初紹偉

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

海洋石油埋藏在海洋底層以下的沉積巖和基巖中，必須經(jīng)過勘探、開發(fā)和生產(chǎn)才能加以利用。地球物理勘探船（簡稱物探船）是海洋油氣資源勘探的專用船舶和關(guān)鍵裝備，具有不可替代的重要作用［1］。由于技術(shù)難度高，作業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜，以往物探船尤其是三維物探船的設(shè)計(jì)被國外設(shè)計(jì)公司所壟斷，如挪威的Skipsteknisk 公司和 Ulstein 公司等［2］。為滿足使用需求，三維物探船的眾多大型物探設(shè)備布置在主甲板以上，因而上層建筑面積大、整船重心位置高，相比其他船型其穩(wěn)性是比較突出的問題，也是設(shè)計(jì)過程中亟需解決的重要問題。隨著國內(nèi)油氣資源勘探需求的增多，近年來國內(nèi)對三維物探船的設(shè)計(jì)與建造積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。本文結(jié)合國內(nèi)首艘完全自主設(shè)計(jì)的三維6 纜物探調(diào)查船（以下簡稱本船），介紹其穩(wěn)性優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)。

1 三維物探船穩(wěn)性特點(diǎn)介紹

三維物探船的穩(wěn)性特點(diǎn)與其布置密切相關(guān)。三維物探船的核心作業(yè)系統(tǒng)為信號采集系統(tǒng)，包括物探電纜、物探電纜絞車、電纜儲存絞車、排纜器、尾標(biāo)吊機(jī)、電纜拖點(diǎn)、擴(kuò)展繩絞車、擴(kuò)展器及其收放儲存裝置等，系統(tǒng)尺寸大而重，且都布置在主甲板以上。三維物探船側(cè)視圖及物探設(shè)備布置如圖1所示。由于主甲板以上中后部集中布置了物探設(shè)備，且該區(qū)域占據(jù)的層高很高，本船水線以上面積是水下面積的2.5 倍左右，因而穩(wěn)性氣象衡準(zhǔn)應(yīng)仔細(xì)查核，特殊抗風(fēng)力的要求則通常較難滿足。

圖1 三維物探船側(cè)視圖及物探設(shè)備布置

除重心高、受風(fēng)面積大外，三維物探船的另一個(gè)穩(wěn)性特點(diǎn)是船寬較寬。這主要基于兩方面考慮：其一是為了彌補(bǔ)重心高對穩(wěn)性的不利影響；其二是物探設(shè)備布置需要。由圖2 可見，炮纜及炮纜絞車與物探電纜絞車通過前后左右錯(cuò)位布置，需要足夠的船寬滿足設(shè)備的布置需要。

圖2 物探設(shè)備布置俯視圖

此外，由于三維物探船上層建筑面積大、層高較高，相比于同噸位的常規(guī)船型結(jié)冰時(shí)冰載荷偏重以及重心更高，故對穩(wěn)性更加不利。以本船為例，冰載荷的質(zhì)量占全部空重的1.7%，重心高度比空船重心高7.4 m，比不考慮冰載荷時(shí)的整船GM 值降低了約0.1 m。

根據(jù)SOLAS 要求，應(yīng)根據(jù)概率破艙初始工況縱傾值來確定實(shí)際裝載工況允許的縱傾值范圍。三維物探船作業(yè)時(shí)，數(shù)百噸物探設(shè)備施放到水中。為彌補(bǔ)尾部質(zhì)量的減輕，需在船體中后部設(shè)置足量壓載水艙，以避免物探設(shè)備施放前后船體縱傾變化過大。

2 線型及總布置優(yōu)化

2.1 線型優(yōu)化

線型優(yōu)化時(shí)在排水量一定的情況下，可適當(dāng)增加水線面的面積提高線型的KMT 值以獲得更大的GM 值。

線型浮心位置在線型優(yōu)化時(shí)除要考慮水動力性能的影響，還應(yīng)特別考慮裝載工況的重心縱向位置，避免兩者偏差較大引起較大縱傾。

2.2 尾甲板局部外擴(kuò)

三維物探船因布置需要為小長寬比的船型，線型進(jìn)流段和去流段變化較快，對快速性不利。若為穩(wěn)性或布置需要而繼續(xù)增大船寬，則對航速指標(biāo)影響較大。因此，為兼顧快速性、穩(wěn)性和布置需要，可在尾部主甲板以上局部放寬線型，如圖3 所示。此方式可增大物探設(shè)備的布置空間［3］，在保證快速性不受影響的同時(shí)，在船舶橫傾時(shí)可提供更大的回復(fù)力臂。

圖3 尾甲板局部外擴(kuò)

2.3 設(shè)備選型與布置

對本船重心影響最大的設(shè)備為槍陣的形式。槍陣根據(jù)其浮體形式不同分為硬浮體槍陣和軟浮體槍陣［4］。硬浮體槍陣依靠可伸縮懸臂梁式行吊進(jìn)行收放，自動化程度高，但占用甲板面積大，需要較高的層高；軟浮體槍陣通過滑軌進(jìn)行收放，機(jī)械化程度相對較低，但所需空間小，適合排水量較小的物探船。以某12 纜物探船為例，采用硬體槍陣所需層高為5.5 m；本船采用軟體槍陣，所需層高僅為3.9 m。

圖4 相同容量的不同電纜絞車尺寸

物探電纜絞車的直徑和寬度通常可作調(diào)整，如圖4 所示。相同物探電纜容量的絞車可采用左側(cè)高度較低，寬度較大的形式，也可采用右側(cè)高度較高，寬度較小的形式。合理調(diào)整物探電纜絞車的尺寸以及單雙聯(lián)，可以優(yōu)化尾部設(shè)備布置，從而降低整船重心高度。另外，擴(kuò)展器的存放位置（如甲板面或舷側(cè)），對全船重量也有一定影響。

3 空船重量重心的跟蹤與控制

除了提供技術(shù)方案優(yōu)化三維物探船的重量重心，持續(xù)跟蹤和統(tǒng)計(jì)重量重心的變化也十分重要。如圖5 所示，隨著設(shè)計(jì)的深入，重量重心的統(tǒng)計(jì)值逐漸逼近最終實(shí)船結(jié)果。在設(shè)計(jì)建造過程中應(yīng)不斷跟蹤重量和重心的變化，掌握實(shí)船重量和重心與前期預(yù)估值的偏差情況，提前采取應(yīng)對措施。

同時(shí)，對重量重心的估算應(yīng)留有一定裕度，對空船重量應(yīng)預(yù)留合理的排水量裕度；空船重心高度的裕度應(yīng)在破艙穩(wěn)性計(jì)算中預(yù)先考慮；船舶應(yīng)盡量左右對稱布置，避免產(chǎn)生嚴(yán)重橫傾；船舶前后部應(yīng)設(shè)置足夠的壓載水艙，調(diào)節(jié)重心縱向位置偏差引起的縱傾。

圖5 重量重心統(tǒng)計(jì)趨勢圖

4 完整穩(wěn)性

由于三維物探船船寬較寬，型深型寬比較小，完整穩(wěn)性校核時(shí)需特別注意大傾角時(shí)的穩(wěn)性要求。根據(jù)2008 IS Code［5］穩(wěn)性衡準(zhǔn)，三維物探船有兩處規(guī)范要求較難滿足：一是最大回復(fù)力臂對應(yīng)的橫傾角應(yīng)大于25°，二是30°～ 40°之間回復(fù)力臂下的面積應(yīng)不小于0.03 m·rad。

橫傾角度25°～ 40°時(shí)，水線已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于主甲板邊線，此時(shí)僅主甲板以下提供浮力遠(yuǎn)遠(yuǎn)難以滿足穩(wěn)性要求（如下頁圖6 所示）。為解決該問題，可在主甲板尾部物探設(shè)備區(qū)設(shè)置甲板室，將甲板室和主甲板以上一層甚至兩層計(jì)入浮力曲線。

根據(jù)2008 IS Code 以及CCS 的要求，為將上甲板以上兩層均計(jì)入穩(wěn)性曲線，則上甲板以上第一層的窗應(yīng)為水密不可開啟的舷窗，上甲板以上第二層的窗應(yīng)為風(fēng)雨密窗并配風(fēng)暴蓋。主甲板尾部的甲板室應(yīng)設(shè)有至上一層甲板的通道，否則不應(yīng)計(jì)入穩(wěn)性曲線。

圖6 大傾角穩(wěn)性示意圖

5 破艙穩(wěn)性

5.1 雙層底劃分

根據(jù)特種用途船舶安全規(guī)則（SPS 2008）［6］的要求，特種用途船的破艙應(yīng)按照客船要求進(jìn)行計(jì)算?？痛茡p進(jìn)水平衡之后允許的橫傾角不應(yīng)超過15°，否則生存概率等于0；而貨船則要求平衡角在15°～30°之間時(shí)進(jìn)行折減，橫傾角超過30°時(shí)生存概率才等于0。三維物探船屬于短寬船型，較大的船寬使舷側(cè)艙室進(jìn)水時(shí)很容易差生較大的橫傾角，從而降低生存概率。為減少破損后的船舶橫傾角，考慮將左右邊艙連通，形成U 形艙（如圖7所示）。計(jì)算表明，左右邊艙連通后破艙穩(wěn)性指數(shù)比連通前提高0.013。

圖7 某科考船雙層底左右邊艙全部連通（優(yōu)化設(shè)計(jì)2）

U 形艙的設(shè)計(jì)實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)橫貫進(jìn)水裝置，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意左右連通的通道或者管道應(yīng)有足夠大的橫截面積，以滿足規(guī)范關(guān)于橫貫進(jìn)水裝置的要求。

5.2 破艙安全區(qū)

由于物探船分艙復(fù)雜，通常沒有專門的管弄布置閥件。如遙控閥在液艙內(nèi)就地布置，則管理和檢修不便。為便于管理，壓載和艙底系統(tǒng)的閥通常布置在機(jī)艙。由于就地沒有設(shè)置閥，當(dāng)管路破損時(shí)海水會順著的管路進(jìn)入尚未破損的艙室，而這是規(guī)范不允許的。

在破艙計(jì)算模型中可將所有可能引起累進(jìn)進(jìn)水的管路均進(jìn)行建模，并在計(jì)算中考慮管路與艙室的連通作用。該種處理方式與實(shí)際破損情況最接近，得到的破艙穩(wěn)性指數(shù)也較高。但是該方法十分繁瑣，在設(shè)計(jì)初期也無法獲得管路的準(zhǔn)確位置及其連通的艙室，可操作性較差。為解決該問題，在本船破艙穩(wěn)性計(jì)算中引入“安全區(qū)”這一概念。如圖8 所示，船中陰影區(qū)為假定的安全區(qū)，高度為全船高度。壓載和艙底等管路布置在安全區(qū)內(nèi)。計(jì)算破艙時(shí)，若橫向破損范圍在安全區(qū)外，則不考慮管路引起的累進(jìn)進(jìn)水，破損進(jìn)入安全區(qū)內(nèi)時(shí)則認(rèn)為生存概率為0，從而簡化了破艙計(jì)算，更具有可操作性。

圖8 安全區(qū)域示意圖

6 結(jié) 語

本文對國內(nèi)首艘自主設(shè)計(jì)的三維物探船的穩(wěn)性優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。船體寬、重心高和上建面積大是該船型的重要穩(wěn)性特點(diǎn)。設(shè)計(jì)過程中需要從線型、總布置等方面控制重量重心并持續(xù)跟蹤其變化趨勢。將甲板室、上層建筑計(jì)入穩(wěn)性曲線，優(yōu)化雙層底布置和設(shè)置破艙安全區(qū)等方式可優(yōu)化或者簡化該船型的穩(wěn)性計(jì)算，同時(shí)對于其他特種用途船也有一定的借鑒意義。