5 920 kW多功能深水环保船设计

夏华波，黄国良，许海东

(中海油能源发展采油服务公司，天津 300451)



5 920 kW多功能深水环保船设计

夏华波，黄国良，许海东

(中海油能源发展采油服务公司，天津 300451)

5 920 kW多功能环保船是服务于东海和南海的深水海洋工程辅助船，针对其船体及其特殊系统，从总体性能、结构设计方面进行介绍，采用球鼻艏、双艉鳍、侧推器、动力定位、被动式减摇水舱等先进技术优化了船舶各项性能，分析溢油回收特殊系统的原理与组成。

深水；环保船；溢油回收；动力定位；减摇水舱

5 920 kW多功能环保船为深水系列9艘环保船中的首制船，于中船黄埔文冲船厂建造完工并交付使用，用于东海和南海深海海域的测试井液接收/返输，及海上溢油防治工作。主要具有如下作业功能：①接收/返输测试井液；②溢油监测与回收、消油；③海上平台供应(燃油、淡水、钻井水、散料、钻井器材及生活用品等)；④承担平台的守护、救生、值班等任务(搭乘获救人员100人)；⑤对外进行消防灭火(FIFI1)；⑥具有二级动力定位(以下简称DP2)功能；⑦输灰功能；⑧油品化验功能；⑨溢油应急指挥功能；⑩满足中国船级社(CCS)浮油回收作业船以及对油田守护船、近海供应船及一级消防船的有关要求和规定。

1 总体性能

船舶主要参数见表1。

表1 深水环保船主要参数

1)适航和耐波性。本船能在14 m有义波高、12级蒲福氏风和相应的9级浪海况下安全航行。设计时考虑到中国海域波长的特点，基本上该船均能跨越2个波长，具有良好的纵摇性能。横摇方面，安装了总容积260 m3的被动可控式减摇水舱，极大改善了其抗横摇性能。

2)快速性。本船Fr为0.298，属于中高速船[1]，额定功率航速为15.4 kn。船型参数方面，采用小方型系数与中等棱形系数；形状和结构方面，对艏艉和水下线型进行了优化并采用球鼻艏和双艉鳍船型，这些措施有效降低了船舶总阻力[2-3]，本船具有优秀的快速性。

3)抗沉及防污性。本船燃油总量超过600 m3，根据MARPOL 附则12A要求，燃油舱需双壳保护。综合考虑，全船均设置双底双壳，有效提高了环保船的抗沉及防污性能。

4)甲板载货性能。环保船具有油田守护和物料供应能力。在其中后部主甲板上布置了有效面积520 m2的甲板载货区，配备了折臂吊、移货绞车、尾滚筒，最大供货能力700 t，甲板均布载荷为60 kN/m2，在现役环保船中载货能力最大。

5)操纵性。本船采用4机、双可调螺距桨、双流线型悬挂式襟翼舵、2台电动液压转叶式舵机。设综合控制台，可对主机转速、可调桨螺距进行综合控制，使主机始终保持最佳工作状态。可进行DP2定位和原地回转，有3台电机驱动液压调节的可调螺距侧推器，其中艏侧推为1台95 kN， 1台65 kN， 艉侧推为65 kN，使其在高速、低速、回转或靠泊等各工况都具有良好的操纵性。

深水环保船总布置见图1。

图1 深水环保船总布置

2 结构设计

本船长小于90 m，船型为双底双壳，从艏至艉有阶梯式多道纵舱壁，总纵强度容易满足规范要求，因此，其主要采用横骨架式，重点关注局部强度及施工工艺问题。①主甲板，载货区平均载荷为60 kN/m2，考虑局部重量、冰载荷，本船主甲板采用横骨架式较为合理，设置强横梁、对应处设强肋骨，机舱区设甲板纵桁，并设置支柱加强。载货区主甲板及其甲板边板都相应加厚以承受拉应力及重荷。为了防止货物与钢甲板的撞击及防滑，载货区主甲板上铺设75 mm厚的木材。②舷侧，对应甲板骨架，舷侧亦为横骨架式，双壳结构，考虑到舷顶列板因为承受较大的总纵弯曲力，故加厚2 mm。③船底，船底为横骨架式，在艉侧推舱前壁至首侧推舱前壁设有双层底，设中纵桁，机舱区主机座纵桁代替旁桁材。单底处，设有水密中纵舱壁或中内龙骨。④机舱开口，机舱处设有大开口，以便维修，它破坏了甲板连续性，减少了剖面抗弯模数，不利总强度，易应力集中、发生扭曲变形甚至断裂风险。因此，舱口4个角隅设计为半径不小于200 mm的圆角，角隅处板厚局部加大，舱口周边设置纵桁、强横梁等强框架形成结构均匀过渡。⑤舷墙，设有全船舷墙，考虑深水作业环境恶劣，舷墙高度约1 400 mm，为了防止舷墙被撞坏，每隔2个肋位设折边肘板，舷墙开口处，舷墙板适当加厚。⑥护舷，由于经常靠离平台、码头，考虑实际防碰需求，主船体设双道钢质护舷材，参照CB*3277-85A型护舷材设计，板厚同船舯0.4L处舷侧外板的厚度，在艏部顶推区及艉部与圆弧处装有橡胶护弦。⑦舭龙骨，为了改善船舶性能，参照CB*3186.2-84设计舭龙骨，考虑如下因素：舭龙骨沿流线方向设置，不影响水流且可充分发挥减摇效果，约为船长的1/3；搁浅触底时形状不致折损；与其他船临近时舭龙骨需不致碰坏。

结构减振措施如下：①纵向构件保持良好连续性与过渡；②主机基座纵桁与船底骨架连成一体并延伸至舱壁；机舱内设支柱加强；③适当减小艉部构件跨度，以增加刚性；④在锚机、绞车、舵机、艇架、消防炮、缆桩、折臂吊、扫油臂底座、消防炮、烟囱及信号灯桅等处结构进行局部加强；⑤尾滚筒处结构进行局部加强；⑥本船设有双艉鳍呆木结构，艉轴从艉鳍呆木通过。因此在双艉鳍呆木、艏艉侧推结构处作适当的结构加强与处理；⑦在主机、齿轮箱及主推进装置、轴带发电机组、轴带消防泵组、柴油发电机组、锅炉等设备的船体结构处作相应加强。

3 船体设计特点

3.1 球鼻艏和双艉鳍

合理的球鼻艏可减小兴波阻力、破波阻力、降低推力减额、提高船舶推进效率[4]。此外，球鼻艏可以调节纵倾，增加船舶浮力。鉴于本船Fr为0.298及以上原因，故安装球鼻艏。设计中以球艏几何特征中的长度、高度、横剖面面积为自变量，在保证船舶排水体积基本不变的情况下，以母型船为参照，根据球艏几何参数的变化，通过CFD计算得到阻力最小的球艏特征值。

图2为球鼻艏和双艉鳍。

图2 球鼻艏和双艉鳍

一般认为船宽吃水比<2.5，>4分别用单桨、双桨，两者之间单双桨皆可，本船比值为2.93，单双桨皆可选。然而，本船靠离港、平台作业频繁，单桨机动性差，靠离泊作业时难度高。另外，本船为浅吃水船，用单桨会产生如下问题：①由于桨径受限，为达服务航速，桨负荷会很大；②艉部型线设计困难、流场差、舭涡大，导致桨效低、振动和噪声大。双艉鳍型与常规双桨船相比有如下特点：双艉船型的单个艉体宽度为整船宽的40%～60%，因而相当于增大了长宽比，有利于降低粘压阻力；改用双艉后桨径可以增大，敞水效率有所提高，可获得较高推进效率；省去了对阻力不利的附体，充分利用了伴流，可得到显著的节能效果。所以本船采用双艉鳍双桨。

3.2 侧推器

进港时船速逐渐降低，舵力产生的转船力矩逐渐减小，控制航向能力逐渐变差[5]。为了解决这个问题提出了另一种保证转船力矩的方法，即在船上安装侧推器。该装置具有变螺距功能，通过螺距控制系统，可操纵推力的大小和方向。同时使用双侧推器效应，转船效率比单独使用首或艉侧推器的效率高得多。如图1所示，本船即同时设有2个艏侧推和1个艉侧推。

本船侧推开口导致该处流场破坏且船体阻力明显增加，同时，开口影响了进出孔口的流线光顺。船模试验表明[6]，当侧推孔直径与船长之比较大时，设计航速时阻力增值竟可达26%。侧推孔导致增阻的原因是水流对侧推孔后壁的冲击。减少侧推口引起的增阻一般都在开口后方设导流槽。本船两艏侧推孔相邻，前侧推孔如开设导流槽，则前导流槽必与后侧推孔重叠，造成后侧推孔前壁更加减少，会导致后侧推孔导流槽深度加大，为避免上述情况，将前侧推孔导流槽取消，代之以侧推孔前方的导流罩，后侧推孔仍以导流槽降阻。导流罩高度和导流槽深度决定的原则是侧推孔前、后壁在对称平面上投影相等，导流罩和导流槽的方向由船模流线试验决定。

3.3 动力定位

3.3.1 配置DP2系统的原因

①环保产业发展的需要。只有配置了DP2系统才能让环保船实现其新的不同功能，让该船能够满足将来其他应急需求，如水下管线溢油清理堵漏、海底环境保护等各种工况作业。②现有技术满足DP2配置需求。该船采用四机双可调桨主推进系统，单机功率1 520 kW，并设有3个侧推，艏部2个侧推分别为95 kN和65 kN，艉侧推为65 kN。此配置保证了本船灵活的操纵性和富裕的功率储备。按照本船已有的设备配置和作业性质，经过计算分析，能够满足一般海况下DP2作业的功率需求。③额外增加费用可控。该船的DP2系统是在原设备配置基础上增加的，其增加部分主要包括以下内容：DP2控制系统、额外的配电系统和机舱管路。总公司批复的本船单船投资费用约1.65亿元，增加DP2系统需要283万元，该额外费用仅占单船投资额1.7%，项目总体费用仍可控，且无需额外增加投资费用。④提高船舶安全性。无DP系统的船舶需要船长时刻综合风、浪、流对船舶位置的作用，保证船舶与平台的安全位置，其工作量相当大且风险高。为避免近年因船舶操作失误导致误撞平台的事故发生，需要作业船舶配备动力定位系统。

3.3.2 NavDP4000功能与配置

本船设DP2系统一套，采取双套配制，具有冗余功能、自动航迹模式，配联合操纵(JOYSTICK)系统和单手柄。DP2系统由测量用传感器、计算机系统、控制系统及推进系统等组成。

①测量用传感器系统组成为电罗经2套，其中DP供一套，另一套由航行设备提供；运动参考单元2套；风向风速仪2套，其中DP供1套，另1套由航行设备提供；差分式全球卫星定位系统(DGPS)2套；激光雷达1套，用于近距离精确测距，配反光镜6套。②专用计算机系统用来接受来自传感器的电信号，经过比较，计算处理之后，向主推进、侧推及操舵装置发出系列控制指令。③控制系统主要由DP2控制台、DP2操纵手柄、主推进控制板，侧推控制板，控制系统转换板，显示报警板及电源板等组成。④推进系统由2台主推进装置(可调螺距桨)和3台侧推装置组成。电源系统由主电源和备用电源组成。主电源供电给侧推、舵机及它们的控制启动装置。备用电源为UPS，可在全船失电的情况下，对计算机及控制系统进行应急供电。

动力定位能力按冗余技术设计，在蒲福氏7 级风、6 级巨浪、1/3有义波高为4.0 m、海流为1.5 kn的海况条件下，满足安全作业要求和全方位操控定位要求，见图3。

图3 动力定位布置

DP2系统具有：保持指定位置、目标定位、自动搜寻最佳船首位置、转向点跟踪、变换回转中心、自动航行、平行移动等功能。该船共配备了5个推进器T1～T5，艏部2个侧推，艉部1个侧推与2个主推进及舵。各推进器位置如表2，DP定位能力见表3。

3.4 可控被动式减摇水舱

3.4.1 系统原理及组成

本船在#90～#101肋位设可控被动式减摇水舱(以下简称“ART”)(见图4)，舱长6.6 m，边舱宽3.8 m，舱容约260 m3。系统由空气或液压操纵，关闭或开启时间2～3 s，减摇工作适用范围6.8～14 s(船舶自摇周期)，减摇效果约40%～60%(低速时)。

表2 推进器参数

表3 DP主要计算结果

图4 减摇水舱设备组成及原理图

ART是有效利用水舱里的液体从高处流向低处的自然原理，达到减轻船体横摇的装置[7]。安装在本船的ART为U形可控被动式减摇水舱，加上通过改变周期的办法，能对应广泛的横摇周期范围，系统组成及原理如下。

①本船ART是将船体的两舷上用2区域划分方法构成的翼舱，其底部相连通(以下简称“下部通道”)，构成了横剖面为U形的ART，在2舷翼舱上部通过空气阀设置，构成连通的空气管道。②按照现有的水舱布置条件，在低速航行时减摇效果约为40%，低速范围是从停泊状态到约7 kn之间。③本船设定了4种水舱固有周期，为了长时间达到最佳减摇效果，系统自动选择最合适的一种来控制液体，由此适用于8.0～14.5 s的广泛横摇范围。④通过下部通道阻尼挡板改变水舱的固有周期，由液压约在2～3 s内完成该操作。若遥控装置发生故障，可通过手动操作来控制下部挡板和空气管道的空气阀。⑤当检测到大于设定的平均横摇周期(具体为设定范围以外的周期，≥14.5 s)时，ART将自动停止工作，具有事先预防横摇加剧的安全功能。

3.4.2 减摇效率

(1)

式中：φCT——水舱的静特征数；

ρ——水的密度，取为1.0 t/m3；

S——U形减摇水舱单个翼舱的横截面积，本船为15 m2；

h——减摇水舱翼舱中水位等效高度(水舱不露底时)，本船为1.05 m；

c——减摇水舱翼舱中心到船体中心线的距离，本船为6.745 m；

Δ——排水量；

减摇水舱和船舶发生谐摇时，水舱效率为

(2)

减摇水舱的平均效率为

(3)

平均波倾角为

(4)

式中：H——波高；

T——波浪周期。

4 特殊系统设计(溢油回收系统)

舷侧内置式溢油回收原理见图5。

图5 溢油回收原理及布置

回收作业时，环保船先布放扫油栏，收紧首部牵引绳，使支撑臂向外展开大于90°，再以相对水流0.5～3.0 kn的速度前进，此时扫油栏在水阻力和支撑臂及牵引绳共同作用下将与船体形成“V”形收油区，船在污油区逆行，含油污水由围油栏和船体从侧门引入收油机室，在导水装置作用下，含油污水在收油机室内通过溢油回收系统的回收模块被过滤和回收。处理后的水由导水装置排至收油区进行二次回收，从而提高了回收彻底性。当溢油为轻、中质油时，含油污水通过轻、中质油回收模块进行处理，当溢油为中、重质油或含漂浮垃圾较多时，提起轻质油回收模块的动态真空撇油器，水流直接将浮油和垃圾带至重质油回收模块的刷式撇油器，收油刷芯将回收物质携带至洁刷器处，由洁刷器将粘附在收油毛刷上的溢油收集到集油槽内，输油泵将溢油从集油槽输送到溢油回收舱中，收油毛刷携带的垃圾存留在集油槽上方的垃圾栅上，由人工回收。

5 结论

5 920 kW深水环保船能为复杂海况下深水油气开发提供多功能服务，设计采用当前多种新技术、新设备进行船型与性能优化、功能与布置优化，特别对恶劣海况下新船型开发、特种作业设备、动力定位技术应用等进行了深入的分析。与现役环保船相比，进行了多项优化，增加了主尺度、扩大了运载能力、实施了燃油舱双壳保护、拥有DP2和改进式溢油回收等多项先进功能，使该型船主要技术性能和功能达到国内同类型船先进水平。

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[7] 谭越.U形被动减摇水舱研究[D].大连:大连理工大学,2003.Design of 5 920 kW Multifunctional Deep Water Environmental Protection Vessel

XIA Hua-bo, HUANG Guo-liang, XU Hai-dong

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300451, China)

The 5 920 kW multifunctional deep water environmental protection vessel is a deepwater offshore auxiliary vessel serving in East China Sea and South China Sea. With regard to the hull structure and its special systems, the overall performance and structural design were introduced. Optimization of ship performance is implemented by bulbous bow, twin skeg, thrusters, dynamic positioning, passive anti-rolling tanks and other advanced technology. Besides, principle and composition of oil spill recovery system is given.

deep water; environmental protection vessel; oil spill recovery; dynamic positioning; anti-rolling tank

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.013

2016-07-10

工信部项目(工信部联装[2012]537)

夏华波(1984—)，男，硕士，工程师

U662.3

A

1671-7953(2016)05-0049-07

修回日期：2016-08-10

研究方向:船舶设计与建造

E-mail:xiahb@cnooc.com.cn