140米级打桩船关键技术的研究

杨 辉, 孙 莉

(江苏省船舶设计研究所有限公司,江苏 镇江 212003)

0 引言

目前,世界各国纷纷把海洋作为获取能源资源和发展经济的重要方向,通过海洋油气开发、海上风电开发、港口码头建设、跨海大桥建设等发展向海经济[1]。2019年4月11日,由江苏省船舶设计研究所有限公司研发的“雄程1”号打桩船为佩列莎茨跨海大桥打下一根钢管桩,受到世界媒体的广泛关注。伴随着海洋工程建设快速发展,打桩船已成为海洋工程建设中不可或缺的重要基础装备。

随着海洋工程建设逐步向外海深水区发展,打桩船向超大型方向发展。140米级打桩船“一航津桩”号是目前全球桩架最高、吊桩能力最大、施打桩长最长、抗风浪能力最强的,首次采用全电力辅助推进,可实现船体全方位灵活移船及方位调整,完成作业区域内的自航移泊定位,降低了对辅助船舶的需求,极大提高了施工效率。本文首先对140米级打桩船船长、型宽、型深进行分析,从而确定主要量度;其次为确保打桩船定位精度,研究锚泊定位和动力定位技术;最后对全船总纵强度、局部强度和桩架强度进行计算校核,并提出结构优化改进方案。

1 主要量度选择

大型打桩船要求能在较复杂的海况下完成打桩作业,因此船舶的主要量度选择除了要考虑在作业和航行时的稳性、干舷、结构强度等满足规范的要求外,同时还要保证在要求的作业环境条件下具有优良的耐波性。

1.1 船长

船长的选择需要考虑布置、稳性、船舶作业时的纵倾变化,以及干舷、总纵强度、耐波性影响等多方面因素。船长越长,对布置、稳性、作业时的纵倾变化等越有利,但对总纵强度、船舶造价越不利。

依据耐波性理论,船长主要影响纵摇和垂荡;当船长大于波长的1.3倍时,谐摇、纵摇和垂荡对船的影响较小。对于大型打桩船,在作业工况下,波浪平均周期满足7～8 s时,船舶具有较高的作业率,波长约为76～100 m,1.3倍的船长约为99～130 m。由此可见,船长越长,适应的波浪平均周期越大。但考虑到对横摇、总纵强度、造价等的影响,船长过长,也会产生不利的影响。通过对各种航行、作业和自存工况的初步估算,并对比近似船型实际作业的情况及使用要求,本船最终选择型长为116.0 m(含象鼻梁船长124.0 m)。

1.2 型宽

型宽主要影响船舶的稳性、抗横倾的能力和横摇运动,对纵摇和升沉的影响不大。在作业工况下,规范对船舶的稳性要求主要是考核此时船舶的初稳性值,而且打桩的作业精度在同等风速条件下船宽越宽越容易满足。因此,对于打桩船这类以起重作业为主的船舶,船宽宜大不宜小。经过对航行、作业和自存工况的初步计算,对比现有船型的型宽值,本船型宽选择为39.0 m。

1.3 型深

根据作业要求等确定好船长和船宽后,型深的选择将同时影响吃水和干舷。本船为箱型船舶,横稳心高随吃水的增加而减小。总体而言,吃水的增加有利于减小船舶的横摇、纵摇和升沉运动,加至考虑到波浪对船首的抨击,吃水也需要适当大些。特别是在自存工况下,此时的风浪较大,增加吃水对船舶的生存是有利的。富裕的干舷能显著改善甲板上浪和船舶的稳性储备。结合船舶吃水,本船的型深初步确定为8.0 m,较大的型深对船舶的总纵强度和耐波性均有利。型深确定后,经过初步计算,船舶设计吃水定为3.6 m,工作吃水为5.0 m,船舶的结构吃水为6.0 m。

实船图见图1。经过综合分析和计算比较,140米级打桩船主要量度如下：

总长(拖航状态)～136.0 m,船长(含象鼻梁)124.0 m,型长116.0 m, 型宽39.0 m,型深8.0 m, 设计吃水3.6 m,工作吃水5.0 m,结构吃水6.0 m,辅助定位功率2×1 500 kW, 无限航区。

图1 “一航津桩”号实船图

2 船舶定位技术

工程船作业主要采取锚泊定位与动力定位2种方式来保证海上施工的稳定。

锚泊定位是打桩船保证定位精度的主要方式,因此合理确定锚泊定位系统并提高锚泊定位自动化能力是大型打桩船设计的关键技术之一。打桩船的锚泊定位系统采用的锚一般为拖曳式大抓力锚,本船采用8 点对称布锚方式,要求锚泊系统确保抓力和便于收藏布置。海军锚结构简单、便于保养、抓重比大,适用于各种海底环境;丹福斯锚抓重比大、便于收藏。最终本船选择海军锚与丹弗斯锚搭配方案,以便适应船舶作业需要。

打桩船要在较复杂的海况条件下具备长时间作业的能力,所以要求船舶在作业环境条件下具有优良的耐波性以保证打桩精度。为此,对船舶耐波性运动响应进行计算分析。结果显示,锚绞车预张力增大能够减小横摇、纵摇和艏摇运动,合理的缆绳布局方向能够有效减小横摇和横荡运动。

综合考虑各种因素后,依据锚泊力计算书,本船锚系统方案采取4只20 t海军锚和4只15 t丹福斯锚配置方案,其中锚索选用长度1 000 m的钢丝绳。每只工作锚配备1台定位锚绞车,共计8台900 kN定位绞车。在自存工况下,合理的抛锚方式能够保证船舶的安全抗风性能。

本船配备的一键自动锚泊定位系统,可以快速自动将打桩船准确定位到打桩位置,且在打桩过程中能始终通过锚泊系统保持船位,显著提高打桩速度和沉桩精度。

本船首次在打桩船上配置DP0辅助动力定位系统,艉部设置2台1 500 kW全回转电动推进装置,艏部设置2台600 kW侧推,增加了船舶的机动性,满足了短距离移位和狭窄水域的定位需求。

3 船体及桩架结构轻量化技术

本船桩架高达140 m,总布置图见图2。

图2 “一航津桩”号总布置图(单位：m)

结构设计具有特殊性,结构设计需从全船总纵强度、局部强度及结构优化等方面考虑。本船按照中国船级社规范要求进行结构设计,并通过船体建模对船舶整体强度及设备加强结构等进行校核。本船尺度比超规范,依据规范进行常规总纵强度校核,同时通过全船有限元建模,施加各装载工况下的静水载荷,以及依据水动力学直接计算方法获取船舶在波浪中的运动响应和波浪载荷响应,对全船结构进行强度校核,以保证全船的总强度。

本船主体结构材料为屈服极限235 MPa的船用低碳钢,在局部需要加强的区域采用加厚的板材或屈服极限为355 MPa的船舶结构用高强度钢。本船通过合理选择材料等级和厚度,降低钢材使用量,减轻重量、降低成本,提高船舶的使用经济性。

设计过程中,通过全船三维有限元对局部及整个船体结构进行直接分析,并逐步优化改进结构方案,在控制全船结构重量的同时,获取最佳的结构布置方案。

在象鼻梁底座、油缸底座、临时支撑结构的底座及桩架托架位置,设置局部短舱壁一直垂向贯通至船底外板,在各层甲板、平台、水平桁位置予以对应的加强,确保集中载荷的作用反力能有效地传递。

桩架主结构采用三弦杆三角形变截面桁架结构,桩架主弦杆、横杆和斜杆采用高强度钢管,可降低桩架结构重量和重心,确保桩架强度。降低桩架重量,同时能够减小主油缸的推力和拉力,以降低主油缸的制造成本和难度。

4 结论

本船的总体设计原则全面响应设计任务书的要求,论证各技术参数,优化船型、布置及结构设计,设备选型合理,满足船东提出的具体作业要求和相关的法规、规范要求,设计方案经济实用。

总体设计思路及技术路径如下：根据设计任务书的要求,全面论证各技术参数,分析出关键技术问题,参考同型船舶的成功经验,利用现有成熟技术及相关试验,分析计算进行解决。根据本船桩架高度要求、作业水域要求范围广的特点,梳理出关键技术问题如下：

(1) 船舶主要量度论证。结合本船的作业海况和各种打桩作业工况,并考虑到5.0 m打桩作业吃水下的船舶各种性能要求,进行同类型船舶的对比、稳性的计算、耐波性分析。

(2) 船舶定位能力分析。根据环境条件要求,重点分析了定位及抗风工况,由此确定锚泊设备和辅助动力定位设备。

(3) 优化结构设计。在保证结构强度的前提下,降低用钢量,更好地保证船舶作业性能。优化桩架系统设计,在保证打桩高度条件下,进行桩架结构设计,确保打桩系统安全可靠运行。

“一航津桩”号打桩船能够适应外海复杂海况下施工要求,可用于海上风电高桩承台桩、导管架桩及大型梁桩基等施工。该特大型打桩船的研制与开发,是打桩船技术领域的一次重大突破。