深水半潜式起重铺管船船型优化方法

彭小佳， 宋安科， 何　宁， 赵　洁

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)



深水半潜式起重铺管船船型优化方法

彭小佳， 宋安科， 何宁， 赵洁

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

摘要：半潜式起重铺管船是一种柱稳式的移动平台，具备大型起重及深水铺管功能，由于水线面小，该类船型的耐波性能大幅优于传统船型船，具有更好的作业天气窗口。半潜船船型优化设计是一个不断循环，持续改进的过程，整体主尺度及下浮体、立柱、上浮体等各组成部分的尺度、形状选定既要满足作业设备和不同舱室的布置需求，还要满足船舶稳性、浮力及压载的要求，并且还是决定船舶运动性能的关键。合理的优化船型是半潜船设计的核心技术，该文对该类船型的优化设计经验进行了总结。

关键词：半潜式起重铺管船；船型优化；柱稳式平台

0引言

半潜式起重铺管船(SSCV)是一种柱稳式的移动平台，分为上浮体、立柱、下浮体三部分，具备大型起重及深水铺管能力。由于水线面小，该类船型的耐波性能大幅优于传统船型船，具有更好的作业天气窗口。近年来，中海油正在加快深水船队的建设步伐，但在半潜式起重铺管船这一领域仍然空缺，在深水项目中仍然受制于人。为了持续提高我国深水海洋工程装备能力，打破国外公司在该领域的垄断，海油工程公司正在进行半潜式起重铺管船的前期研究，海工设计公司也自主完成了概念设计。国内大部分设计人员暂未掌握该类船型的优化方法，在设计过程中会出现反复优化后船舶性能仍达不到作业要求的情况。该文对该类船型的主尺度优化设计方法进行了总结，为国内设计人员进一步的研究提供参考。

1主尺度优化

半潜船主尺度的确定主要考虑以下5个方面[1]：(1) 空船重量与浮力；(2) 耐波性能及气隙；(3)稳性(失荷稳性、完整稳性、破舱稳性、冗余浮力)；(4)建造船厂、设备尺寸等限制；(5)压载能力需求。

1.1空船重量与浮力

空船重量和浮力需求根据船东的要求不同差距较大，以该船为例，经初步重量统计，估算空船重量在90 000 t左右，考虑空船配平所需的压载水量以及一定的安全余量，估计该船在10 m空船吃水出坞时所需的浮力需求为100 000 t左右；考虑航行时需将重油、轻柴油的油舱加满，将淡水舱加满，主甲板上再装载部分海管及作业设备，12 m吃水航行时所需的浮力需求在125 000 t左右；考虑起重作业时的起吊物重量和铺管作业时的储管重量，25 m吃水作业时的浮力需求在140 000 t左右。该部分数据随设计深入，应根据重量统计数据进行更新，初始设计时应留有余量。

同时，主尺度优化应尽量使浮心位置和重心位置接近，降低配平所需的压载水量，提高航行工况的可变载荷。

1.2耐波性能及气隙

半潜船的横摇性能一般都较好，主尺度优化的目标是在保证稳性、设备尺寸和压载需求等前提下，尽可能的增大垂荡、纵摇固有周期，避开波谱能量集中区域，使船舶具备最优的耐波性能，同时保证气隙满足规范要求。

垂荡固有周期计算公式见式(1)[2]，主要由三个因素决定：水线面面积、排水量和垂荡附加质量。该船排水体积较大，排水量的变化对垂荡的影响幅度有限，垂荡附加质量主要受下浮体的横截面宽高比影响，因此通过调节水线面面积和下浮体宽高比来优化垂荡性能效果较明显。

(1)

式中：T3为垂荡固有周期；M为质量；A33为垂荡附加质量；S为水线面面积。

纵摇固有周期计算公式见式(2)[2]，主要由四个因素决定：排水量、附加质量、回转半径和纵稳性高。排水量的可变化幅度有限，附加质量主要受水下部分形状影响，增加回转半径可以减小纵摇，但是增加回转半径的同时会增大结构总纵弯矩，且影响幅度不大；纵稳心高GML=KM-KG，KM=KB+BM，BM主要由水线面惯性矩决定，因此通过减小水线面惯性矩来优化纵摇性能效果较明显。

(2)

式中：T5为纵摇固有周期；M为质量；r55为回转半径，A55为纵摇附加质量；GML为纵稳心高。

规范对气隙的要求较严格，需保证在百年一遇环境条件下气隙值为正，主尺度优化时应尽可能增大船舶的静气隙值。为保证气隙计算的准确性，气隙参考点应距离立柱结构有一定距离，尽量完整地覆盖上浮体底部甲板及主甲板救生艇等关键位置。

1.3稳性

水线面的减小在改善运动性能的同时，会使稳心高降低，对稳性不利，需考虑稳性对水线面面积的限制。SSCV的稳性计算要考虑不同工况的完整稳性、破舱稳性、失荷稳性、冗余浮力等内容。对于该类船型，起重工况是稳性计算的控制工况，经计算后可得到保证稳性要求的最小水线面面积。

当稳性计算要求的水线面面积不能满足作业对运动性能的要求时，可以通过增加船宽来减小稳性对水线面面积的需求。

1.4建造船厂、设备尺寸等限制

船厂对船舶主尺度的限制主要是船坞尺寸及码头吃水，船长和船宽不宜过大，需满足船坞建造的要求，船舶的空船吃水和航行吃水需要考虑建造船厂的码头及航道水深。

上浮体的长度需考虑铺管作业线长度和主吊机吊臂长度的需求，上浮体宽度需考虑主吊机底座和J-Lay塔的尺寸，上浮体高度需考虑主机、配电盘、变压器等设备的尺寸；下浮体的宽度和高度需考虑推进器的尺寸。

1.5压载能力需求

初步确定主尺度和舱室划分后应进行压载分析，压载舱要能满足不同吃水的压载水需求。同时，艏艉两端的压载舱要能满足主吊机回转的压载水调载量需求。

2J-Lay塔布置优化

J-Lay塔的布置位置对于船型设计影响非常大，需要在设计初期确定。目前世界同类船型中，J-Lay塔的布置位置一共有四种：船首、船尾、舷侧、船中月池。该文对四种布置方案的优缺点进行了比较。

2.1J-Lay塔布置在船艉

图1为J-Lay塔布置在船艉的方案图。

图1　J-Lay塔布置在船艉方案

优点:生活区作业区分开；能够使用自带吊机进行J-lay塔拆卸；铺管作业操作方便。

缺点:尾部重量过于集中，不利于船舶总体强度，且船艏需要占用大量压载舱与之平衡，降低航行工况的可变载荷能力；尾部既布置J塔，又布置主吊机，两种设备存在干涉的风险；主吊机作业时需拆除J-Lay塔。

2.2J-Lay塔布置在船艏

图2为J-Lay塔布置在船艏的方案图。

图2　J-Lay塔布置在船艏方案

优点:全船重量分布均衡，对结构设计有利；方便铺管作业线布置。

缺点:生活区作业区重叠，存在较大安全隐患；无法用自带吊机进行J-Lay塔安装、拆卸；生活楼须分成两栋独立小楼，实际使用不方便。

2.3J-Lay塔布置在船侧

图3为J-Lay塔布置在船侧的方案图。

图3　J-Lay塔布置在船侧方案

优点:主甲板能够同时布置两条作业线(J-Lay和S-Lay)；铺管作业操作方便；能够使用自带吊机进行安装和拆卸。

缺点:左舷无法进行驳船靠泊，堆管区上管不方便；上浮体舷侧局部结构难度较大；由于铺管水平张力的存在，布置在舷侧相对于船中增加了一个艏摇力矩，导致对推进器的需求增加；增加船宽后，对建造船厂船坞的要求更高；两舷重量分布不均，需进行配重布置。

2.4J-Lay塔布置在船中月池上方

图4为J-Lay塔布置在船中月池的方案图。

图4　J-Lay塔布置在船中月池方案

优点:方便布置两套作业线，J-Lay和S-Lay能够共用部分作业线;生活区作业区分开；能够使用自带吊机进行J-Lay塔安装和拆卸。

缺点: 船中月池部分影响主甲板作业线布置；J-lay预制线短，预制效率低；船中月池影响结构强度；铺管作业时立管安装等操作不方便。

3船型优化设计过程

船型优化设计是一个不断循环、持续改进的过程，在实际船型设计过程中共有四版设计方案。

第一版设计方案中J-Lay塔布置在船尾，水线面面积约6 000 m2，下浮体高14.5 m，下浮体宽29.4 m，主甲板高45 m。经计算发现，下浮体提供浮力不足，稳性富余较大，船舶垂荡及纵摇运动幅值不满足要求，总纵强度较大，需对船型进行优化。

第二版设计方案中J-Lay塔布置在船尾，水线面面积减小至5 500 m2，下浮体高度降低至13.5 m，下浮体宽增至32.2 m，主甲板高45 m。经计算发现稳性富余仍较大，船舶垂荡明显改善，但纵摇运动幅值仍不满足要求，由于J-Lay塔布置在舷侧，增加的艏摇力矩使船舶的DP定位能力降低，仍需对船型进行优化。

第三版设计方案中J-Lay塔布置在船中月池，水线面面积减小至5 100 m2，其它参数不变，经计算发现船舶垂荡及纵摇运动幅值均已满足要求，稳性计算满足规范要求，水线面面积已经接近稳性极限，但是气隙计算不满足规范要求，仍需对船型进行优化。

第四版设计方案中J-Lay塔布置在船中月池，将上浮体整体提升2 m，主甲板高度增加至47 m，其它参数不变。经计算，船舶各项性能均能满足设计要求。

图5　船型设计循环过程示意图

该文根据实际设计经验对半潜式起重铺管船优化设计过程给出了建议，船型设计循环过程示意图如图5所示。

(1) 设计方首先应根据船东的功能需求，对主要设备的尺寸、重量等参数进行调研。

(2) 确定J-Lay塔布置位置，初步完成主甲板布置，参考母型船或类似船型完成第一版船型设计。

(3) 计算得到空船重量重心、质量回转半径等基本参数。

(4) 核算船舶在空船吃水、航行吃水、作业吃水的排水量是否能满足浮力需求。

(5) 进行稳性计算，根据计算结果确定最小水线面面积，并对立柱尺寸进行调整。

(6) 对船舶的固有周期、运动幅值、气隙等进行计算，根据计算结果并结合该文所述的优化方法对船型进行修正。

(7) 对压载舱和抗横倾舱的舱容进行校核，确保能够满足压载和吊机回转的要求。

(8) 综合考虑各方面因素，对船型及舱室布置进行调整，直至各方面性能都满足规范和船东要求。

4结语

通过中海油此次半潜式起重铺管船概念设计的工程实践，已经基本掌握该类船型设计优化的相关技术。该文根据设计经验对船型优化方法以及优化过程中应该重点考虑的因素、J-Lay塔的布置、船型优化设计过程等方面进行了总结，为今后国内设计人员的进一步研究提供参考。

参考文献

[1]John H. Design of floating structures [J]. Elsevier Science, 2006,8(1),51-52.

[2]DNV-RP-C205. Environmental conditions and environmental loads [S].2014.

Hull Optimization for Deepwater Semi-submersible Crane Vessel

PENG Xiao-jia, SONG An-ke, HE Ning, ZHAO Jie

(Offshore Oil Engineering Co.， Ltd, Tianjin 300451)

Abstract：Semi-submersible Crane Vessel(SSCV) is a kind of column stabilized unit,the main function for this kind of vessel are heavy lifting and pipe-laying.SSCV 's seakeeping performance and weather windows are much better than normal vessel type because of its minimized water plane area. The hull optimization of semi-submersible vessel is a continuous cycle.To finally determine the dimension and shape of the whole vessel and each components ,the designer have to meet the arrangement requirements of equipments and various compartments, also have to meet the needs of stability, buoyancy and ballast, the most important thing is to consider the motion performance. Experience in the hull optimization of SSCV is summarized in this paper.

Keywords：semi-submersible crane vessel; hull optimization; column stabilized unit

基金项目：工业和信息化部海洋工程装备科研项目“水下生产系统设计及关键设备研发(一期)”(E-0813C003)。

收稿日期：2015-03-27

中图分类号:U69

文献标识码：A

文章编号：1001-4500(2015)06-0020-05

作者简介：彭小佳(1985-)，男，工程师。