“发展之路”号自航半潜船船体改装设计研究

张 弩 宗 智 林 哲

大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室 运载工程与力学学部船舶工程学院，辽宁大连 116024

“发展之路”号自航半潜船船体改装设计研究

张 弩 宗 智 林 哲

大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室 运载工程与力学学部船舶工程学院，辽宁大连 116024

半潜船是专门运输无法分割的大型整体设备的高技术含量、高附加值船舶，在世界上为数不多。特别是改装半潜船，受到的限制较多，加之船型特殊，国内外可供参考资料缺乏。“发展之路”号是世界首艘由液化石油气船改装而成的自航半潜船。概述了该船的主要技术性能和特点，从总布置、结构强度、稳性等方面介绍了该船在改装设计中的难点和要点，为此类船舶的改装设计提供了新的思路。

半潜船；改装；设计

1 引言

“发展之路”号是世界首艘由液化石油气船（LPG）改装而成的自航半潜运输船，由中交国际航运有限公司投资，大连理工大学全面负责设计，入级中国船级社，属于重大装备改造。该船于2010年1月22日驶离山海关船厂，在经过10余天的处女航后，于2月2日由韩国釜山启航驶回，2月6日顺利抵达天津港。图1所示为 “发展之路”号自航半潜船。

半潜船是专门运输无法分割的大型整体设备的船舶。其工作原理是通过注入压载水将举升甲板潜入水中，待货物浮移至半潜船的举升甲板上，再排出压载水使船上浮将货物“托起”并固定，运送到指定位置［1－3］。 半潜船属高技术含量、高附加值船舶，在世界上为数不多，特别是改装半潜船，受到的限制较多，国内外可供参考资料缺乏。而在“发展之路”号的改装中，原船按照日本船级社规范设计，改装则要按照中国船级社规范进行设计，改装难度很大。

2 原船概况

该船的原型是1983年在日本川崎重工业有限公司船厂建造的液化石油气船（LPG）。主要参数见表1。

表1 原船主要参数Tab.1 Main dimensions of the original vessel before conversion

3 改装船的主要参数和特点

3.1 船 级

本改装船的船体（包括设备）、轮机（包括设备）由中国船级社（CCS）审图和检验，并由中国船级社授予以下符号和附加标志：

★CSA ★CSM，Semi－Submersible Vessel。

3.2 主要参数

本改装船是一艘采用柴油机推进、航行于无限航区的半潜船。主要参数见表2。

表2 改装船的主要参数Tab.2 Main dimensions of the converted vessel

3.3 潜浮性能

本船利用压载水系统能够下潜的最大潜深为18 m。从设计吃水（9.3 m）下潜至最大潜深（18 m）的时间小于5 h；从最大潜深（18 m）上浮到设计吃水（9.3 m）时，所需时间约为 4 h。

3.4 装卸货性能

本船通过上浮／下潜的方法装卸漂浮货物，如近海装置、工程挖泥设备、无动力的船舶等。货物甲板总长约为130 m，最大船宽38 m，甲板可利用面积约为 4 800 m2，最大设计载荷为20 t／m2。在装卸货物过程中，利用船上的4台绞车对漂浮物进行定位。

3.5 航行性能

本船为柴油驱动、常规轴系传动、螺旋桨推进。在设计吃水9.3 m 时，航速大约为16.47 kn。

4 改装设计要点

4.1 总布置

半潜船突出的特点就是载货 （举升）甲板较低。因此在改装设计时，需要切除原船主船体部分结构，使船体侧投影呈凹形，如图2所示。本船改装设计中切除原船FR50～FR93、距基线12.71 m以上主船体结构和管路，设置双层纵骨架式水密甲板。又分别加装5道从举升甲板至双层底的横舱壁。在左右舷舱距船中7.895 m处，各新增一道水密纵壁。这样原船的液货舱、压载水舱和艏艉尖舱等将被改装为改装船的44个压载水舱。

从载货考虑，改装船需要较大的船宽，而原船船宽较小。改装设计中在FR48～FR94货物甲板两舷侧加装宽度为2 m水密浮箱，使甲板宽度从34 m增加至38 m，如图2所示。同时，浮箱作为边辅助压载水舱的一部分，增加了压载水的容积，可以参与船舶的下潜操作。而正常航行时，水密浮箱在水线以上，不会对船舶的航行产生过多的阻力。

为满足2009年1月1日生效的SOLAS公约［4］环保标准的防污染要求，将燃油舱由两舷改装至船中，并设计为双底双壳。燃油舱改装设计中，同时兼顾了原供油管路利用、压载水舱布置以及改装工作量等问题。

半潜船需要承载海洋工程作业机械、海洋石油开采平台等大型海洋工程构件。从驾驶室视线的角度考虑，新设计半潜船的上层建筑一般在船首。而原船的上层建筑在船尾，因此改装船在船首增加了辅助瞭望台。

本船所能提供的全部压载水的舱容 （所有可能用做压载水舱的货舱空间）只能将船体压载到14.5 m处的吃水，达不到下潜18 m的要求。为此，需使用总重大约3 800 t固体压载，置于双层底内部。如图3所示。

4.2 总纵强度

由于本船改装设计中切除原船部分主船体结构，使总纵强度受到很大损失，如图4折线所示截面都是结构强度较弱的截面。因此需要像4.1节所述加装5道横舱壁和两道纵壁，并且纵舱壁向艏艉延伸，提高结构强度。在切除原船部分主船体结构时，本船并没有在原船分舱处切割，而是前后各切了半个舱，这是为了保持舱壁的连贯性，避免应力集中。

切除原船部分主船体结构，使得改装船的船宽型深比大于2.5，因此不能用“钢质海船入级规范2006”［5］的规定来计算波浪载荷。在设计中，采用大连理工大学编制的计算程序对波浪载荷进行了直接法三维频域计算分析，并根据IACS推荐的海浪谱及方法给出了长期预报极值，为结构的设计提供了依据。事实证明这种计算方法行之有效，可以在半潜船设计中进行推广。

4.3 局部结构强度

原船的设计吃水是12 m，而新改装船下潜的最大沉深为18 m，因此对局部结构强度的要求增大，原船的一些构件强度不再满足规范要求，需要重新计算，并对构件进行相应的增厚，变水密等处理。根据《钢制海船入级规范2006》，最大压差水头高系指半潜船在工作沉浮过程中，船体结构某处所承受的内外最大水面差所形成的水头高。所以在改装设计时，需计算船内压载水位与船外水面差值随半潜船吃水的变化，确定最大压差水头高。图5所示的两组曲线，分别给出半潜船空船下潜和载货下潜时辅助压载舱内水面与舷外水面高度差情况。

其中需要提出的是，日本船级社（NK）的规范《Rules and Guidance 2007》［6］要求对纯压力水头进行验证，如果按照NK规范，本船的很多构件强度并不满足强度要求，事实也证明了NK规范中对纯压力水头的要求偏于严格。

对于本船，在船中0.4 L区，各舱最大压差水头高不超过9.4 m。固体压载区下潜深度按最大沉深18 m计算，固体压载高度取为1.5 m，密度取为4.3 t／m3， 则在固体压载区其计算压头取为 d＝18 － 4.3 × 1.5 ＝ 11.6 m。

机舱区通过结构强度有限元计算进行校核。

经局部强度计算校核后，本船局部结构做出的改装主要有：

1）设置纵骨架式举升甲板和纵骨架式下甲板；

2）距基线3 530 mm增设纵骨架式平台；

3）FR44～FR45的燃油舱设水密内侧壁，内底板改为水密；

4）在FR59、FR71及FR83处设置水密横舱壁至左右两舷，相应位置处的实肋板改为水密肋板；

5）在FR50和FR93处增设横舱壁，举升甲板以下为非水密；

6）在FR12～FR44的机舱区域的船底外板增厚；

7）双层底区域，加密平板龙骨纵骨，以及增厚载货区双层底实肋板厚度等。

4.4 全船结构有限元计算

由于改装船的船宽型深比大于2.5，按照《钢质海船入级规范2006》的规定，船体强度必须采用有限元直接计算确定。根据半潜船的改装设计图纸和分析的需要，建立半潜船的全船有限元模型，用于分析半潜船在各种工况下的总纵强度。建模使用 MSC.PATRAN， 分析程序是 MSC.NASTRAN。模型采用具有拉压、扭转和弯曲能力的壳单元模拟板结构，采用具有拉压、扭转和弯曲能力的梁单元模拟型材结构。整个模型共计128 616个节点和273 736个单元。

以压载出港工况为例，此种工况下船体受到的载荷包括：半潜船的自重（包括龙骨墩）；90%燃油、滑油及淡水；特定吃水下的外部静水压力；特定吃水下且半潜船压载航行时，压载水的内部静水压力。这里仅列出该工况下全船、船舯的Von Mises应力和x方向应力云图，以及船首、船尾的Von Mises应力云图，见图6～图8。根据分析结果，结构的总强度在计算载荷作用下满足强度要求。

4.5 稳 性

和普通船相比，半潜船的静水力曲线最大的特点是存在着非常明显的间断。本船的静水力曲线如图9所示，间断发生在距基线12.71 m的货物甲板入水处，在该吃水处，除了纵向浮心位置（LCB）以外，所有静水力参数在形式上均有所变化。

由于半潜船的船型特殊，经初稳性计算，半潜船在下潜时初稳性变差，其中货物甲板出（入）水的时候初稳性最差［7］。半潜船通常用来运载昂贵的海洋结构物，出（入）水时船体的初稳性直接关系到货物的安全，因此需要最大限度地改进此时船体的初稳性。而且经计算论证，在出（入）水阶段，初稳性可以通过使船舶保持一定的纵倾来加以改善。纵倾能够增加横稳心高，减缓水线面面积的突变程度，增大水线面面积，从而提高初稳性。同时，必须要限制半潜船作业时的海况。

而对于破舱稳性，目前国际上尚无针对半潜船的规范约定，半潜船的载货特性决定了其属于目前ICLL66规范［8］中的B型货船。按SOLAS规范，该类型船舶的破舱稳性应采用概率方法进行校核计算［9－10］。 由于正常航行时，半潜船的货物是放在甲板上的，而不是在舱内，因此，半潜船的主要舱室几乎都是压载舱。同时，为了方便压载水的调整，本船共有44个压载水舱，众多的压载水舱给破舱稳性的计算带来了很大的困难。根据目前的SOLAS规定，破舱稳性的核心是计算不同舱室以及它们不同组合发生破坏时的稳性。随着压载水舱的增多，可能的破损组合数成指数增加，破舱稳性的计算就越困难［11］。考虑到船舶上浮和下潜时可能遇到的复杂多变情况，为确保万无一失，本船使用概率法计算半潜运输船的破舱稳性，计算了多达990多种的工况。

5 结论

本文介绍了“发展之路”号改装自航半潜船的主要技术性能和改装设计要点。改装半潜船的船型非常特殊，又受到了原船很多方面的限制，改装设计工作的困难很多。本船在改装设计中的创新点包括以下几个方面：

1）总布置——在货物甲板两舷侧加装了水密浮箱，增大了甲板宽度，同时浮箱作为边辅助压载水舱的一部分，也增加了压载水的容积。船首增加了辅助瞭望台用于辅助装卸货时的瞭望。

2）结构强度——对波浪载荷进行了直接法三维频域计算分析，并根据IACS推荐的海浪谱及方法给出了长期预报极值。对全船结构进行了有限元直接计算分析。

3）稳性计算——使用概率法计算半潜船破舱稳性，采用2009年1月1日公布的SOLAS公约，满足了最新防污染要求。

由于半潜运输船规范、检验规则尚处于摸索阶段，特别是改装半潜船，受到了更多的限制，“发展之路”的改装设计的成功为此类船舶的改装设计提供了新的思路，也为海事部门完善船舶规范、检验规则积累了新的经验。

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Hull Conversion Design of a Self-Propelled Semi-Submersible Vessel Known as Development Way

Zhang Nu Zong ZhiLin Zhe
School of Naval Architecture Engineering， Faculty of Vehicle Engineering and Mechanics， State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China

The semi-submersible vessel is designed as an efficient transportation specifically used to carry large－scale undividable integral equipment， which is regarded as the high－tech and high value－added vessel in the shipbuilding industry.This kind of semi－submersible vessel nowadays is rarely in service worldwide.The “Development Way” identified so far as such kind of semi－submersible vessel was the first self－propelled vessel in the world which was originally converted from a LPG carrier.Many restrictions imposed on the conversion activities of such LPG carrier due to lack of relative reference and experiences on the design.This paper presents a description of this conversion designed LPG carrier with respect to the main technical performance and features，together with the aspects including general arrangement， structure strength， stability and design difficulties facing in the conversion design.

semi－submersible vessel； conversion； design

U672.6

A

1673－3185（2011）01－30－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.01.006

2010-03-21

创新研究群体科学基金：海洋环境灾害与结构安全防护（50921001）；国家重点基础研究发展计划项目：复杂装备研发数字化工具中的计算力学和多场耦合若干前沿问题课题资助（2010CB83270）

张 弩（1984－），男，博士研究生。研究方向：船舶与海洋工程结构物设计制造。E-mail：zhangnu＠yahoo.cn

宗 智（1964－ ），男，教授，博士生导师。 研究方向：船舶与海洋工程。 E-mail：zongzhi＠ dlut.edu.cn