自航式半潛維修船的需求分析與概念設(shè)計

?；菰?， 謝新連, 馬夢知

(大連海事大學(xué) 綜合運輸研究所， 遼寧 大連 116026)

自航式半潛維修船的需求分析與概念設(shè)計

?；菰?， 謝新連, 馬夢知

(大連海事大學(xué) 綜合運輸研究所， 遼寧 大連 116026)

為提高執(zhí)行遠(yuǎn)海任務(wù)的艦船、海洋工程裝備的維修保障能力，基于遠(yuǎn)海維修需求趨勢和現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，提出一種自航式半潛維修船概念設(shè)計方案。介紹該新型維修船概念設(shè)計方案的基本構(gòu)思與特點，給出提高其維修作業(yè)能力的措施，指出需進(jìn)一步深入研究的問題。

船舶工程； 遠(yuǎn)海保障; 維修船; 艦船維修

美國海軍提出未來海上維修保障船舶應(yīng)同時具有大裝載量和遠(yuǎn)續(xù)航力的特點，應(yīng)建立健全海上維修保障措施，增加海上保障的靈活性，提供較大的機(jī)動空間，并減少船舶維修保養(yǎng)對港口設(shè)施的依賴。[1]2009年6月，我國海軍東海艦隊對浮動船塢在海上維修受損艦艇進(jìn)行了實地演習(xí)，表明新型浮動維修船塢可為艦艇提供海上故障檢測、修理、試驗等全方位保障，使得裝備維修得以從岸基拓展到海上。[2]此外，國產(chǎn)世界第一艘自航式浮船塢也已交付使用[3]，這均證明了艦船維修保養(yǎng)向遠(yuǎn)海維修發(fā)展的可行性，表明了我國艦船維修保障工作具有向遠(yuǎn)海海域拓展的需求和趨勢。許多海運發(fā)達(dá)國家已開始重視遠(yuǎn)海維修保障力量的建設(shè)，多名學(xué)者[4-8]為遠(yuǎn)海維修保障船的設(shè)計提出了具有可行性的方案。

1.在已有的船上配備維修方艙:該方案有效提高了維修保障船的機(jī)動性、擴(kuò)大了適用范圍，且對母體船舶類型限定不嚴(yán)格，可根據(jù)艦船故障的實際情況自由組配維修方艙，實現(xiàn)了“快速、機(jī)動”的目標(biāo)。[8]在南海海域舉行的綜合演練中，我國南海艦隊某保障基地直屬裝備部將“艦船裝備機(jī)動修理方艙”從陸地搬到新型登陸艦，隨戰(zhàn)艦出海，擔(dān)負(fù)主戰(zhàn)艦的海上搶修任務(wù)[8-9]，實現(xiàn)了裝備修理保障模式的新突破。不同的故障艦船類型及艦船故障類型給維修保障船執(zhí)行的任務(wù)帶來了較大的隨機(jī)性和多樣性，因此維修保障船需配備數(shù)量較多的維修方艙以滿足不同艦船的維修需求。此外，維修保障船較適合于實施平行救援，在船體受損或主戰(zhàn)艦喪失動力的情況下,維修能力或救助能力較為有限。因此,該種設(shè)計方案更適用于保障支持或?qū)μ囟愋团灤瑢嵤┌殡S保障。

2.由其他船型改裝而成的維修船:目前各國在役保障支持艦隊中，有較大一部分船舶是由戰(zhàn)艦或輔助工程船改裝而來的，近年來海洋工程船因性能優(yōu)越也漸漸加入到改裝行列中。[5,7]一般來說，船型改裝時備選船型需滿足多項技術(shù)要求，主要包括工作車間及輔助作業(yè)車間空間的大小、維修人員住艙數(shù)量及住艙條件、動態(tài)定位系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、航速、船用重型吊具等，其中足夠的空間、動力配置與供應(yīng)及住艙條件是關(guān)鍵。因此，相對于第一種方案，該方案對船型限定較為嚴(yán)格。

3.浮上-浮下(Flo-Flo)維修船[5,10]:由英國BMT國防服務(wù)公司針對戰(zhàn)損艦船而設(shè)計，其整體效果圖見圖1。

圖1 Flo-Flo維修船整體效果圖[4]

該方案以駁船為載體，承載主要維修設(shè)施(見圖2)。該船實行分區(qū)布置，甲板以前為生活區(qū)，甲板以后為工作車間，甲板為堆存區(qū)及作業(yè)區(qū)，這種分區(qū)布置有利于減少振動和噪聲對生活區(qū)的影響。甲板上設(shè)有格柵結(jié)構(gòu)，可堆存標(biāo)準(zhǔn)化集裝箱，便于儲運備件和模塊化裝備，以滿足模塊化維修(替代化維修)需求。甲板上另設(shè)有多臺旋轉(zhuǎn)式起重機(jī)，可用于拖拽故障船舶和起吊大型設(shè)備。工作車間為單層建筑，通過寬大的門口與甲板相連，便于重物的搬運與移動。另外，工作車間頂部設(shè)有直升機(jī)停降平臺，平臺一側(cè)設(shè)有模塊化維修設(shè)施，可實現(xiàn)對故障飛機(jī)的模塊化維修。相比前兩種方案，該方案設(shè)計針對性強(qiáng)，故對于遠(yuǎn)海維修來說，其作業(yè)能力及維修能力較強(qiáng)，空間設(shè)計較為合理，可滿足技術(shù)人員及維修作業(yè)人員的膳宿要求，在總體設(shè)計上有較多可取之處。但在該方案中，維修駁船不具有自航能力，需通過Flo-Flo重吊船實現(xiàn)船體的移動,故無法單獨實現(xiàn)伴隨保障，適合置于友好港口或安全海域提供維修服務(wù)。將其置于遠(yuǎn)海作業(yè)時，其作業(yè)能力受天氣、波浪、海況影響較為明顯，有一定的作業(yè)風(fēng)險。

圖2 維修駁船的設(shè)計效果圖[4]

通過對現(xiàn)有維修船設(shè)計方案進(jìn)行分析與對比，針對現(xiàn)有遠(yuǎn)海維修需求，在當(dāng)前船舶遠(yuǎn)海維修保障技術(shù)基礎(chǔ)上，提出一種新型遠(yuǎn)海維修保障船(自航式半潛維修船)的概念設(shè)計方案。其主要功能為：對遠(yuǎn)海故障艦船進(jìn)行救助、拖運及獨立維修，實現(xiàn)艦船的維修保養(yǎng)工作由岸基轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)海，從而提高艦船的作業(yè)效率及營運安全性，降低其維修保障時間，增大服務(wù)半徑。

1 自航式半潛維修船功能定位及需求分析

與汽車在路上行駛難免發(fā)生故障甚至迫使拋錨一樣，艦船(包括軍用艦艇和商業(yè)船舶)在海上作業(yè)時同樣面臨故障難題，一些故障如果得不到及時、有效的修理，艦船再次發(fā)生故障或再次受到打擊的概率會明顯增大，甚至?xí)斐缮?、財產(chǎn)損失或使環(huán)境遭到破壞。對于戰(zhàn)艦來說，甚至?xí)绊懯姑蝿?wù)的完成，造成無法挽救的后果。

隨著軍用艦艇和商船規(guī)模不斷增大以及部分地區(qū)政治、經(jīng)濟(jì)局勢動蕩不安，實現(xiàn)全球覆蓋保障(Global Reach[5])已成為新一代維修船追求的目標(biāo)。對于新一代維修船而言,只有集高技術(shù)和多功能于一體實現(xiàn)跨越式發(fā)展[11]，才能滿足現(xiàn)代化艦船、裝備的維修需求。此外,海洋工程的快速發(fā)展也需要具有大裝載力、多功能的維修供應(yīng)船提供遠(yuǎn)海支持服務(wù)：

1. 可為水面艦船提供技術(shù)支持，并便于接受或提供補給。

2.須具有自航、遠(yuǎn)航的能力及重物承載能力，可應(yīng)用于戰(zhàn)損艦船或遇難船舶的救助、浮起、拖帶、運輸及人命救援，有能力承運大型海洋工程裝備。

3.須具有獨立維修能力，可對故障艦船的船體進(jìn)行堵漏、對主要動力裝置進(jìn)行維修或更換，并可實現(xiàn)對艦艇水下船體的維修保養(yǎng)。

4.須具有機(jī)加工能力，能對所需部件進(jìn)行塑模、加工及再加工。

根據(jù)上述功能需求，新型維修船須滿足：

1.具有獨立、穩(wěn)定、充足的動力裝置，可為自身提供推進(jìn)動力、為執(zhí)行維修作業(yè)提供所需動力。

2.具有開闊、平展的甲板，可承載故障艦船。

3.具有充足的壓載水艙，可實現(xiàn)自身船體的沉浮，以便下潛浮裝浮卸維修對象。

4.具有重型吊機(jī)，可用于打撈、拖曳喪失動力或船體破損的艦船及水平(接受或提供)補給時承吊補給物品。

5.具有足夠的料件及機(jī)加工設(shè)施，可完成料件的加工及塑模。

6.具有充足的儲存艙室及加工車間，用于料件及機(jī)加工設(shè)施的儲存和布置。

7.可承載模塊化裝備，以滿足模塊化維修和模塊化存儲的需求。

8.居住艙室充足，滿足在船船員、維修作業(yè)人員及被救助人員的膳宿要求。

9.具有直升機(jī)停降平臺，便于接受垂直補給。

通過以上分析可知，新型維修船已成為一個集約化的現(xiàn)代修船廠，須配備一定的維修設(shè)施，能實現(xiàn)規(guī)?；⒄w化的加工及維修作業(yè)，有能力獨立完成遠(yuǎn)海維修。對于這樣的新型維修船，必須綜合考慮維修需求、作業(yè)模式及工藝流程，對船體、車間等進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計，確保維修作業(yè)的靈活性、作業(yè)狀態(tài)的穩(wěn)定性，并達(dá)到省時、省力的目的。

2 基本設(shè)計理念及概念方案

功能定位是設(shè)計新船型時主要考慮的因素之一，即明確新船型的使用場合及作業(yè)使命：明確有關(guān)港口、航線、作業(yè)海域、傳統(tǒng)維修船的使用情況及當(dāng)代造船廠的造船技術(shù)水平，對影響新船型營運效果的各種因素的發(fā)展趨勢做出正確的估計和判斷[13]；新型維修船定位為流動修船廠，應(yīng)用于遠(yuǎn)離岸基的海域，可為故障艦船提供技術(shù)支持和遠(yuǎn)海獨立維修服務(wù)，同時可實現(xiàn)遇難船舶的救助、拖帶以及長距離運輸。基于需求分析和功能定位，對提出的新型自航式半潛維修船概念方案作以下幾點描述[6]。

2.1半潛船體

在國內(nèi)外大中型艦船失事于遠(yuǎn)離本土的水域且不適合長距離拖帶的情況下，運用半潛式重載船將其運回本國基地或就近友好港口逐漸成為主要手段。以往利用半潛重載船運輸故障艦船時，從保證半潛重載船和故障船的安全這一根本目的出發(fā)，必須借助外部維修力量對故障船進(jìn)行合理的搶修以控制其損害程度；同時在運輸過程中要保持故障船的水密性，盡可能地消除影響海上運輸?shù)牟话踩蛩?。半潛重載船作為重大件長航線海上運輸?shù)闹饕\載工具，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在:

1) 適合航行于開闊海域，可操控性、適航性較好，在各種操縱模式下都具有較好的穩(wěn)性。

2) 船體與浮船塢相近，中部有著寬闊的甲板，能通過調(diào)整艙內(nèi)的壓載水，迅速、穩(wěn)定地實現(xiàn)自身船體的沉浮。

3) 航速較高，運輸時間較短,能夠承載受損艦船經(jīng)歷長時間的航行及復(fù)雜的海況，安全、快速地到達(dá)目的地。[4]

以此應(yīng)用為基礎(chǔ)，提出以自航式半潛船體為載體設(shè)計新型維修船(見圖3)。自航式半潛維修船的主甲板開闊，完全具有常規(guī)半潛船的功能,既可以靠泊碼頭裝卸艦船維修所需零部件、設(shè)備以及生活補給品,也可以在下潛到一定深度采用浮裝浮卸方式裝卸超大、超重且不可分割的大型海洋設(shè)備或工程結(jié)構(gòu)物(如海上石油平臺、大型發(fā)電設(shè)備、軍艦、潛艇等)。此外,其還可作為遇難艦船或海上工程結(jié)構(gòu)物的打撈救助作業(yè)平臺，利用船上配備的打撈救助裝備、下潛沉浮的功能和重型吊機(jī)能力將遇難艦船或海上工程結(jié)構(gòu)物托舉打撈出水。自航式半潛維修船在參與打撈救助故障艦船過程中，與半潛式重載船的明顯區(qū)別在于打撈完畢后，可以立刻利用維修船上配備的維修力量對難船進(jìn)行搶修，快速恢復(fù)其功能。在特殊情況下，若艦船受損較為嚴(yán)重，超過半潛維修船的維修能力，可以將半潛維修船與岸基維修廠的維修作業(yè)結(jié)合起來，在往岸基維修廠運送的同時對受損艦船進(jìn)行應(yīng)急修理，以減少運輸安全隱患。

圖3 自航式半潛船船體

2.2主甲板以上空間布置

提出的新型自航式半潛維修船的主甲板平坦、開闊，用于承托故障艦船。主甲板上鋪設(shè)有數(shù)排可拆卸的支墩，用于維持故障艦船、保持故障艦船平衡;主甲板下部空間內(nèi)設(shè)有各功能艙室。此外,主甲板作為主要維修平臺，用于對故障艦船進(jìn)行施救、維修。主甲板尾部可設(shè)直升機(jī)停降平臺，也可作為垂直補充的接收位置；該處設(shè)有2個可移動的浮艙，用于調(diào)節(jié)船體縱傾及上浮、下潛。

為避免貨物高度和外形尺寸對駕駛室視線造成影響，上層建筑設(shè)于船首，內(nèi)設(shè)有駕駛臺、控制室、生活區(qū)，兩舷配備救生艇筏。新型船主船體兩側(cè)設(shè)有可移動的兩邊艙，可根據(jù)需求隱藏于船舷兩側(cè)或裝配于甲板兩側(cè)。兩邊艙頂部設(shè)有可移動、具有外伸能力的軌道式龍門起重機(jī)，用于起吊、拖曳故障艦船或維修作業(yè)時起吊維修對象上的重大設(shè)備；兩邊艙上部空間內(nèi)設(shè)有蓄電池室、氧氣室和乙炔室、設(shè)備間、高壓水槍室、油漆間以及備件物料倉庫。底部邊艙設(shè)有壓載水艙室(用于調(diào)節(jié)船體的潛浮)及工作車間。為保證安全，兩邊艙外部設(shè)置舷墻，整體效果見圖4。

圖4 整體效果圖

2.3主甲板以下艙室布置

新型自航式半潛維修船主甲板以下艙室包括與船體自身性能相關(guān)的艙室和與維修功能相關(guān)的工作車間兩部分。與船體性能相關(guān)的艙室包括主甲板下的水密邊艙、舵機(jī)艙、錨鏈艙、機(jī)艙、燃油艙、淡水艙等；與維修功能相關(guān)的工作車間包括維修工具庫、機(jī)加工車間、氧氣室、乙炔室、廢品回收室、救撈裝備室、備件材料倉庫等，各工作車間內(nèi)部均配備有相應(yīng)的設(shè)施、材料和備件，以滿足不同艙室設(shè)置的功能需求。主甲板下部空間內(nèi)除有上述艙室設(shè)置及其他必需艙室外，其余空間均設(shè)為壓載水艙室。采用艉機(jī)型布置方式，以減輕居住區(qū)的噪聲、振動。其主要艙室布置效果圖見圖5。

圖5 艙室布置效果圖

3 提高維修作業(yè)效率的措施

傳統(tǒng)維修船上完成料件加工和艦船保障維修的設(shè)施一般為固定設(shè)施，這種布置形式在操作上缺乏靈活性，會浪費艙室空間或增加料件搬運距離。為此,提出一種模塊化的設(shè)計方案，即維修設(shè)施以可移動、單元化的小型工作車間的形式存在。該方法目前多應(yīng)用于飛機(jī)維修領(lǐng)域[14]，且較為成功。

料件搬運是自航式半潛維修船作業(yè)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),在制造業(yè)中約占總運營成本及生產(chǎn)時間的20%～50%，而較為合理的工作車間布局可以將該比例縮小到10%～30%。[15]合理的車間布局就是根據(jù)船舶維修的工藝流程及各車間的作業(yè)功能與能力，合理地確定半潛維修船內(nèi)部各車間或設(shè)備組的相互位置，使得具有連貫性作業(yè)的工作車間布置流程化，且緊鄰備件材料倉庫。車間布置決定了維修作業(yè)過程中的物流方向和速率以及半潛維修船內(nèi)部艙室的面積利用率，從而在結(jié)構(gòu)上限定了維修船的功能潛力。

備件材料倉庫的布置是影響料件搬運效率的另一個重要因素。新型維修船備件材料倉庫采用單元化存儲的理念，即以標(biāo)準(zhǔn)化托盤或集裝箱作為料件的存儲工具放置于艙室內(nèi)，當(dāng)料件消耗殆盡后，可實現(xiàn)存儲單元的整體替換。單元化存儲可通過叉車等運載工具實現(xiàn)單元化搬運，簡化了料件的搬運環(huán)節(jié)，節(jié)約了搬運時間。此外,單元化存儲有利于節(jié)省艙室空間和庫存管理成本。

搬運工具對料件搬運效率的影響也不容忽視。自航式半潛維修船作業(yè)過程中，搬運作業(yè)環(huán)節(jié)一般可分為：岸基到維修平臺、維修平臺到備件材料倉庫、備件材料倉庫到工作車間(或工作車間到工作車間)、車間到維修平臺、維修平臺到被服務(wù)船。在自航式半潛維修船設(shè)計方案中，從岸基到維修平臺的搬運可使用岸吊、船吊或岸上配備的專用提升工具；從備件材料倉庫到工作車間或工作車間之間小型料件的轉(zhuǎn)移可使用索道或傳送帶，對于重量較大的料件可使用叉車，不同樓層的車間之間設(shè)置自動升降梯，以實現(xiàn)料件豎直方向的移動；從維修平臺到被服務(wù)船的小型料件搬運可通過傳送帶或索道完成，大型料件搬運通過維修船上配備的起重機(jī)完成。

除提升作業(yè)效率和搬運效率外，維修船工作車間布置的模塊化和存儲的單元化設(shè)計可使相似船舶便于替換配備設(shè)施，不僅有利于設(shè)備更新?lián)Q代或船舶使命變化時變更設(shè)備，而且有利于節(jié)省艙室空間和人工成本，其不足之處是根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行重新編組/解組會造成一定的時間浪費和管理成本上升。

4 結(jié) 語

新型維修船的作業(yè)能力很大程度上依賴于其設(shè)計的合理性及各系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性。船舶是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，各要素間的內(nèi)在關(guān)系錯綜復(fù)雜，在設(shè)計中確定一個要素時往往涉及許多其他因素，有些因素在設(shè)計之初由于條件不具備，難以考慮周全。[13]作為一種新型船，沒有母型船可以參照，在設(shè)計或建造時一些不可預(yù)見的因素可能會導(dǎo)致設(shè)計成本、設(shè)計風(fēng)險、建造成本增高。此外，在設(shè)計階段還要對多方面的因素進(jìn)行深入分析與設(shè)計，按照設(shè)計螺旋線理論展開全船總體技術(shù)方案設(shè)計工作，將設(shè)計工作恰當(dāng)?shù)胤殖扇舾裳h(huán)或階段，由粗到細(xì)、由簡到繁，使總體技術(shù)方案的設(shè)計水平螺旋式提高；充分考慮到每個系統(tǒng)或子系統(tǒng)與其他系統(tǒng)或子系統(tǒng)的相互作用以及布局設(shè)計對船舶技術(shù)性能的影響，最終達(dá)到預(yù)定的技術(shù)要求。文中就維修船的功能定位及關(guān)鍵功能的實現(xiàn)給出了一個初步的概念設(shè)計方案。還需進(jìn)一步對以下幾個方面進(jìn)行研究：

1.工作車間和備件材料倉庫的布置水平在一定程度上決定了新型船的維修能力和作業(yè)效率，因此工作車間及備件材料倉庫的布置仍是研究的重點。

2.維修工藝與作業(yè)流程是工作車間及備件材料倉庫布置的主要依據(jù)，為達(dá)到有效的空間布置，必須對維修工藝和作業(yè)流程作進(jìn)一步優(yōu)化。

3.新型維修船重型起重設(shè)備的設(shè)計。

4.新型維修船設(shè)計不僅要滿足當(dāng)前需求，而且要滿足其生命周期內(nèi)未來一段時間內(nèi)的需求，因此設(shè)計時要對未來的海運環(huán)境、需求、船舶特征及可能生效的規(guī)則、規(guī)范進(jìn)行合理的預(yù)計與假設(shè)。

5.信息化管理，包括故障檢測信息化、船岸溝通信息化及庫存管理信息化。

6.海上維修作業(yè)風(fēng)險分析與控制。

新型自航式半潛維修船的最大優(yōu)勢在于其具有較強(qiáng)的機(jī)動性、靈活性和多功能性，使投資經(jīng)營者能夠提供遠(yuǎn)海維修、重大件運輸、救助打撈等綜合性服務(wù)。此外，其在其他方面也有較大的利用空間。比如，國際海事組織于2004年通過《需要救助船舶的避難地指南》，但是到目前為止，因為政治敏感度較高等原因,沿海國家并沒有積極配合為遇難船舶提供避難地。為此，業(yè)界多次聯(lián)合呼吁采取國際行動，為遇難船舶提供避難港。[16]新型維修船可為難船提供救助、避難服務(wù)，在對難船實施救助打撈的同時，利用自航式半潛維修船上配備的維修力量為難船提供應(yīng)急維修服務(wù)，避免因船舶故障而造成生態(tài)、環(huán)境破壞；救助、維修完畢后，有能力將其送回本國基地的安全港口。

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[16] 航運界.業(yè)界聯(lián)合呼吁提供避難港[EB/OL]. (2014-02-09 ) [2014-03-16].

http://www.ship.sh/news_detail.php?nid=11770.

ConceptualDesignofSelf-PropelledSemi-SubmergibleRepairShipanditsRequirementAnalysis

SANGHuiyun，XIEXinlian，MAMengzhi

(Integrated Transport Institute, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

With the aim of augmenting the maintenance support for ocean vessels and marine engineering installations，a conceptual design of self-propelled semi-submergible repair ship is worked out based on the state-of-the-art technologies and potential future needs. The scheme and the features of the design are introduced, and the measures are provided to get the ability of marine maintenance support them. The issues that need further investigating are proposed.

ship engineering; marine maintenace support; repair ship; vessel repair

2014-08-18

高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20102125110002)

桑惠云(1986—)，女，山東壽光人，博士生，主要從事交通運輸規(guī)劃與管理研究。E-mail:shywb20071010@163.com

謝新連(1956—)，男，遼寧大連人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事交通運輸規(guī)劃與管理、交通工程研究。

E-mail:xxlian77@yahoo.com

1000-4653(2014)04-0079-05

U662

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