3000米深水起重铺管船重量控制浅析

陶召平 汤晶 符家恒 周骏

摘 要：深水起重铺管船的重量重心对船舶运动性能、可变载荷、起吊能力、结构强度等都有一定的影响，是其关键技术指标之一，必须进行控制。本文介绍了深水起重铺管船的重量分类，明确了其重量控制级别以及重量和荷载预估构成，并详细说明了设计和建造阶段的重量控制措施。

关键词：深水起重铺管船;空船重量;重量控制级别;重量控制

中图分类号：U674.3         文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）03-0100-04

在全球深水油气开发业不断发展和我国建设海洋强国、推进南海开发的战略背景下，海底管道作为油气输送的一种重要方式得到广泛应用，深水铺管、铺缆等水下作业装备的需求潜力很大[1]。深水起重铺管船以其对恶劣海况的适用性以及在深水海底管线铺设中的高效性而具有不可替代的优势，具有广阔的市场前景。然而国内的起重铺管船起步较晚，大部分船舶都只能进行浅水铺管。设计建造该类船舶，重量重心是其关键技术指标之一，对船舶运动性能、可变载荷、起吊能力、结构强度都有一定的影响[2]，必须进行控制。由于该类船舶船型新颖、系统繁多以及船体结构形式复杂，其重量控制方法不能直接参照现有的船型执行;因此，研究深水起重铺管船的重量控制技术有着非常重要的意义。本文将对一艘同时具有S-LAY和J-LAY双铺管系统，以及3000m深水铺管能力和5000t起重能力的自航全回转起重铺管船的重量控制措施进行分析介绍。

1重量分类

深水起重铺管船的排水量（总重量）由空船重量、载重量和重量储备三个大类的重量组成，每个大类又可分为若干小类，简述如下，具体见图1所示。

1.1空船重量（Lightweight）

根据LR规范[3]，空船重量系指整个船舶的结构重量连同永久安装于船舶上的机械、设备和舾装件，包括固定压载、备件以及机械和管路中保持正常工作时的液体，但不包括贮存在液舱或备用供应舱内的液体、消耗品或可变载荷、贮存物品、人员及其个人物品的重量。

1.2载重量（Deadweight）

载重量系指油（水）舱的液体，甲板货物（如用于铺管的管段），海管对船体的张力，临时结构（如月池底盖），临时物品，水、雪和冰的堆积，海生物，压载水，消耗品以及船员和他们的物品等。

1.3重量储备（Weight reserve）

重量储备系指由项目参与方控制的附加重量（通常为固定重量），用于适应任何对合同设计概念变更引起的重量增量的需要。重量储备主要分为业主重量储备和承包商重量储备。

2重量控制级别

ISO标准[4]根据项目对重量重心的敏感程度，将重量控制级别定义为A、B、C三级，项目设计建造前期需根据实际情况确定适用的级别。设计基础、最大许可重量及重心标准、概念设计阶段后期建立的重量荷载预算报告，以及船舶在各种工况下潜在的重量、重心问题评估报告是选择重量控制级别要考虑的主要因素。选择重量控制级别的标准見表1。

本文所述深水起重铺管船是全球第一艘同时具有S-LAY和J-LAY双铺管系统以及3000m深水铺管能力和5000t起重能力的自航全回转起重铺管船，对重量和重心的敏感性高，且项目设计、建造和设备供应商等参与方之间的界面远超6个，其重量控制级别应按照A级考虑。

3重量和荷载预估

从概念设计阶段开始即应对船舶各种工况下的总重进行控制，根据相应的载荷工况对船体、上部模块和单个设备的重量/重心进行预估，并编制重量荷载预算报告以确定项目重量控制目标。此外，重量和荷载预算报告还用于以下几个方面的比较和参考：

（1）项目设计、建造和操作阶段的重量、荷载及重心控制与报告;

（2）评估分段、设备及其支撑结构的承载能力;

（3）整个结构（临时或永久的）的承受力及稳性;

（4）项目总体成本及进度控制。

重量和荷载预估由不同类别的重量、荷载以及重心坐标组成，根据ISO标准[4]要求整理的典型重量和荷载预估构成及发展趋势如图2所示。

4设计及建造过程中的重量控制

深水起重铺管船的概念设计、基本设计、详细设计、生产设计和建造各阶段，都应严格控制空船重量，根据不同阶段的特性，分别制定和采取有效措施，将空船重量控制在目标范围内。基于本文所述深水起重铺管船的特点，以下详细说明了其重量控制程序和重量控制报告的要求，以及设计和建造阶段可采取的重量控制措施。

4.1 重量控制程序

深水起重铺管船重量控制级别为A级，按照其对应的要求，承包商应在合同要求的时间内制定重量控制程序并与业主和第三方检验机构达成一致后予以发布，以明确承包商和项目各参与专业在重量控制方面的责任。重量控制程序作为开展项目重量控制工作的指导文件，包含的主要要求如下：

（1）从事与重量控制有关的主要人员应具有的资质、工作背景及经验。

（2）承包商应编制并形成计划文件，以明确各部门的任务分配、职责和权利。

（3）承包商应制定重量文件，以明确在项目各阶段获取重量数据的方法。 该文件至少应包含以下内容： ①该程序所涵盖的项目各阶段所用的估算方法;②项目各阶段采用的重量储备（余量）水平;③各种载荷工况下的重心评估;④项目永久和临时物资的称重要求;⑤项目不同阶段工作的评估，如重量管理原则及各阶段重量控制责任的传递等。

（4）除以上各点外，程序还应明确其他总体性要求。如：重量控制采用的全局坐标系、全船区域划分、重量控制包括的荷载工况、报告所使用代码的含义以及专业检查表等。

4.2 重量控制报告

深水起重铺管船的重量控制报告应系统地汇编形成文件，其内容和形式应遵循重量控制程序的要求。重量控制报告的更新频率和形式应根据项目的需要而定，重量控制级别为A级的，更新的频率建议不少于两月一次。重量控制报告至少应包括以下内容：

（1）报告内容介绍：包括重量统计所采用的坐标系、代码含义、涉及的主要单体（专业）、数据截止日期、由其他方提供的重量信息以及荷载工况列表等。

（2）主要摘要：包括项目在数据统计截止日期前主要的重量重心汇总数据，以及这些数据与重量荷载预算报告之间的比较;所提供的重量应反映相应的荷载工况及主要单体，需要特殊说明的问题也应列入。

（3）各版本重量重心数据的汇总与变化趋势图：包括所有荷载工况的主趋势图，趋势图中包括所报告的重量及重量荷载预估数据，必要时干重和操作重量应分别列出。

（4）重量变化原因分析：对于当前版本数据与重量和荷载预算报告或之前版本报告存在差异的，在报告中说明原因。

（5）重量和荷载预估（按需）： 如项目实施过程中需对本文第3章所述的重量荷载预算报告进行调整，需列出已知的预估变化及原因，并详细分析其影响;对于可预期的预估变化和潜在影响，也应说明。

（6）重量预报：为帮助重量管理并对重量发展趋势给出早期预警，重量报告还应包括重量预报，重量预报主要包括以下内容：①重量报告中未包括，但是已批准的设计变更;②提出但未批准的设计变更;③复审中的任何设计变更;④其他对重量有影响的潜在变化。

（7）完工/称重数据：因深水起重铺管船重量控制级别为A级，重量控制报告还应计入对单重超过1t物资（如钢材、设备、电缆、管材和散料等）的称重数据;如称重数据与项目前期理论统计数据不一样的，以称重数据为准，并在重量重心分项统计表中注明原因。

（8）详细的重量重心分项统计数据，其统计表格式见表2。

4.3设计和建造阶段重量控制措施

4.3.1设计阶段的重量控制措施

在满足合同、规格书及规范对安全和船舶功能要求的基础上，设计裕度应合理，切忌过于保守引起不必要的重量增加。总体、结构、舾装、轮机、通风、管系、电气和特机专业均应考虑对设计进行优化以减轻重量。设计阶段可考虑的重量控制和优化措施如下：

（1）合理进行舱室划分：在确保总体性能的前提下尽量减少液舱的数量，适当减少设备舱室、处所的划分;对于确需划分的舱室，其边界尽量与船舶的纵横结构强构件位置重合;建在满足防火和干湿分隔要求的情况下，尽量减少钢质围壁的数量。

（2）总体布置合理平衡：如管系和电缆通过三维设计选用较短的路径，其管弄和电缆通道以及其支架尽量共用;舾装走道在满足规范的情况下尽量利用船体原有结构。

（3）采用新型轻质材料代替传统材料：如用玻璃钢格栅代替钢格栅;用PPR、PVC管材代替碳钢管;直升机甲板用铝质成品代替钢质焊接的;用轻质甲板敷料代替水泥;管系及电缆支架用铝合金组合支架代替钢质支架等。

（4）利用有限元分析优化设计：有限元分析工况根据实际情况进行组合，避免采用所有极限工况的组合，并根据分析结果对应力较低区域的构件规格进行优化。

（5）利用高强度钢：对疲劳不敏感区域的构件，采用超高强度或高强度钢代替普通钢，以减小板材厚度和型材尺寸。

（6）合理选择结构形式：如次要构件用球扁钢、扁钢代替角钢和T型材，主要构件选用腹板高厚比较大的T型材，其端部连接用圆弧或者折角过渡代替肘板;以及上建围壁用槽型舱壁代替平板加筋的形式等。

（7）优化基座设计：设备基座及加强尽量利用船体原有构件;许可的情况下以垫板形式代替基座;需设置基座的尽量降低其高度;若非必要，尽量用间断的点状基座代替连续的长条形基座。

（8）在允许的舱壁或构件上通过多开减轻孔等方式以减轻重量。

4.3.2建造阶段的重量控制措施

建造阶段若不严格控制重量，将会引起空船重量的显著增加。船舶建造过程中的重量控制措施，可从以下几个方面考虑：

（1）做好重大节点的重量重心掌控：起重铺管船入坞、下水和倾斜试验等重大阶段，承包商应编制阶段重量报告递交业主、设计和第三方检验机构审查，发现问题及时纠正，避免把问题带入项目的下一阶段[5]。

（2）按图施工减少修改：生产设计或建造若修改了详细设计，尤其是引起重量增加的项目，须经业主批准后再实施。

（3）精细控制：每张生产设计图纸应计算设备、材料的重量，并汇入重量报告。

（4）物资申购时考虑重量控制：申购单或技术协议中明确重量控制要求，并严格要求到货重量和理论重量的偏差;钢板和管材严格控制正公差，对于非敏感区域考虑使用负公差。

（5）精确开展现场称重工作：严格执行标准，对到货后的物资（如钢材、设备、电缆、管材和散料等）进行称重，与理论重量对比并记入重量报告，对于超重的物资要求供应商进行整改。

（6）严格控制材料代用：通常不建议材料代用;若需要材料代用，应尽可能采用同等材质、同等强度和同等重量的代用;若必须采用以大带小或以厚代薄等会导致重量增加的代用，应评估其影响并经业主、设计和第三方检验机构批准后再实施。

（7）建造过程中不得随意增加肘板、管支架、垫板、补板等永久结构，若确需增加，需评估其对重量的影响，并经业主批准后再实施。

（8）建造过程中临时使用的支架、马脚、吊耳等在使用完成后应割除和打磨。

5结语

重量重心是深水起重铺管船的关键技术指标之一，对船舶运动性能、可变载荷、起吊能力以及结构强度等都有一定的影响，必须高度重视和予以控制。本文采用图文结合的方式，梳理了深水起重铺管船的重量分类，明确了其重量控制级别以及重量和荷载预估构成，并详细说明了设计和建造阶段的重量控制措施，以便深水起重铺管船的空船重量从设计和建造各阶段都能得到有效控制，避免交船完工时才发现船舶超重造成损失。同时，对后续类似船舶设计建造的重量控制，亦提供了可借鉴的经验。

参考文献：

[1]徐晓丽，刘健奕，张辉.铺管船市场需求与技术趋势分析[J].船舶物资与市场，2016（05）：31-33.

[2]刘海霞.深水半潜式钻井平台的重量控制探述[J].中国海洋平台，2011，26（6）：9-15.

[3]Lloyds Register. Rules and Regulations for the Classification of Ships[S]， 2013.

[4]International Organization for Standardization. Petroleum and Natural Gas Industries — Specific Requirements for Offshore Structures， Part 5： Weight Control During Engineering and Construction [S]. 2016.

[5]王凱哥，周晶，尹东亮.大型船舶现场建造期间的重量重心控制[J].装备制造技术，2016（06）：181-182.

基金项目：项目名称“深水铺管船双铺管系统与起重机协同作业技术研究”（编号19XD1433400）;项目委托单位：上海市科学技术委员会;项目承担单位：上海振华重工（集团）有限公司。