焦宇清

(上海船舶研究設計院，上海 200032)

0 前言

近年來，全球能源的需求量隨經(jīng)濟發(fā)展保持快速增長，為了滿足日益增長的能源需求，石油天然氣開發(fā)逐步從陸地走向海洋、從淺海走向深海。深海油氣鉆井平臺及各種外圍輔助設施需要進行整體模塊運輸和安裝，其重量和體積越來越大，半潛船正是高效安全地載運這些高價值特種貨物的絕佳運輸工具。海洋工程結構物運輸市場的迅速增長，為半潛船的開發(fā)建造帶來了發(fā)展良機。

半潛船屬于特種船舶，主要用于運輸大型海洋設備或工程結構物并可以輔助在海上安裝，運輸對象為海上石油平臺、儲油罐、大型門吊、大型發(fā)電設備、挖泥船、軍艦、潛艇等。

與常規(guī)貨船相比，半潛船有其獨特的貨物裝載方式：先在壓載艙內(nèi)打入壓載水，使船半潛到水面以下一定深度，然后將漂浮在水面上的大型貨物定位到主甲板上方，再通過排放壓載水使船上浮將貨物托出水面并使其承載在主甲板上進行運輸。這一獨特的半潛裝卸功能使半潛船能夠承運尺度和重量巨大，重吊船、滾裝船和起重船都無法承運的大型海洋設備和工程結構物。

除此以外，半潛船也能借助于碼頭設施和大型浮吊等，用滾裝、滑裝、吊裝等多種方式進行大型貨物裝卸，其作業(yè)方式靈活多樣，具有廣泛的適用性。

由于半潛船具有高技術、高難度和高專業(yè)性的特點，長期以來從事半潛船運輸?shù)暮竭\公司很少，荷蘭的DOCKWISE幾乎壟斷了全球市場，直到中遠航運（COSCOL）訂購了廣船國際承建的18000 DWT半潛船“泰安口”才打破了國外公司的壟斷。中遠航運目前擁有三艘半潛船，主要承運鉆井平臺、大型儲油平臺、集裝箱橋吊等海上工程和大型機械設備。目前，航運市場總體形勢不佳，但半潛船市場并沒有受到太大影響，一直保持近兩年的貨運訂單，三艘半潛船在COSCOL年利潤中約占全船隊84艘船中的1/4，成為中遠集團的金牌船舶。

市場調查表明未來幾年每年有30多個大型海上平臺出廠，已經(jīng)安裝好的石油平臺有很大部分需要運回岸基維修保養(yǎng)。鑒于此，中遠航運決定建造載重噸位更大的新型半潛船——50000 DWT半潛船。

我院承擔了該船的詳細設計，有“泰安口”建造經(jīng)驗的廣船國際和黃埔船廠合作建造。目前，設計完成，已經(jīng)開工建造，并已接到了一些貨運訂單。

1 設計概況

本船以滿足公約、規(guī)則、規(guī)范為前提，遵循安全和環(huán)保的原則來進行詳細設計。

本船的總體設計基于市場調查結果，從滿足船東的貨運需求出發(fā)，確定適用的主尺度、分艙結構型式和主要設備的參數(shù)容量。

主要尺度如下：

本船設有載貨區(qū)域全長178 m、完全平坦無障礙的貨物甲板用于承載大型貨物，適合裝運各種大型海洋結構物（包括超高、超寬的貨物）。船舶較寬，有良好的穩(wěn)性基礎；壓載水量充足，能夠提供足夠的穩(wěn)性來滿足大體積、高重心貨物的裝載要求。設計指標是：無浮力貨最大重量20000 t，重心距甲板高23 m；有浮力貨最大重量30000 t，重心距甲板高25 m。主甲板在規(guī)范值基礎上加厚，以適應貨物與主甲板實際接觸面積小致使局部應力過大的情況。

本船通過半潛操作方式來進行有浮力貨物的裝卸。下潛吃水26 m時貨物甲板有效水下深度達到13 m，可以滿足多數(shù)海洋結構物的吃水要求。下潛和上浮的操作是通過壓載水艙的進/排水來實現(xiàn)的，壓載水艙起到了相當于常規(guī)貨船起貨設備的作用，其重要性不言而喻。全船共設有82個壓載水艙，用壓載空壓機和壓載泵進行操作，以壓縮空氣方式為主，可在4小時內(nèi)完成從設計吃水下潛到26 m。壓載系統(tǒng)的安全可靠和高效運轉對本船半潛裝卸功能的正常實現(xiàn)和安全保障至關重要，也是本船設計成功的關鍵所在。

本船采用電力推進方式，按照DNV船級符號RPS（獨立冗余推進）的要求進行設計。按照這一要求，本船設有兩套完全獨立的機艙和推進系統(tǒng)，當一個機艙受損失去動力時，另一個機艙仍然可以繼續(xù)工作，維持船舶最基本的推進動力。由于半潛船承運的貨物具有高價值、高風險的特點，入級RPS極大地提高了本船的安全性，降低了事故和貨損給船東帶來巨額損失的風險。

2 規(guī)則規(guī)范

本船的設計難點之一在于沒有成熟和完整的規(guī)則規(guī)范作為設計依據(jù)。半潛船作為一種特殊船型，在主尺度比、性能標準、結構型式、設備布置等方面與常規(guī)貨船相比有明顯差異，適用于常規(guī)貨船的部分要求應用到半潛船上并不適用，例如部分穩(wěn)性衡準、桅燈水平距離要求等。而目前各大船級社基本上沒有針對半潛船制定專門和系統(tǒng)的規(guī)范，因此收集適用的相關條文成為設計前期的一個重要課題。

按照船東要求，本船入CCS和DNV雙船級，CCS側重于法定檢驗，DNV側重于規(guī)范審核。在設計過程中，設計項目組與兩家船級社保持了密切的溝通和聯(lián)系，就規(guī)則規(guī)范的適用性問題進行了廣泛的交流和討論。在總體設計方面找到的要求主要有：

·中國海事局《船舶與海上設施法定檢驗規(guī)則》國內(nèi)部分［1］第3篇第5章“半潛船的特殊要求”，對半潛作業(yè)狀態(tài)下的儲備浮力、密性要求、水線標志等做出了規(guī)定。

·中國海事局《船舶與海上設施法定檢驗規(guī)則》國內(nèi)部分［1］第 4篇第 7章“3.穩(wěn)性特殊要求”之 3.13條，對半潛船在航行狀態(tài)和半潛作業(yè)狀態(tài)下的穩(wěn)性衡準做出了規(guī)定。

·中國船級社（CCS）《鋼質海船入級規(guī)范》［2］第 2篇第1章第9節(jié)1.9.6條“半潛船的半潛作業(yè)穩(wěn)性”，具體內(nèi)容與上條法規(guī)要求相同。

·挪威船級社（DNV）“Heavy Transport Stability Guidance”［3］，分別對航行/下潛狀態(tài)下的完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性提出了要求和建議。DNV還就載重線、儲備浮力、密性要求等問題給出了推薦和指導。

·IMO SLF 50/19 Annex5［4］，對新的完整穩(wěn)性規(guī)則作出了一些解釋性說明，針對半潛船這種B/D特別大的特殊船型，提出了復原力臂曲線衡準的替代標準。

·Noble Denton Report No.0007/NDI“Guidelines for the Transportation of Cargoes on Heavy Lift Ships”［5］，航運業(yè)內(nèi)標準，對穩(wěn)性曲線范圍、風壓傾覆、進水角、貨物浮力、最小GM值等做出了詳細的規(guī)定，適用于半潛船等運載大型貨物的特種船舶。

本船的設計既滿足上述規(guī)則規(guī)范的特殊要求，同時也作為普通貨船滿足大家熟知的國際公約、規(guī)則、規(guī)范的常規(guī)要求，包括最新的破艙穩(wěn)性規(guī)則和燃油艙保護規(guī)則等，但其中有兩條法規(guī)要求，由于船型的特殊性，本船不可能滿足，因此向海事局提出了豁免申請并已獲得批準：

1）完整穩(wěn)性衡準“最大復原力臂對應橫傾角不小于25°”的要求。由于船寬值特別大，在較小的角度時甲板就會入水，進而復原力臂達到最大值，因此申請采用近海供應船的等效規(guī)則來代替這一條，即把25°要求降低到15°，相應地復原力臂曲線下的面積要求由0.055 m·rad提高到0.070 m·rad進行補償。

2）避碰規(guī)則關于“前后桅燈水平間距不小于船長一半”的要求。由于使用特點，首樓以后的主甲板必須是無障礙的，不能設置桅桿等設備影響裝貨，參照類似船型申請免除該條要求。

3 總體布置

本船的載貨甲板為主甲板，自首樓向后均為無障礙載貨區(qū)域，沒有任何設備或裝置凸出于甲板面，舷側的系纜設備局部凹入甲板面之下，舷側和尾部設可拆式活動欄桿?？偛贾脠D見圖1。

主甲板尾部設有一對可移動式浮箱，用于在下潛作業(yè)時提供尾部浮力和安全儲備。浮箱設有移動裝置，可以根據(jù)貨物大小和形狀的需要改變使用位置，在不用的時候還可以移到首樓后部的存放位置進行收藏。

上層建筑（包括駕駛室）全部設在船首，其優(yōu)點是裝載超高超大貨物時駕駛室的前方視線不會受到貨物的任何影響，完全避免了常規(guī)的尾部駕駛室對貨物高度和外形尺寸的限制。

主甲板以下設10道水密橫艙壁、3道水密縱艙壁，并通過雙層底和中間甲板進行分艙，除了必要的燃油艙和推進機器處所外，均用作壓載水艙。分艙的密度和數(shù)量是依據(jù)破艙穩(wěn)性的要求確定的。

燃油艙位于中后部，設有雙底雙殼保護，與船殼完全隔離，隔離艙間距滿足MARPOL 12A的要求，符合環(huán)保設計的原則。

推進機器處所分為首尾兩部分，首部設主機艙，用于布置柴油機及相關設備；尾部設推進電機艙，用于布置推進電機設備；首尾機艙之間依靠貫穿前后的通道連接，通道兩端設有水密門。依照獨立冗余推進的要求，本船配置雙機雙槳雙舵。主機艙和推進電機艙都分為左右兩個、各自獨立，中間由水密艙壁隔開，并滿足防火分隔要求。

首部設有2套首側推，能有效地改善操縱性，在潛裝潛卸作業(yè)中有利于靈活調整船舶位置，配合貨物定位，為船舶和貨物安全提供了可靠保證。

下潛水線的位置依據(jù)貨物尺度、浮態(tài)特征和規(guī)范對儲備浮力的要求確定。按照DNV的要求，從最大沉深水線到該水線以上第一層甲板的儲備浮力不小于4.0%排水量，到第二層甲板的儲備浮力不小于5.5%排水量。本船下潛吃水26 m時的儲備浮力滿足要求。

出于安全性的考慮，規(guī)范對所有外部開口的密性要求有嚴格的規(guī)定。浸沒在下潛水線以下的通道入口必須設置雙道水密門，其中之一為動力滑動式水密門。如果不滿足，則所進入的空間視為開敞浸水空間，不能計取浮力，并且按浸沒要求配置其中的設備。本船從主甲板進入主機艙的通道即按這一要求配置雙道水密門。除此以外，上述第一層甲板以下的開口必須是水密的，第二層甲板以下的開口必須是風雨密的。這些要求可從圖2簡明清晰地看到。

由于破艙穩(wěn)性的要求，在許多內(nèi)部通道位置上也設有水密門。這些水密門主要是在左右兩側的前后通道與主機艙、推進電機艙、舵機艙的水密分隔處，以及左右主機艙、左右推進電機艙的中間隔壁上。以上所有水密門都按照26 m下潛吃水的深度來考慮設計壓頭，對其耐壓能力的要求遠高于普通貨船。

在壓載管系布置方面引入了一個“安全區(qū)”的概念，見圖3。受載貨要求限制本船布置上有一顯著特點，即主甲板上載貨區(qū)域內(nèi)不允許有任何突出物（包括空氣管），因此所有位于首樓以后的壓載水艙的空氣管都只能先向前走到首樓部位才能向上升出。密集的管系大量的穿越水密艙壁，空氣管上又不能裝閥門關閉，這對破艙穩(wěn)性的影響將是致命的。為了盡量減少連帶進水的損失，對空氣管布置提出了嚴格的限制要求，即任何一根空氣管都必須在自身所在的水密艙段內(nèi)先向上到達頂部的安全區(qū)內(nèi)“報到”以后，才能拐出來回到預定的位置再向前走。這樣設計的原理是使安全區(qū)成為每個艙的最高點對艙室進水進行保護，別處破損后通過破損管系來的水必須越過這個高點才能向艙內(nèi)進水，而在橫傾情況下安全區(qū)所在的位置無疑是艙段內(nèi)的最高點（對單側而言），被破損水線淹沒的機會最小?！鞍踩珔^(qū)”是一個相對的概念，并非絕對安全不會進水，其它各方面的安全性考慮仍然是必須的。

圖3 安全區(qū)示意圖

4 總體性能

4.1 分艙和破艙穩(wěn)性

破艙穩(wěn)性分析的結果用于確定分艙數(shù)量和載貨重心高度限制，并需要在建造成本和貨運需求上謀求平衡。分艙數(shù)量太少，破艙穩(wěn)性可能難以滿足，或者貨物重心被限制得很低；分艙數(shù)量太多，則結構重量增加，管系復雜、施工困難，成本也增加。所以，精確可靠的計算對設計方案優(yōu)化和成本控制意義重大。

由于承擔基本設計的公司前期工作的疏忽，使得本船原定的10 m設計吃水無法實現(xiàn)。為了盡量避免減少吃水、減少載重量損失，詳細設計中將原來的B型干舷改為B-60干舷，因而以破艙穩(wěn)性計算和要求更復雜。

按照國際載重線公約的要求，對B-60干舷的船需要按照第27條規(guī)定的初始工況和破損假定做確定性破損計算，其中貨艙規(guī)定用均質貨裝滿，實質是以此來限定最高的重心高度。而本船只在甲板上裝貨，并沒有貨艙，也就沒有所謂的貨艙重心高度。反復研究之后，我們認為，按照規(guī)格書要求的最大載貨重量和最高重心高度來計算，是相對合理并且符合安全原則的。

按照DNV的要求，對B-60型半潛船，破艙穩(wěn)性計算應包含兩部分內(nèi)容：

首先是概率論計算。按最惡劣的情況考慮（即不計入貨物浮力），確定出一條基本的極限GM曲線，實際工況的GM值滿足該曲線即為合格。計算結果表明，這條GM曲線的位置是比較高的，貨物重量大于20000 t就不能滿足。

然后再做確定性計算。實際上這是對不滿足以上GM曲線的工況進行補救，即將貨物浮力計入以后再按載重線公約第27條的方法校核工況是否合格。由于貨物形狀和浮力的不同，按上述最大載貨重量和最高重心高度計算的工況合格并不能代表貨物重量較輕、重心較低的工況也合格，因為浮力貢獻可能也小了。所以，對不同的浮力貨實際上都需要各自單獨計算一次。

再加上臨時下潛工況的確定性計算，破艙穩(wěn)性計算量十分大。

4.2 裝載工況和完整穩(wěn)性

規(guī)范對半潛船的裝載工況并無特別規(guī)定，根據(jù)前期市場調查中收集和整理的貨物特征資料，結合船東的貨源情況，選擇了其中最具代表性和可能性的幾種貨物，作為計算典型裝載工況的依據(jù)，見表1。需要注意的是貨物外形特征對計算的影響，因為不同貨物有不同的外形尺寸和浮性，其受風面積和浮力貢獻各不相同，因此需要采用各自不同的風力模型和浮力模型。

表1 部分典型裝載工況

完整穩(wěn)性衡準的基本要求仍然是IMO A.749 Ch.3.1條和Ch.3.2條氣象衡準，但是用Ch.4.5.6條近海供應船的“15 deg+0.070 m-rad”要求代替Ch.3.1條中的“25 deg+0.055 m-rad”要求，前面關于豁免申請的章節(jié)里對此已有說明。另外按照船東要求Noble Denton的穩(wěn)性衡準也在計算中加以考慮。

對于下潛工況，DNV和CCS有各自不同的穩(wěn)性衡準要求。CCS的要求主要體現(xiàn)在GM值上，對不同下潛階段、不同的風力和海浪，GM值衡準各不相同；DNV則除了GM值，對復原力臂曲線和進水點高度也有規(guī)定。由于本船入雙船級，因此以上要求在計算中同時加以考慮，同時滿足。

4.3 下潛程序和下潛穩(wěn)性

下潛過程中的安全保障是下潛程序設計的首要目標。為了確保整個下潛過程的安全可靠和萬無一失，以下一些原則性要求必須在預定程序設計和實際操作中加以保證：

·下潛操作前所有水密門應確保關閉；

·下潛水線以下的任何艙室內(nèi)不得有人；

·整個下潛過程中保持適當首傾；

·以較大的縱傾使主甲板入水，以免水線面面積消失太快從而瞬間喪失穩(wěn)性；

·特定位置的壓載水艙應確保其艙內(nèi)水面始終高于海平面，主要是緊貼主甲板的頂壓載艙和首樓尾部及尾部浮箱內(nèi)的壓載艙，因為這些艙容易與貨物發(fā)生碰撞而破損，相對較高的水位會使艙內(nèi)的水流出使船上浮，而不是進水加速下沉。

以上原則性要求即作為下潛程序設計的依據(jù)。下潛程序計算以空船下潛和帶貨下潛這兩種典型工況為代表進行，分別對應潛裝和潛卸作業(yè)情況。

下潛過程中的穩(wěn)性衡準要求必須得到滿足，前面完整穩(wěn)性章節(jié)里已有介紹。需要說明的是，裝載手冊里只計算了下潛終點狀態(tài)即26 m吃水的情況，而下潛程序里需要計算的是每一個連續(xù)的步驟，這里面就涉及到自由液面的影響。按照自由液面修正的一般原則，在每個步驟中任何一個發(fā)生變化的艙、或者部分裝載的艙，都需要按最大的自由液面力矩進行修正?？紤]到實際操作中縱傾變化的影響，預定裝滿的艙實際上很有可能在頂部留有氣泡而帶來自由液面，因此在下潛程序的設計上應避免設計得過于“完美”（自由液面過少），對大多數(shù)艙可適當分多次打滿，在每個步驟中都留下一些部分裝載的艙來計入自由液面，這樣考慮偏于安全，也比較接近實際情況。

壓載管系設計中對個別壓載水艙的操作順序存在一定限制，也在下潛程序的設計中進行了考慮。

由于貨物情況千差萬別，實際營運中每次下潛操作都必須用裝載計算機單獨進行計算，制定出更為詳盡的操作程序和技術要求。

5 結語

50000 DWT半潛船是我院承接設計的最大載重噸位的半潛船，也是目前為止國內(nèi)最大的半潛船。這條船的開發(fā)設計和建造，成功地打破了少數(shù)國外設計公司和航運公司在大型半潛船領域的壟斷地位，在國際海事界為我院贏得了良好聲譽。隨著世界能源需求和海洋石油產(chǎn)業(yè)的迅速增長，我院在半潛船這一新興船型上必將大有所為。

［1］中國海事局.船舶與海上設施法定檢驗規(guī)則（國際航行）2006年修改通報［M］.

［2］中國船級社.鋼質海船入級規(guī)范（2006）［M］.

［3］DNV.Heavy Transport Stability Guidance.

［4］IMO SLF 50/19 Annex5，Explanatory Notes to the ternational Code on Intact Stability，2008.

［5］Noble Denton Report No.0007/NDI “Guidelines for the Transportation of Cargoes on Heavy Lift Ships”.