50000 DWT半潜船总体设计综述

焦宇清

(上海船舶研究设计院，上海 200032)

0 前言

近年来，全球能源的需求量随经济发展保持快速增长，为了满足日益增长的能源需求，石油天然气开发逐步从陆地走向海洋、从浅海走向深海。深海油气钻井平台及各种外围辅助设施需要进行整体模块运输和安装，其重量和体积越来越大，半潜船正是高效安全地载运这些高价值特种货物的绝佳运输工具。海洋工程结构物运输市场的迅速增长，为半潜船的开发建造带来了发展良机。

半潜船属于特种船舶，主要用于运输大型海洋设备或工程结构物并可以辅助在海上安装，运输对象为海上石油平台、储油罐、大型门吊、大型发电设备、挖泥船、军舰、潜艇等。

与常规货船相比，半潜船有其独特的货物装载方式：先在压载舱内打入压载水，使船半潜到水面以下一定深度，然后将漂浮在水面上的大型货物定位到主甲板上方，再通过排放压载水使船上浮将货物托出水面并使其承载在主甲板上进行运输。这一独特的半潜装卸功能使半潜船能够承运尺度和重量巨大，重吊船、滚装船和起重船都无法承运的大型海洋设备和工程结构物。

除此以外，半潜船也能借助于码头设施和大型浮吊等，用滚装、滑装、吊装等多种方式进行大型货物装卸，其作业方式灵活多样，具有广泛的适用性。

由于半潜船具有高技术、高难度和高专业性的特点，长期以来从事半潜船运输的航运公司很少，荷兰的DOCKWISE几乎垄断了全球市场，直到中远航运（COSCOL）订购了广船国际承建的18000 DWT半潜船“泰安口”才打破了国外公司的垄断。中远航运目前拥有三艘半潜船，主要承运钻井平台、大型储油平台、集装箱桥吊等海上工程和大型机械设备。目前，航运市场总体形势不佳，但半潜船市场并没有受到太大影响，一直保持近两年的货运订单，三艘半潜船在COSCOL年利润中约占全船队84艘船中的1/4，成为中远集团的金牌船舶。

市场调查表明未来几年每年有30多个大型海上平台出厂，已经安装好的石油平台有很大部分需要运回岸基维修保养。鉴于此，中远航运决定建造载重吨位更大的新型半潜船——50000 DWT半潜船。

我院承担了该船的详细设计，有“泰安口”建造经验的广船国际和黄埔船厂合作建造。目前，设计完成，已经开工建造，并已接到了一些货运订单。

1 设计概况

本船以满足公约、规则、规范为前提，遵循安全和环保的原则来进行详细设计。

本船的总体设计基于市场调查结果，从满足船东的货运需求出发，确定适用的主尺度、分舱结构型式和主要设备的参数容量。

主要尺度如下：

本船设有载货区域全长178 m、完全平坦无障碍的货物甲板用于承载大型货物，适合装运各种大型海洋结构物（包括超高、超宽的货物）。船舶较宽，有良好的稳性基础；压载水量充足，能够提供足够的稳性来满足大体积、高重心货物的装载要求。设计指标是：无浮力货最大重量20000 t，重心距甲板高23 m；有浮力货最大重量30000 t，重心距甲板高25 m。主甲板在规范值基础上加厚，以适应货物与主甲板实际接触面积小致使局部应力过大的情况。

本船通过半潜操作方式来进行有浮力货物的装卸。下潜吃水26 m时货物甲板有效水下深度达到13 m，可以满足多数海洋结构物的吃水要求。下潜和上浮的操作是通过压载水舱的进/排水来实现的，压载水舱起到了相当于常规货船起货设备的作用，其重要性不言而喻。全船共设有82个压载水舱，用压载空压机和压载泵进行操作，以压缩空气方式为主，可在4小时内完成从设计吃水下潜到26 m。压载系统的安全可靠和高效运转对本船半潜装卸功能的正常实现和安全保障至关重要，也是本船设计成功的关键所在。

本船采用电力推进方式，按照DNV船级符号RPS（独立冗余推进）的要求进行设计。按照这一要求，本船设有两套完全独立的机舱和推进系统，当一个机舱受损失去动力时，另一个机舱仍然可以继续工作，维持船舶最基本的推进动力。由于半潜船承运的货物具有高价值、高风险的特点，入级RPS极大地提高了本船的安全性，降低了事故和货损给船东带来巨额损失的风险。

2 规则规范

本船的设计难点之一在于没有成熟和完整的规则规范作为设计依据。半潜船作为一种特殊船型，在主尺度比、性能标准、结构型式、设备布置等方面与常规货船相比有明显差异，适用于常规货船的部分要求应用到半潜船上并不适用，例如部分稳性衡准、桅灯水平距离要求等。而目前各大船级社基本上没有针对半潜船制定专门和系统的规范，因此收集适用的相关条文成为设计前期的一个重要课题。

按照船东要求，本船入CCS和DNV双船级，CCS侧重于法定检验，DNV侧重于规范审核。在设计过程中，设计项目组与两家船级社保持了密切的沟通和联系，就规则规范的适用性问题进行了广泛的交流和讨论。在总体设计方面找到的要求主要有：

·中国海事局《船舶与海上设施法定检验规则》国内部分［1］第3篇第5章“半潜船的特殊要求”，对半潜作业状态下的储备浮力、密性要求、水线标志等做出了规定。

·中国海事局《船舶与海上设施法定检验规则》国内部分［1］第 4篇第 7章“3.稳性特殊要求”之 3.13条，对半潜船在航行状态和半潜作业状态下的稳性衡准做出了规定。

·中国船级社（CCS）《钢质海船入级规范》［2］第 2篇第1章第9节1.9.6条“半潜船的半潜作业稳性”，具体内容与上条法规要求相同。

·挪威船级社（DNV）“Heavy Transport Stability Guidance”［3］，分别对航行/下潜状态下的完整稳性和破舱稳性提出了要求和建议。DNV还就载重线、储备浮力、密性要求等问题给出了推荐和指导。

·IMO SLF 50/19 Annex5［4］，对新的完整稳性规则作出了一些解释性说明，针对半潜船这种B/D特别大的特殊船型，提出了复原力臂曲线衡准的替代标准。

·Noble Denton Report No.0007/NDI“Guidelines for the Transportation of Cargoes on Heavy Lift Ships”［5］，航运业内标准，对稳性曲线范围、风压倾覆、进水角、货物浮力、最小GM值等做出了详细的规定，适用于半潜船等运载大型货物的特种船舶。

本船的设计既满足上述规则规范的特殊要求，同时也作为普通货船满足大家熟知的国际公约、规则、规范的常规要求，包括最新的破舱稳性规则和燃油舱保护规则等，但其中有两条法规要求，由于船型的特殊性，本船不可能满足，因此向海事局提出了豁免申请并已获得批准：

1）完整稳性衡准“最大复原力臂对应横倾角不小于25°”的要求。由于船宽值特别大，在较小的角度时甲板就会入水，进而复原力臂达到最大值，因此申请采用近海供应船的等效规则来代替这一条，即把25°要求降低到15°，相应地复原力臂曲线下的面积要求由0.055 m·rad提高到0.070 m·rad进行补偿。

2）避碰规则关于“前后桅灯水平间距不小于船长一半”的要求。由于使用特点，首楼以后的主甲板必须是无障碍的，不能设置桅杆等设备影响装货，参照类似船型申请免除该条要求。

3 总体布置

本船的载货甲板为主甲板，自首楼向后均为无障碍载货区域，没有任何设备或装置凸出于甲板面，舷侧的系缆设备局部凹入甲板面之下，舷侧和尾部设可拆式活动栏杆。总布置图见图1。

主甲板尾部设有一对可移动式浮箱，用于在下潜作业时提供尾部浮力和安全储备。浮箱设有移动装置，可以根据货物大小和形状的需要改变使用位置，在不用的时候还可以移到首楼后部的存放位置进行收藏。

上层建筑（包括驾驶室）全部设在船首，其优点是装载超高超大货物时驾驶室的前方视线不会受到货物的任何影响，完全避免了常规的尾部驾驶室对货物高度和外形尺寸的限制。

主甲板以下设10道水密横舱壁、3道水密纵舱壁，并通过双层底和中间甲板进行分舱，除了必要的燃油舱和推进机器处所外，均用作压载水舱。分舱的密度和数量是依据破舱稳性的要求确定的。

燃油舱位于中后部，设有双底双壳保护，与船壳完全隔离，隔离舱间距满足MARPOL 12A的要求，符合环保设计的原则。

推进机器处所分为首尾两部分，首部设主机舱，用于布置柴油机及相关设备；尾部设推进电机舱，用于布置推进电机设备；首尾机舱之间依靠贯穿前后的通道连接，通道两端设有水密门。依照独立冗余推进的要求，本船配置双机双桨双舵。主机舱和推进电机舱都分为左右两个、各自独立，中间由水密舱壁隔开，并满足防火分隔要求。

首部设有2套首侧推，能有效地改善操纵性，在潜装潜卸作业中有利于灵活调整船舶位置，配合货物定位，为船舶和货物安全提供了可靠保证。

下潜水线的位置依据货物尺度、浮态特征和规范对储备浮力的要求确定。按照DNV的要求，从最大沉深水线到该水线以上第一层甲板的储备浮力不小于4.0%排水量，到第二层甲板的储备浮力不小于5.5%排水量。本船下潜吃水26 m时的储备浮力满足要求。

出于安全性的考虑，规范对所有外部开口的密性要求有严格的规定。浸没在下潜水线以下的通道入口必须设置双道水密门，其中之一为动力滑动式水密门。如果不满足，则所进入的空间视为开敞浸水空间，不能计取浮力，并且按浸没要求配置其中的设备。本船从主甲板进入主机舱的通道即按这一要求配置双道水密门。除此以外，上述第一层甲板以下的开口必须是水密的，第二层甲板以下的开口必须是风雨密的。这些要求可从图2简明清晰地看到。

由于破舱稳性的要求，在许多内部通道位置上也设有水密门。这些水密门主要是在左右两侧的前后通道与主机舱、推进电机舱、舵机舱的水密分隔处，以及左右主机舱、左右推进电机舱的中间隔壁上。以上所有水密门都按照26 m下潜吃水的深度来考虑设计压头，对其耐压能力的要求远高于普通货船。

在压载管系布置方面引入了一个“安全区”的概念，见图3。受载货要求限制本船布置上有一显著特点，即主甲板上载货区域内不允许有任何突出物（包括空气管），因此所有位于首楼以后的压载水舱的空气管都只能先向前走到首楼部位才能向上升出。密集的管系大量的穿越水密舱壁，空气管上又不能装阀门关闭，这对破舱稳性的影响将是致命的。为了尽量减少连带进水的损失，对空气管布置提出了严格的限制要求，即任何一根空气管都必须在自身所在的水密舱段内先向上到达顶部的安全区内“报到”以后，才能拐出来回到预定的位置再向前走。这样设计的原理是使安全区成为每个舱的最高点对舱室进水进行保护，别处破损后通过破损管系来的水必须越过这个高点才能向舱内进水，而在横倾情况下安全区所在的位置无疑是舱段内的最高点（对单侧而言），被破损水线淹没的机会最小。“安全区”是一个相对的概念，并非绝对安全不会进水，其它各方面的安全性考虑仍然是必须的。

图3 安全区示意图

4 总体性能

4.1 分舱和破舱稳性

破舱稳性分析的结果用于确定分舱数量和载货重心高度限制，并需要在建造成本和货运需求上谋求平衡。分舱数量太少，破舱稳性可能难以满足，或者货物重心被限制得很低；分舱数量太多，则结构重量增加，管系复杂、施工困难，成本也增加。所以，精确可靠的计算对设计方案优化和成本控制意义重大。

由于承担基本设计的公司前期工作的疏忽，使得本船原定的10 m设计吃水无法实现。为了尽量避免减少吃水、减少载重量损失，详细设计中将原来的B型干舷改为B-60干舷，因而以破舱稳性计算和要求更复杂。

按照国际载重线公约的要求，对B-60干舷的船需要按照第27条规定的初始工况和破损假定做确定性破损计算，其中货舱规定用均质货装满，实质是以此来限定最高的重心高度。而本船只在甲板上装货，并没有货舱，也就没有所谓的货舱重心高度。反复研究之后，我们认为，按照规格书要求的最大载货重量和最高重心高度来计算，是相对合理并且符合安全原则的。

按照DNV的要求，对B-60型半潜船，破舱稳性计算应包含两部分内容：

首先是概率论计算。按最恶劣的情况考虑（即不计入货物浮力），确定出一条基本的极限GM曲线，实际工况的GM值满足该曲线即为合格。计算结果表明，这条GM曲线的位置是比较高的，货物重量大于20000 t就不能满足。

然后再做确定性计算。实际上这是对不满足以上GM曲线的工况进行补救，即将货物浮力计入以后再按载重线公约第27条的方法校核工况是否合格。由于货物形状和浮力的不同，按上述最大载货重量和最高重心高度计算的工况合格并不能代表货物重量较轻、重心较低的工况也合格，因为浮力贡献可能也小了。所以，对不同的浮力货实际上都需要各自单独计算一次。

再加上临时下潜工况的确定性计算，破舱稳性计算量十分大。

4.2 装载工况和完整稳性

规范对半潜船的装载工况并无特别规定，根据前期市场调查中收集和整理的货物特征资料，结合船东的货源情况，选择了其中最具代表性和可能性的几种货物，作为计算典型装载工况的依据，见表1。需要注意的是货物外形特征对计算的影响，因为不同货物有不同的外形尺寸和浮性，其受风面积和浮力贡献各不相同，因此需要采用各自不同的风力模型和浮力模型。

表1 部分典型装载工况

完整稳性衡准的基本要求仍然是IMO A.749 Ch.3.1条和Ch.3.2条气象衡准，但是用Ch.4.5.6条近海供应船的“15 deg+0.070 m-rad”要求代替Ch.3.1条中的“25 deg+0.055 m-rad”要求，前面关于豁免申请的章节里对此已有说明。另外按照船东要求Noble Denton的稳性衡准也在计算中加以考虑。

对于下潜工况，DNV和CCS有各自不同的稳性衡准要求。CCS的要求主要体现在GM值上，对不同下潜阶段、不同的风力和海浪，GM值衡准各不相同；DNV则除了GM值，对复原力臂曲线和进水点高度也有规定。由于本船入双船级，因此以上要求在计算中同时加以考虑，同时满足。

4.3 下潜程序和下潜稳性

下潜过程中的安全保障是下潜程序设计的首要目标。为了确保整个下潜过程的安全可靠和万无一失，以下一些原则性要求必须在预定程序设计和实际操作中加以保证：

·下潜操作前所有水密门应确保关闭；

·下潜水线以下的任何舱室内不得有人；

·整个下潜过程中保持适当首倾；

·以较大的纵倾使主甲板入水，以免水线面面积消失太快从而瞬间丧失稳性；

·特定位置的压载水舱应确保其舱内水面始终高于海平面，主要是紧贴主甲板的顶压载舱和首楼尾部及尾部浮箱内的压载舱，因为这些舱容易与货物发生碰撞而破损，相对较高的水位会使舱内的水流出使船上浮，而不是进水加速下沉。

以上原则性要求即作为下潜程序设计的依据。下潜程序计算以空船下潜和带货下潜这两种典型工况为代表进行，分别对应潜装和潜卸作业情况。

下潜过程中的稳性衡准要求必须得到满足，前面完整稳性章节里已有介绍。需要说明的是，装载手册里只计算了下潜终点状态即26 m吃水的情况，而下潜程序里需要计算的是每一个连续的步骤，这里面就涉及到自由液面的影响。按照自由液面修正的一般原则，在每个步骤中任何一个发生变化的舱、或者部分装载的舱，都需要按最大的自由液面力矩进行修正。考虑到实际操作中纵倾变化的影响，预定装满的舱实际上很有可能在顶部留有气泡而带来自由液面，因此在下潜程序的设计上应避免设计得过于“完美”（自由液面过少），对大多数舱可适当分多次打满，在每个步骤中都留下一些部分装载的舱来计入自由液面，这样考虑偏于安全，也比较接近实际情况。

压载管系设计中对个别压载水舱的操作顺序存在一定限制，也在下潜程序的设计中进行了考虑。

由于货物情况千差万别，实际营运中每次下潜操作都必须用装载计算机单独进行计算，制定出更为详尽的操作程序和技术要求。

5 结语

50000 DWT半潜船是我院承接设计的最大载重吨位的半潜船，也是目前为止国内最大的半潜船。这条船的开发设计和建造，成功地打破了少数国外设计公司和航运公司在大型半潜船领域的垄断地位，在国际海事界为我院赢得了良好声誉。随着世界能源需求和海洋石油产业的迅速增长，我院在半潜船这一新兴船型上必将大有所为。

［1］中国海事局.船舶与海上设施法定检验规则（国际航行）2006年修改通报［M］.

［2］中国船级社.钢质海船入级规范（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”.