,计算得接触面惯性矩=202 980 m，=2 407 300 m。求得最大对地压力169 kPa，许用值353 kPa，满足作业要求。

2)抗滑移力计算如下。

=·

(2)

式中:为考虑波浪垂向力的最小对地压力；为最大静摩擦系数；为材料系数，取125。本船船底敷设有大量聚氨酯，根据青岛海洋大学试验表明，底质与聚氨酯的最大静摩擦系数为=0938、与生锈钢板的最大静摩擦系数=061，计算实取=0.80。

以图8工况A为例，尾吊作业、横浪浪向、波高2.0 m。结合船模试验结果及工况配载，最小对地压力=78 881 kN，环境横向力3 500 kN，抗滑移力54 482 kN，满足作业要求。

3)抗倾覆力臂计算如下。

=·

(3)

式中：为考虑波浪垂向力的最小对地压力；为全船重量对倾覆支点的恢复力臂；为材料系数，取1.30。

以图8工况A为例，尾吊作业、横浪浪向、波高2.0 m。结合船模试验结果及工况配载，倾覆力矩(含吊重及环境载荷)为949 510 kN·m，恢复力矩1 787 786 kN·m，满足作业要求。

分析以上计算结果可知，本船在0 °浪向角可承受的最大波高3.0 m；45°浪向角可承受的最大波高2.5 m；90°浪向角可承受的最大波高2.0 m,可满足使用方对作业的基本要求。

2.2 起重驳船的坐底强度计算

本船具备浮吊功能，但本船研制的主要目的是针对目标失事船舶在特定海域及海况下的坐底打捞作业。本船的坐底工况不同于常规工程船舶的平沙地坐底，也不同于坐底平台的坐底，船级社也没有相应明确的计算方法。坐底强度计算中需考虑以下几点：①坐底工况的确定：由.所述，基于现场情况确定的4种典型坐底工况，即为本船的坐底强度校核工况；②波浪载荷的确定：经与ABS船级社沟通，设计前期强度校核暂按北大西洋海况(全球最恶劣海况)下的波浪载荷作为设计波浪载荷，但坐底打捞作业海域的波浪以涌浪为主，根据坐底工况波浪载荷模型试验情况，常规的波浪载荷预报方法并不适用于本船，最终将模型试验得出的载荷数据转换为设计波浪载荷值；③坐底强度校核衡准：按照ABS MODU RULES和BARGE RULES要求，船体梁所有部位的总纵弯曲许用应力取175 MPa，剪切应力取110 MPa；④坐底强度计算：坐底强度分为总纵强度和局部强度。总纵强度包括总纵弯曲强度、剪切强度和屈曲强度，船体梁所受的载荷包括静水载荷和波浪载荷，波浪载荷为上述模型试验数据转换的载荷值。局部强度包括船底结构强度和舷侧结构强度，船体在风、浪、流等环境载荷及吊重载荷共同作用下产生倾覆力矩，海底礁盘对船底结构提供支持力。根据土工实验分析海底礁盘底质的承压能力为353 kPa，假定船底刚性变形，船底沿船宽方向所受坐底载荷呈梯形分布，平底部分最外侧载荷最大(另一侧最小)，见图9。

图9 沿船宽方向坐底载荷的分布

设计方采用 Microsoft /Excel 编写多分段载荷积分迭代语言程序，设计了多分段坐底式船型结构物对地载荷求解方法，与总体配载情况相互匹配，综合考虑坐底稳性、船体强度及环境载荷，作为对地载荷求解和船舶压载水配载依据。通过求解各坐底工况下对地载荷(即坐底载荷)，并考虑迎浪工况沿船长的载荷分布以及横浪工况沿船宽方向载荷分布，来校核船底构件的强度。

舷侧结构承受波浪载荷，载荷按ABS DRILLSHIP GUIDE相关规范要求计算，见图10，总的外载荷由静压力和动压力组成。

图10 外板所受外部载荷示意

经过坐底强度计算，本船坐底工况下的总纵强度、底部结构强度和舷侧结构强度均可在本船特定的坐底工况下满足ABS船级社的要求。

2.3 船体结构应力监测系统设置

本船坐底区域海底地形多变，环境载荷大小和方向莫测，会引起船体结构应力大小和应力分布发生变化。由于船体结构受力非常复杂，环境随机因素造成的结构损伤和破坏难以通过理论计算进行预测，为此，设置船舶结构应力监测系统，该系统能够实时监测船舶指定区域的结构状态，对危险应力进行报警。

该应力监测系统通过应变传感器和温度传感器进行测点应变数据采集，将其转化为电信号进行数据处理，得出测点应力值，随后进行总纵强度和局部强度分析评估，如超出强度限值要求，则发出报警信号。该系统配有相应计算机，提供系统信息界面显示及操作，支持数据导出以及报警信息的打印。应力监测系统软件功能主要包括：传感器数据采集、数据预处理、局部屈服强度评估、总纵强度评估、预警预报、数据管理等。

该应力监测系统含局部屈服测点43个，每个测点含1个应力应变仪，并配置相应数量的温度传感器；总纵强度测点3组，每组测点含3个应力应变仪与1个温度传感器。其中，船底传感器布置位置均布于船底外板内纵骨/纵桁腹板，见图11。

图11 应变传感器船底布置示意

3 结论

改造后的坐底式全回转打捞起重驳船运往新喀里多尼亚群岛的杜兰德礁区,并成功地对“Kea Trader”号沉船进行了坐底打捞作业，实际工程应用情况表明：①对无人货驳的结构加强改造措施和设备配置合理可行，能有效增加该船的坐底打捞能力；②与有限元计算相比，船模坐底试验更能准确地模拟现场坐底环境条件，从而可更为精确地得出不同环境条件下不同浪向的波浪载荷；③基于船模试验结果，通过计算表明改造后在一定环境条件下船舶能满足相关规范对坐底稳性和坐底结构强度的要求，从而为实际坐底打捞作业提供合理可靠的计算依据；④船体结构应力监测系统能有效对不同坐底工况下的船底结构应力进行监测，通过采取及时有效的安全措施，可进一步保证施工作业安全。

将无人货驳改造为坐底式全回转打捞起重驳船，不仅能够满足海上浮式起重作业需求，也能满足针对浅水礁区搁浅失事船舶的抢险打捞等特殊工程项目的坐底起重作业需求，通过进一步改造，还可用于沿海浅滩区域风电设备坐底安装作业工程，工程适用面广。相比新建坐底式起重船，不仅投资成本少，施工周期短，同时也可为大型无人驳船的改造和旧船开发再利用提供新思路、新途径。