T型导管架下水驳船设计建造过程中的控制要点

王飞跃李 治李雪松党　 博丁永海（.深圳海油工程水下技术有限公司 深圳58067； .海洋石油工程股份有限公司安装公司 天津00480；.海洋石油工程股份有限公司设计公司深圳分部 深圳 58067）

T型导管架下水驳船设计建造过程中的控制要点

王飞跃1李 治1李雪松2党 博3丁永海1
（1.深圳海油工程水下技术有限公司 深圳518067； 2.海洋石油工程股份有限公司安装公司 天津300480；3.海洋石油工程股份有限公司设计公司深圳分部 深圳 518067）

在海洋油气的开发中，下水驳船承担着大型结构物（如导管架、组块等）的装载、运输、下水和安装等角色，尤其是超大型导管架（例如荔湾3-1项目32 000 t导管架）的滑移下水，更是下水驳船所独有的功能。该文重点从导管架下水设计的角度出发，以18 000 t T型导管架下水驳船为例，介绍了在设计和建造此类下水驳船中，需要控制的一些技术要点，从而为今后同类船舶的设计建造提供借鉴。

T型导管架下水驳船；监造；主要性能；控制要点

引　言

在海洋油气资源开发过程中，常使用甲板驳船进行大型或超大型结构物的运输和安装。该类驳船主要依靠调整压载水，使驳船前后产生倾角或上下产生高度差，从而实现滑移下水或浮托安装。由此，融合了滑移下水和浮托安装这两大功能，且能适当缩小不必要的甲板面积，提高甲板承载效率的T型（凸字型）导管架下水驳船应运而生。它不但具备大型导管架的滑移下水功能，还具备海上组块的浮托安装能力，并能运输其他大型海洋结构物［1］。

本文以2013年海洋石油工程股份有限公司建造的一艘18 000吨级T型下水驳船为例，重点选取导管架下水过程的工况要求进行分析，对T型导管架下水驳船设计和建造中的控制要点进行阐述。

1　设计中的控制要点

通常使用T型下水驳船进行导管架滑移下水的导管架的质量为4 000 ～30 000 t，超过30 000 t的超大型导管架经济性较差，所以在实际海洋油气开发中较少应用。使用下水驳船进行导管架下水和组块浮托安装，可以节省使用大型浮吊资源的费用，提高海上安装效率。

图1为导管架滑移下水过程示意图。驳船被拖轮牵引到设计位置后，驳船通过压排载使船体逐渐倾斜，达到一定角度时，导管架克服静摩擦力沿着滑道滑动，导管架最终与驳船完全分离，实现导管架滑移下水。

以18 000吨级T型下水驳船为例，根据导管架装船和下水各工况，在船舶设计阶段，驳船的摇臂等结构件不仅要满足18 000 t导管架滑移下水的要求，还包括整体船舶稳性和强度、船体过渡区域结构强度、船舶调载能力等进行计算和配置选型。

图1　导管架滑移下水过程示意图

1.1 驳船主尺度及参数

18 000 t下水驳船的主尺度及主要参数见表1。

1.2 T型结构的选取

表1　18000t下水驳船主尺度　m

18 000 t下水驳船是世界上第一艘全新设计建造的T型驳船，之前现存的T型驳船主要是由方形驳船改造而成。T型结构的驳船相当于是在方形驳船的尾部区域左右舷各增加一个浮箱，以提高尾部区域船体的浮力，缓解牵引装船时调载的压力（见下页图2）。放宽的尾部区域共计增加8个压载舱，既有利于装船或下水过程中的调载稳性控制，也提高了装载量，而窄部区域则便于实施浮托安装。

图2　18000t下水驳船舱室划分图

采用T型结构的缺点是增加了拖航过程的阻力以及横向装船的难度，航向稳定性也受到影响。为改善拖航中的航向稳定性，在驳船尾部中心和左右对称处共设3道呆木。在设计阶段进行的船模试验也验证了拖航阻力及航向稳性的改善。

1.3 船宽过渡区域强度控制

船宽过渡区域是结构的薄弱区域。设计中采用有限元分析法，就各工况对该区域的强度进行校核，本文仅以水下工况为例进行论述。过渡区域计算模型沿船纵向从FR20横舱壁到FR50横舱壁，横向从左舷舷侧到右舷舷侧，垂向从船底板上至主甲板。

导管架下水是一个连续的动态过程，最危险的工况之一是导管架即将倾斜而此时船正处于中拱状态。计算所选工况为：驳船尾倾9°，船尾部下水23.1 m。根据下水分析计算结果可知FR20的端面弯矩为3 543 363 kN·m，FR50的端面弯矩为3 152 212 kN·m。

图3　船宽过渡区域强度校核模型

参照CCS《油船结构强度直接计算分析指南》第8章《强度标准》要求［2］，舱段分析中主要构件的许用应力如下页表2所示，其中H32高强钢的材料系数取为0.78。

表2　船宽过渡区域主要构件的许用应力值

导管架下水工况下计算船宽过渡区域结构构件板单元最大平均应力值见表3。

从计算结果看，考察的船宽过渡区域结构的最大应力值小于许用应力值，结构强度满足规范要求。

表3　船宽过渡区域主要构件的最大核算应力值

1.4 摇臂系统强度控制

在导管架下水的过程中，当导管架重心移至铰接件正上方（即摇臂将转动）的时候，摇臂将承受导管架的大部分质量。对于摇臂结构来说，此种情况最危险，需采用有限元计算方法， 对摇臂结构的强度进行校核。图4为摇臂强度校核模型。

图4　摇臂强度校核模型

在导管架下水过程中，浮力对导管架的支持作用将逐渐增大。根据导管架下水驳的下水分析，导管架的浮力不小于导管质量的20%。取导管架排除浮力后的质量为原质量的80%，并假设导管架施加到每根摇臂上的载荷是一样的，当导管架滑靴与摇臂之间发生相对移动时，滑靴与摇臂之间将产生摩擦，导管架木质滑靴与摇臂顶部聚四氟乙烯垫片之间的摩擦系数取为0.06。由于此摩擦力相对于导管架压力较小，故忽略不计。所以，对于18 000 t的导管架，取每根摇臂承受的载荷为7 200 t。将7 200 t分为两部分施加到摇臂上，将其40%换算成均布载荷施加在摇臂的全长上，将其60%均分为两部分，分别施加到摇臂的两端（参见下页图5）。

图5　载荷分布示意图

由此可得：

q = 0.4×7 200 t/（27.7 m×1 m）= 104.0 t / m2

q′= 0.5×0.6×7 200 t /（4 m×1 m）= 540.0 t / m2

式中： “27.7 m”为40%载荷在摇臂上分布长度；

“4 m”为60%载荷在摇臂上分布长度的一半；

“4 m”为摇臂与铰支座接触宽度。

参照CCS《海上移动平台入级规范》（2012版）第2篇第3章第4节第2条的相关规定［3］，在静载工况下，对于轴向拉压或弯曲应力，结构构件的安全系数应为1.67；对于剪切应力，结构构件的安全系数应为2.50；对于等效应力，结构构件的安全系数应为1.43。摇臂的材质为H36高强度钢，其屈服极限为355 N/mm2。构件内各种应力的许用值为：

［σ］= 1 / 1.67×σ屈服

= 1 / 1.67×355 N/mm2= 212 N/mm2

［τ］ = 1 / 2.50×σ屈服

= 1 / 2.50×355 N/mm2= 142 N/mm2

［σe］= 1 / 1.43×σ屈服

= 1 / 1.43×355 N/mm2= 248 N/mm2

表4为摇臂各部件屈服计算结果。计算结果表明，在下水工况，摇臂结构上的应力未超过许用值，结构屈服能够满足规范要求。

表4　摇臂各部件屈服计算结果　N/mm2

1.5 船舶压载能力的控制

根据本船设计规格书要求，船舶可在青岛、湛江、赤湾三地装船。由于不同码头滑道的最小高度及驳船本身滑道距主甲板2 000 mm高，所以装载作业受到以下限制：

（1）码头滑道距水面的最大高度为9.60 m；

（2）首部最大结构吃水为11.5 m；

（3）允许潮汐变化为4.50 m；

（4）最大潮汐变化速度为1.0 m/h。

表5　船舶主作业码头相关参数　m

装船时，需要根据码头的潮汐变化，通过压排载使船上滑道和码头滑道保持在同一个水平面上。由此可知，当压载泵的排量越大、压排载能力越强时，就越容易满足不同码头的装船需求。但是，随着压载泵排量的增加，进出口管径也会随之增大，从而影响压载系统透气管的直径。从图6可以看出，随着压载泵排量增加，透气管直径增加，船舶成本也相应增加，而船舶的经济性却降低了。由此可见，最优的选择是两条曲线交点处对应排量的压载泵。据此，本船设6台排量2 300 m3/h的压载泵，分别布置在首尾泵舱，其中2台作为备用泵。压载管系原理见图7。

图6　透气管直径、船舶经济性与压载泵排量关系示意图

图7　压载管系原理

下页表6为各管系的管径参数，透气管的管径满足《CCS 钢质海船入级规范》要求［4］，系统的压载能力可满足上述三地码头、潮汐情况的导管架装船要求。

1.6 发电机组的选择

本船设4台柴油发电机组（3台500 kVA主发电机和1台188 kVA辅发电机），为船舶提供动力电源。正常作业工况时，2台主柴油发电机和1台辅柴油发电机并联运行，1台主柴油发电机备用；停泊工况时，一般开1台辅柴油发电机，冬季工况时，考虑开1台主柴油发电机，以满足用电要求。

本船设自动电站1套。自动电站具有遥控、手动起动发电机、自动进行负载分配、自动并车、手动并车等功能，以保证电网供电的连续性和经济性。本船所选用的3台主柴油发电机和1台辅柴油发电机调速特性曲线相似，可以通过调速来完成并车运行。为满足船舶作业时用电要求，能够实现主辅发电机并车运行。

表6　各管系管径核算对照表

对于本船，装船作业时，需要压载泵及扫舱泵来纠正船舶负载，通风机限制机舱及泵舱温度；下水作业时，需要压载泵进行压载，通风机限制机舱及泵舱温度。

考虑船舶所有电气设备额定功率及相应需用系数，计算得到各区域或系统需求功率，以导管架装船为例进行计算（见表7）。

表7　装船及下水作业各系统需求功率表

间歇负载考虑同时使用系数0.4：

P2= P1×0.4 = 517.40 kW×0.4 = 206.96 kW。

连续负载考虑同时使用系数0.8：

P3= P1×0.8 = 1 003.43 kW×0.8 = 802.74 kW。

实际总需求功率P4：

P4= P2+ P3= 206.96 kW + 802.74 kW = 1 009.70 kW。

考虑电网损失5%时的功率P5：

P5= P4×105% = 1 009.70 kW×105% = 1 060.19 kW。

通过表7内容可以看出，对于导管架装船工况，需要3台主发电机和1台辅发电机并联运行，此时用电负荷为79%；对于导管架下水工况，需要2台主发电机和1台辅发电机并联运行，此时用电负荷为85%。综合以上分析，本船配备的供电设备在容量上能满足本驳船各种作业工况下的电力需求。

1.7 PE管的使用

在建造中，考虑到本船压载系统排量巨大的特点，为尽量减小管道流阻和提高泵的效率，不仅对压载系统中口径大于或者等于DN700的管系涂装形式由镀锌改为内壁纳塑钢涂敷（外壁正常涂敷），还同时对压载泵、扫舱泵、舱底泵等进行内部和叶轮的纳塑钢涂敷。这样既减少了工作量，也使管子的使用年限增加一倍。此外，通过与设计院共同论证，对本船压载管系、压载透气管系、压载扫舱管系等的压载舱室内的部分管线采用PE塑料管。改用PE管后，船体质量比使用钢管时轻了约150 t，且省却了钢管施工中的大量管材焊接、除锈、镀锌及油漆喷涂等工序，从而实现整个建造工程的节能减排。

2　建造中的控制要点

船舶建造涉及多项专业，既要按分工各自完成，又要互相协作和配合。如果建造工作量巨大，监造组更需要同设计单位、船厂、船检部门以及现场施工人员加强沟通，确保现场建造的关键点得到控制。

2.1 设计成果的落实

所有的建造都是在设计成果的基础上进行的，但是，好的设计成果还需要通过建造来落实。在设计阶段，监造组进驻设计院，对设计成果再进行认真的思考和校核，确保设计的合理性和可执行性［5］。建造阶段，监造人员轮班现场巡查，确保现场施工有图可依，按图施工；对于船厂方面生产设计中的变更，相应专业的工程师负责跟踪落实，杜绝出现设计变更和现场施工脱节的现象。

2.2 施工工艺的贯彻

建造开工前，结合本船的结构形式对船厂现有焊接工艺评定（WPS），并且审查了该工艺的可行性和有效性，对于缺少的焊接工艺评定要求逐一补上，合格后才可准予施工。此外，施工前与设计、施工、质检人员、现场验船师召开技术研讨会，针对本船建造过程中有关问题进行深入交流和探讨，提出建造中的难点和重点，编制详尽合理的施工工艺也是必不可少的。

本船摇臂结构和船宽过渡区域，存在大量的高强钢和厚板的焊接工作，焊接前进行焊接工艺评定，编制相应焊接工艺文件，焊接工艺文件中对焊前预热、层间清理、反面清根、焊后保温缓冷以及焊后热处理等都有明确的要求和规定。如对本船摇臂轴的焊接工艺明确提出：焊前须预热到150 ～300℃，焊后须加热到500℃，恒温1小时后保温缓冷。因此，监造人员应不定时进入现场进行查验，确保工艺贯彻到现场施工中。此外，这些部件的焊接人员除必须具备相关的资质及相应位置的焊接能力，还需实行先考试后上岗制度。

2.3 建造质量的控制

对建造质量的监控是船舶监造最为根本的目的，也是贯穿整个建造过程的一项工作。本船采用监造项目组和接船项目组统一管理的模式，为充分调动船员工作的积极性及与监造组工程师的无缝衔接，船员在监造组成立初期便逐步分批加入，参与现场质量验收工作。为保障船舶建造质量，监造人员应根据专业进行不同的职责划分，通过专业知识来强化质量管理［6］。要求船厂质控人员时时深入现场，对建造过程进行严格把关，在遇到质量问题时不能因局部而影响整个造船进度和建造质量，做到早发现、早解决。在整个建造过程中要积极联系船厂各职能部门，与他们沟通合作，对存在的问题采取不回避、不妥协、不放过的原则，坚决整改，使整个造船质量合格达标。

2.4 良好人际关系的构建与把控

在船舶监造工作中，处理好各种人际关系也是监造人员的重点工作内容之一［7］。尤其在现代船舶监造中，监造人员需要处理的关系包括：设计单位设计员、船级社验船师、船厂设计人员、船厂质检人员以及船厂施工人员等，所以，良好的沟通和健康和谐的人际关系尤为重要。良好的沟通可以为船舶建造工作提供和谐的关系与协商环境，促进船舶制造过程的有序开展、促进建造的顺利进行。健康的关系可以保障沟通的高效与便捷，增加监造人员同设计人员、船厂建造人员之间的互信，有利于提高建造效率，提升建造质量。在监造工作中，监造人员应以保证船舶的建造质量为基本原则，以严谨认真的工作态度促进船舶建造工作的顺利开展；以尊重互信的友谊促进高效沟通；以良好的沟通协调促进船舶建造平稳运行，进而实现对工作进度和质量的监控目的。

3　结　论

18 000 t下水驳船作为世界第一艘新建的T型下水驳船，在设计和建造中虽然有类似的船舶可以参考和借鉴，但也遇到许多全新的问题。在项目建造过程中，根据本船在施工作业中的特点，通过对关键区域或部件各阶段的重点控制，从而确保该船的建造质量，该船在2013年9月投入运行至今已安全完成近十个海上安装的施工作业，取得了良好的经济效益。

［1］ 徐田甜，张美荣.导管架下水驳船的“浮托法”安装改造研究［J］.船舶，2009（3）：45-49，64.

［2］ 中国船级社.油船结构强度直接计算分析指南［R］. 2003.

［3］ 中国船级社.海上移动平台入级与建造规范［R］. 2005.

［4］ 中国船级社 . CCS 钢质海船入级规范及其修改通报［R］. 2009.

［5］ 张莹.浅谈船舶管理的方法［J］. 中国水运，2010（8）：10-11.

［6］ 林锡麟.船舶监造工作初探［J］.中国远洋航务，2011（2）：76-78.

［7］ 李宏微.论船舶监造工作的有效开展［J］.科技创新导报，2012（14）：247.

Control points of T-shape jacket launching barge in process of design and construction supervision

WANG Fei-yue1LI Zhi1LI Xue-song2DANG Bo3DING Yong-hai1
(1. COOEC Shenzhen Subsea Technology Co., Ltd., Shenzhen 518067, China; 2. COOEC Installation Company, Tianjin 300480, China; 3. COOEC Engineering Company, Shenzhen 518067, China)

The jacket launching barge is in charge of the loading, transportation, launching and installation of large structures, as the jacket and blocks, during the development of offshore oil and gas. It has a unique function of huge jacket launching (e.g. the 32 000 t jacket of Liwan 3-1 project). From the design of jacket launching, the present study mainly introduces some technical control points in the process of the design and the construction for a 18 000 t T-shape jacket launching barge. It can provide reference for the ship design in future.

T-shape jacket launching barge; construction supervision; main functions; control points

U615.35+2

A

1001-9855（2016）04-0005-09

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2016.04.005

2016-03-07；

2016-04-08

王飞跃（1966-），男，项目经理，研究方向：海洋工程现场施工及海工船舶监造等方面。

李 治（1987-），男，助理工程师，研究方向：海洋工程现场施工及海工船舶监造等方面。

李雪松（1989-），男，助理工程师，研究方向：海洋大型结构物现场安装及海工船舶监造等方面。

党 博（1988-），男，助理工程师，研究方向：海洋工程项目设计等方面。

丁永海（1988-），男，助理工程师，研究方向：海洋工程项目设计等方面。