50 000 t半潜船下潜试验关键技术

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(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451;2.中集船舶海洋工程设计研究院有限公司，上海 201206)

半潜船属于特种运输工程船舶之一，主要用于运输大型海洋工程结构物、大型门吊、储油罐、潜艇、军舰等[1- 2]。与常规的货船相比，半潜船装货方式跟浮船坞类似且具有自身的特点。浮船坞两舷有坞墙，在下潜及上浮过程中水线面面积变化较小，船体外形对稳性的影响较小。半潜船为装运较宽大的货物而布置有无障碍的直通主甲板，且为了保证主甲板在完全入水后能增加水线面积，提高稳性，在船艉安装一对可移动的浮箱。半潜船在载运大型浮体货物时，先打压载水使船潜到水面以下一定深度，然后将待运漂浮物拖运到主甲板上方并定位，再通过排出压载水使船上浮并调整相应的浮态，使货物落在主甲板上浮出水面，牢固绑扎后进行运输。半潜载运方式独特，相比大型浮吊，能够安全高效地载运更大尺度及重量的大型货物[3]。

本半潜船为三岛式设计，主甲板浸没后，露出水面的只有艏楼及艉部一对浮箱，此时船舶自身的水线面面积很小，横向初稳性高较小，下潜过程见图1。半潜船横向初稳性高在下潜过程中存在“颈部”现象，主甲板浸没后，横向初稳性高急剧减小甚至可能出现负值，压载操作不当可能导致船舶倾覆的危险，因此对半潜船下潜过程中的关键性的影响因素进行研究是非常必要的。

50 000 t半潜船主要技术参数如下。

总长：227.00 m；

垂线间长：220.60 m；

型宽：43.00 m；

型深：13.50 m；

设计吃水：10.00 m；

设计航速：14.5 kn；

总吨：43 788；

船员：55人；

船级符号：CCS；

主机类型：MAN 14V32/40。

图1 50 000 t半潜船下潜过程

1 下潜初稳性分析

1.1 下潜过程中初稳性分析

半潜船随着吃水的变化，船舶静水力参数也随之变化，进而影响船舶的初稳性。船舶初稳性高公式为[4- 5]：

(1)

(2)

(3)

本船入级CCS，下潜作业稳性衡准及环境条件应满足CCS船级社《钢质海船入级规范》第2篇第1章1.9.6要求。

1.2 下潜工况

在下潜过程中，由于打压载水是一个连续的过程，因此需要考虑中间过程中最不利的情况。对于每个步骤中发生变化的压载舱，无论是部分装满或满舱，应按照最大的自由液面力矩修正。表1为下潜过程中的配载工况。

表1 下潜工况

1.3 自由液面的影响

(4)

式中：ρ为液体密度；ix为自由液面的面积对倾斜轴线的纵向惯性矩；Δ为排水量。

表2 20个惯性矩最大的舱自由液面的修正

2 下潜过程关键性控制因素

空船下潜过程中，当主甲板刚完全浸没时，船体水线面突然减小，稳性值达到最小。为了使稳性参数平稳过渡，防止快速切变，及时预防可能发生的不利情况，通常采用艏倾下潜，一般纵倾角控制在2°以内。从艏部先入水，然后逐渐过渡到尾部，使主甲板缓慢淹没。

在主甲板即将入水前，由图3主甲板刚浸没时压载水配载工况可知：85%以上的压载舱已经打满，至最大沉深，剩余需要打压载水的舱并不多。主甲板入水后，随着吃水的增加，稳性有逐渐升高的趋势，因此下潜关键节点是控制主甲板刚入水时的稳性满足衡准要求。自由液面对稳性的影响非常重要，如何减小液舱自由液面的影响，使满压载舱确保满舱是关键，实际操作压载下潜过程中的影响因素有：

2)空气管U形弯。压载舱的空气管在安装时往往存在着空气管避让结构和管路的现象，将导致上行或者下行的U形弯管存在。在下潜过程中，海水一旦进入空气管路就会在U形弯管的部位形成水堵现象，导致压载舱内部形成密封的空气气囊，压载舱难以压满，形成不利的自由液面修正而影响稳性。

3)压载空压机的真空度。压载空压机通过反抽形成负压，较高的真空既能保证较高的压载速度，又能确保少量的水不会在U型弯管部位形成水堵现象。

4)液位遥测系统。液位遥测系统需考虑较大的纵倾修正，纵倾值需覆盖到纵倾2°以上。液位遥测表数值一般只到舱室最大高度，这样在正浮的时候对应的是满舱容，而当纵倾较大时舱容小于实际的最大舱容。这样给操作者一个错觉：已经满舱容的压载舱在船舶纵倾时液位遥测会显示90%甚至更低的液位。因此液位遥测表数值录入遥测系统时，在所有的纵倾下对应的最大值都应是满舱舱容。

5)装载仪配载。船舶装载仪能够帮助核算和调整船舶的浮态、稳性和强度，提供操作人员必要的信息，确保船舶的装卸载及航行安全。本船在艏部布置上层建筑，艉部有两个浮箱，中间是平直的主甲板，重量分布呈两头重中间轻，因此在浅吃水压载水配载的时候应密切关注弯矩及剪力在许可范围内。

6)操作系统熟练程度。空气压载系统的操作和传统的泵压载系统不同，下潜时操作者应对该套操作系统熟练掌握。在下潜压载时，当压载舱内部液位高于70%时，应该调节该压载舱的海水系统的比例阀的开度到30%左右，随着液位的增高逐步关小该比例调节阀，从而确保海水不进入压载空气系统。在上浮排载时，压载舱内部的液位低于30%时，应该调节该压载舱的海水系统的比例阀的开度到30%左右，随着液位的降低逐步关小该比例调节阀的开度，以确保大量的空气不会排出到船舶周围而被吸进中央海水冷却系统的海水管路里。

3 压载系统操作

在下潜作业前， 需用压载空压机吹扫压缩空气管，即排压载模式，确保压缩空气管内没有水封。检查其他非工作阀门处于关闭状态。实际操作时至少同时操作一对舱，下面以一个压载水舱为例介绍具体的压载操作。

1)快速进水阶段。打开通海阀使压载舱进水,开启压载空压机负压模式，通过阀调节压载舱内负压,同时不引起空压机的卸载。规格书要求的空压机抽负压值为-50 kPa, 实际卸载值设定不用超过-50 kPa。

2)压载舱满水阶段。监测阀门遥控操作台，压载舱进水量达到70% 时，操作进水阀, 使其开度为30%,减小海水注入速度。当压载控制台MIMIC图显示的舱内水量不再增加时，调节该阀门到全开，同时关闭通海阀。

3)准备下一对舱的操作。若压载水舱无法100%满水，可以反向操作，进行排压载，吹扫压缩空气管内的积水。在液位遥测系统观察到舱内容积有下降后即可停止吹扫，然后重复上述操作。此时通海阀开度可以控制在30%，同时注意此时调整阀开度，从全开慢慢关小，舱内的负压能使液面慢慢上升即可。

4)主甲板入水时的操作。在主甲板入水时，尽可能减慢海水的注入速度，注意海水注入速度的控制是通过可开度调节的通海阀来实现的。而压载舱的透气应一直保持负压模式，不需要用自然透气。

5)注意事项。①不要用泄放管路，若担心压缩空气管内有水封，就反向排压载作业，吹扫管内积水。②作业时不要用自然透气，进水时用空压机抽负压，用集管上的压力调节阀调节负压。③本船艉部泵舱压载系统与压载水处理系统是相连的。应急情况下，艉压载泵与压载水循环泵都可以通过压载水处理系统管路来进行压载水驳运，但此时由于泵的压头高，可能会将水泵至集管间，需安排人员监控集管间的自然透气口。

4 结论

3)由于透气管布置等方面的原因，应该打满的压载水舱可能并没有按照下潜程序要求打满，存在自由液面。在主甲板入水前，85%的压载舱都是满舱，应对满舱反复进行查舱以确保满舱。

4)在打压载水的过程中，空气管U形弯的存在可能形成水堵，难以达到满舱。可采取反吹或调节进水阀开度的方式，限制舱室液面上升的速率及减少液面水的扰动，最终达到满舱。

[1] 焦宇清.50 000 DWT半潜船总体设计综述[J].船舶设计通讯，2010(123):58- 64.

[2] 苏晨.半潜船运输特重大件货物安全控制研究[D].大连：大连海事大学，2012.

[3] 陈柏桥.半潜船运载装卸海洋结构物的可行性分析及压载方案优化[D].天津：天津大学，2009.

[4] 中国船舶工业集团公司，中国船舶重工集团公司，中国造船工程学会.船舶设计手册- 轮机分册[M]. 北京：国防工业出版社，2013.

[5] 杜嘉立，姜华.船舶原理[M].大连：大连海事大学出版社,2011.

[6] 张泉，田佰军.半潜船空载半潜作业时初稳性研究[J].中国水运，2015, 15(9):38- 39.

[7] 盛振邦,刘应中.船舶原理[M].上海：上海交通大学出版社，2004