半潜船及其在海洋运输业中的作用与发展前景

王立峰

（中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

1 半潜船

1.1 半潜船的基本概念

《钢质海船入级规范》对半潜船的定义为“系指有较大开敞露天载货甲板，首部或尾部有较高上层建筑或甲板室或浮箱，在装卸货作业过程中呈半潜状态的船舶”。同时规范还对其结构强度和各作业工况下的稳性作出了特殊规定。

半潜船按其航行方式可分为自航式和非自航式2种类型。一般非自航式的半潜船排水量较小，靠拖轮的动力在近海或邻近国家海域之间从事运输作业。而真正意义上的自航半潜船则是侧重远洋大件运输的专用船。在自航类型中按其推进方式又可分为常规推进式和全电力驱动式，近几年也出现了电力驱动与常规舵浆推进相结合的方式。

1.2 半潜船发展概况

全球拥有半潜船最多、运力最大的公司当属荷兰的DOCKWISE公司，主力半潜船20多艘，种类包括运输大件的半潜船和运输游艇的专用半潜船，其他国家的总量也不过如此。我国早期的半潜船多数是从日本引进的非机动驳船，排水量不足万t，主要应用于救捞行业。

半潜船形成的途径主要有2个，一是根据不同的用途设计与建造，二是选择现有适宜的其他船舶改造。后者由于原船的满载吃水一般小于半潜船的下潜深度，经改造的船舶如不更换部分板材和进行局部加强，只能适应对岸滚装货物的运输和潜深不大的大件浮体运输。近些年在广州远洋运输公司首次引进国外技术建造2艘18 000 t半潜船的基础上，国内有关企业利用上述途径建造和改造了多艘半潜船。

我国进入国际特殊货运市场的策略及成效案例：一是广州远洋运输公司采取了“交叉运力、互为补充”的策略先建造2艘吨位较小的半潜船进入该市场，待取得经验后建造更大吨位和规模的半潜船扩大运输范围，目前的运力已初具规模；二是近年来因上海振华重工有限公司的港机出口业务迅猛发展，设备散件到场组装改为整机试验完成后装船出口，在1998至2006年间改装了29艘整机运输船，其中4艘具备下潜和上浮功能，因而DOCKWISE公司的港口机械运输业务量大为削减。表1是国内外万吨级以上典型自航半潜船的不完全统计数据。

表1 万吨级以上典型自航半潜船汇总表

1.3 半潜船的关键技术

1.3.1 驱动与推进技术

1.3.1.1 柴油机驱动、常规舵浆推进技术

与现有的远洋运输船舶和后来改造的半潜船相同，不再赘述。

1.3.1.2 电力驱动与推进技术

采用POD吊舱推进机构，共同的特点是：电动机的轴即是螺旋桨的轴，消除了多级机械传动的功率损失；整个推进器可以360°旋转，除提供推力外还代替了常用的舵系，并为动力定位提供了良好的条件；可实现模块化制作和安装。

目前的单机功率已达数十MW，电力驱动与推进是半潜船设计与制造的首选方式。以ABB为例其电力驱动与推进系统见图1。

图1 ABB电力驱动与推进系统示意图

POD吊舱推进器的简介如下：

1）Azipod推进器。ABB是开发POD推进器最早的公司，其产品（Azipod）经过了多艘实船的考验，占据着世界POD推进器市场的最大份额。典型产品见图2。

图2 ABB牵引式的推进器

近些年，ABB公司凭借原有产品的开发经验，通过技术手段提高了Azipod的安全性、可靠性以及可维护性，安装新一代Azipod产品后，船舶无需进坞即可完成推进系统大部分重要部件的维护工作。目前单机功率最大可达20 MW以上。图3显示了XO系列推进器转速与轴功率的关系。

图3 XO系列推进器转速与轴功率关系图

2） SSP推进器。该推进器由德国Siemens公司和Schottel公司联合研制，利用Schottel的先进舵浆技术、采用Siemens公司生产的永磁同步电动机。其特点是采用双螺旋桨形式，分别装在永磁电机轴的两端，转向相同，典型产品见图4。图5显示了3个级别的SSP推进器在不同转速下的功率。

图4 SSP推进器

图5 SSP推进器转速与功率关系图

3）Mermaid推进器。该推进器由瑞典Kamewa公司和法国Alstom公司联合开发，功率范围为5~25 MW。图6为典型的Mermaid推进器。它具有下述特点：一是电机的定子绕嵌在吊舱内壁上，利用周围的海水对流来冷却部件，因此，吊舱装置尺寸相对空气冷却的装置小、水动力效率高。二是轴封乃至整个吊舱都可以在水下进行更换。该推进器还分别提供牵引式、顶推式和高推力顶推式3种形式的吊舱，分别适用于高速双螺旋桨船（如客滚船和豪华游船等）、中速单螺旋桨船和需要最大拉力的低速船（如拖轮、近海工程船和海洋平台等）。

图6 Mermaid推进器

4） DOLPHIN推进器。Dolphin和Azipod采取的都是牵引式推进器，使轴向吸入性能得到改善，空泡性能好，低励磁，低噪音，一般采用交直交变频器。Dolphin推进装置可提供的功率范围为5~10 MW。该推进器的装船实物见图7，螺旋桨转速与轴吸收功率见图8。

图7 Dolphin推进器

图8 螺旋浆转速与轴功率关系图

1.3.1.3 电力驱动、常规舵浆推进方式

此方式是在POD吊舱装置订货周期长和改进期间的又一种组合方式。即以电力驱动（多输出）齿轮箱，由齿轮箱驱动尾轴和螺旋桨。

在后两种推进方式中，需要配置足够功率的中压电站，以变频方式直接驱动POD推进器或驱动齿轮箱→尾轴→螺旋桨。电力驱动的最大好处在于：

1）安全冗余度高。可根据用电量的大小配备足够容量的主发电机组和备用机组。一般发电机组的配备为二备一，即任意2台可以并车工作，另一台备用，在极端情况下一台工作也可慢速前进，相对只有一台主机推进更为可靠。

2）经济航速运营。由于半潜船装载货物的重量和体积变化较大，几乎每个航次的推进功率需要随之改变，只有多台动力单元才能满足经济航速的特定需要。

1.3.2 下潜与上浮技术

半潜船的下潜和上浮功能主要靠压载系统完成，全船设置几十个压载水舱，超过万吨压载水的注入和排除要求在数小时内完成，故系统采用了多台大功率空压机和一定数量的压载水泵，船舶下潜时靠负压向舱内注入压载水，上浮时靠正压排水，压载泵则是针对首尾和甲板以上压载舱的压载水注入和排放设置的。利用空压机排水的好处在于最大限度地将舱底水排净，以减小自由液面对稳性的影响。半潜船的下潜和上浮包括了除航行以外的各种作业工况，并关联到各工况条件下的结构强度和稳性。

1.3.3 动力定位技术

半潜船除了常规的GPS导航系统外，一般配置动力定位系统以适应深海作业。其动力来源为两套主推进器（全回转的性能最好、常规推进靠舵转向的效果稍差）和首尾侧推器。依靠本船的动力克服风、浪和水流的外力使船首维持在一定的方位角内、使整船的位移控制在较小范围内，它是现代计算机技术和自动化控制理论的完美结合。依据现在的技术水平从理论上可以达到通过有关参数的设定可将半潜船指定在世界任何一个港口自动定位和装卸货物。

动力定位的分级，依据CCS规范可分为DP-1，DP-2和DP-3三个等级，编号高的冗余性能好、定位准确性高。

1.4 半潜船开发实例

结合“电力驱动、常规舵浆推进技术”半潜船“希望之路号”的开发实例，详细介绍其关键配置及其性能。

“希望之路号”是我国独立设计和建造的第一艘20 000吨级的大型自航式无限航区半潜船。 船级符号★CSA/CSM Semi-Submersible Heavy Life Vessel，Ice Class B，DP-1，AUT-0。主要参数和性能如下。

1.4.1 船舶参数

总长156.00 m，两柱间长149.40 m，型宽36.00 m，型深10.00 m，设计吃水7.45 m，最大潜深19.00 m。甲板载货面积4 300 m2、举升甲板最大均布设计载荷18 t/m2（任意纵骨肋位处举升甲板的最大点载荷25 t、任意强横梁上的举升甲板最大点载荷100 t），设计航速14 kn、续航力12 000 n mile。尾部设2套直径4 450 mm的定距推进螺旋桨，配置2个公称转矩为300 kN·m的襟翼舵。

1.4.2 动力配置

主柴油发电机组3×4 320 kW（原动机型号 MAN Disel 9L32/40CD-G11，发电机型号HSJ7 809-8P、额定电压6 600 V）；停泊柴油发电机组1×800 kW；应急发电机组1×260 kW；推进电动机2×4 900 kW（型号DKMAF 8028-8 V、额定电压4 000 V）；艏侧推2×800 kW。

1.4.3 排、压载系统

该船共设压载水舱46个，总容积为39 400 m3。配备4台型号VML60的空压机（正压状态下排量及压力为3 681 m3/h，175 kPa；负压下为3 621 m3/h，70 kPa）以完成主船体内压载水的注入或排出。另配2×200 m3/h和2×150 m3/h压载水泵用于首尖舱、尾部浮箱和位于举升甲板以上压载水舱内压载水的注入或排出。全部压载舱的遥控阀均采用就地式液压动力单元和干式安装，不但便于维修和管理，而且大大提高了系统的运行可靠性。该排、压载系统可分别在4 h内完成下潜、3 h内完成上浮作业。

半潜船与常规船相比有2个特殊的要求：

1）储备浮力。要求船舶下潜到最大潜深时船舶通过首楼和尾浮箱提供储备浮力。

2）下潜和上浮稳性。CCS规范对半潜船无论是空载还是满载，在下潜和上浮之各阶段的初稳性高度均有明确的规定。

上述的特殊要求需在设计过程中给予充分的考虑和计算，适当选择尾浮箱和首楼的大小来保证需要的储备浮力，通过固定压载和适当的舱室布置提高其初稳性高度，通过浮态计算、调整载货位置以减小对稳性的影响（如果发现在重载情况下、举升甲板出入水过程中初稳性不足时，可适当调整浮态增加水线面以提高稳性）。

1.4.4 电力驱动系统

该船设置了两套电力驱动系统。每套由鼠笼式感应推进电动机（双绕组系统）、2台三绕组推进变压器、推进变频器以及附件组成。采用24全脉冲交流-直流-交流变频调速系统，有效隔离了中压负荷变化对电网稳定性的影响。

1.4.5 动力定位系统

配置1套芬兰Navis Group制造商的NAVISNavDP 4000动力定位系统。包括DP控制站、JOYSTICK控制站、DGPS传感器、激光雷达传感器、MRU传感器、电罗经、风速风向仪和专用UPS等设备，与该船的动力配置结合，达到DP-1级动力定位级别。该系统经实船验证达到了设计精度，且在最大潜深19 m工况下运转可靠。如果增加尾侧推配置，可进一步改善动力定位的效果。

1.4.6 全数字功率管理系统

功率管理系统用于该船发、用电设备的控制和管理，确保船舶在所有工况下不间断供电。此全集成系统同时为电站功率管理提供了完善的可视化功能。系统对并联发电机的负荷分配具有恒频和降压2种控制模式，其中恒频模式为主要运行模式，降压模式为备用模式。当恒频模式出现报警时，系统将自动转换到降压模式，同时系统面板上也设有2种模式的转换开关。

1.4.7 集中监控系统

该系统包括了各相关设备的集中报警、重要设备的运行时间统计、全船失电后的顺序起动、能耗管理和性能监视、数据归档和导出以及为其他系统提供必要的数据接口等多种功能。基于WCC组态技术的画面显示，每幅视图大约可提供50个变量（50%开关量显示，10%柱状图显示，40%图形数据）。

1.4.8 多媒体综合数据处理系统

该系统利用先进的应用集成技术将电子海图数据、船舶航行数据、气象数据、机舱工况数据、AIS数据、船舶作业数据、可视化多媒体数据及卫星通信数据等信息整合为统一平台，在船岸之间实现无间断实时数据传输和全部网络通信功能。通过该系统的智能化和可视化人机界面，可实现对设备运转状态的实时远程观察和监测，同时可实现岸基部门对船舶远程调度、远程指挥和远程管理功能。

2 半潜船在海洋运输业中的作用与发展前景

2.1 半潜船在海洋运输业中的作用

半潜船主要用于装运超大、超重且不可分割的特殊物体，如：钻井平台及生活模块、大型混凝土构筑物和大型舰船与机械设备等。也可利用半潜船预制、运输和沉放万t以上的巨型沉箱。

近些年，我国在境外承揽了大量的施工项目，所需船机装备也用半潜船运输。以中交集团为例，工程业务范围遍及世界多个国家和地区，其疏浚和港口建设中的主要施工设备诸如打桩船、挖泥船等大型船机设备在国际间调遣频繁。国际间的湿拖因航行距离长、气候风险大往往无法完成；如果租用半潜船，经常受到外界船期的制约。因此中交集团建造了“希望之路”号20 000 t半潜船，改造了“发展之路”号25 000 t半潜船，既避免外界船期及运价的制约，又为国际间的船机和物资调遣提供了有力的保障。

2.2 半潜船的发展前景

1）供需平衡初见失调。随着深海资源的不断开发和国际间施工合作项目的日益增多，大量的石油钻井平台和生活模块投入建造和使用，众多的工程船舶和施工机械需要在世界范围内频繁调遣，特别是超重、超大且不可分割的海上漂浮物件的调遣，更是半潜船以外其他运输方式不可替代的，因此半潜船的需求量必然增大。

2）货物本身功能的提高对半潜船提出的特殊要求。一是由于深海资源的开发技术不断提高，石油平台的功能更加齐全、质量和体积更加庞大，半潜船将进一步向大型化、智能化发展；二是因为被运物体的价值在多数情况下远远高于半潜船的价值，货主对半潜船的运输能力、营运经验以及提供服务的及时性等要求将会越来越高。半潜船的发展可谓“前景光明、道路曲折”。

3 结语

目前，全球半潜船的资源相对运量显然偏少，可观的获利空间和特殊的运输需要必定引起更多投资者的关注。因此要求半潜船的技术含量更高，使得设计难度更大，一次性投资更大，而适宜的制造企业更少，拥有半潜船的航运公司的管理水平和半潜船操作技术要求更高。所以安全可靠、让货主放心的运力短期内难以大幅度扩张。只有仔细分析市场，敢于高额投资，高标准设计与建造，拥有高素质、有经验的管理队伍和操作人员的企业才能在半潜船航运领域创造出佳绩。

[1]中国船级社.钢质海船入级规范[M].北京：人民交通出版社，2010.

[2] Azipod Propulsion System Features[R/OL].2010[2011-07-15].http：//www05.abb.com/global/scot/scot293.nsf/veritydisplay/9a895 bfb278ac959c1257833003a9093/$file/azipod%20xo%20basic.pdf.

[3] 上海船舶研究设计院.“希望之路”号半潜船设计资料[R].上海：上海船舶研究设计院，2008.