深水半潛式起重鋪管船總體布置關(guān)鍵技術(shù)

鐘文軍，彭小佳，何 寧

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

深水半潛式起重鋪管船是深水油氣田開(kāi)發(fā)的重要裝備，分為上浮體、立柱、下浮體三部分，船上設(shè)備眾多，全船的總體方案設(shè)計(jì)需要綜合考慮船舶運(yùn)動(dòng)性能、穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、設(shè)備布置、建造難度、總體造價(jià)等因素，設(shè)計(jì)難度較大。本文對(duì)船型總體布置設(shè)計(jì)中船型優(yōu)化、上浮體布置、立柱布置、下浮體布置等幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)[1]進(jìn)行總結(jié)。希望為國(guó)內(nèi)技術(shù)人員進(jìn)一步的研究提供參考。

1 船型優(yōu)化

全船的總體布置方案和主尺度優(yōu)化是一個(gè)不斷循環(huán)、持續(xù)改進(jìn)的過(guò)程。設(shè)計(jì)出一套總布置方案后，要對(duì)浮力、穩(wěn)性、運(yùn)動(dòng)、壓載等進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)分析結(jié)果再不斷完善總布置方案。優(yōu)化的原則是盡可能增大垂蕩、縱搖固有周期，避開(kāi)波譜能量集中區(qū)域，使船舶具備最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)性能。建議的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程如下。

(1) 設(shè)計(jì)方首先應(yīng)根據(jù)船東的功能需求，對(duì)主要設(shè)備的尺寸、重量等參數(shù)進(jìn)行調(diào)研。

(2) 確定J-lay塔布置位置，初步完成主甲板布置設(shè)計(jì)，參考母型船或類(lèi)似船型完成第一版總布置設(shè)計(jì)。

(3) 估算空船重量重心、質(zhì)量回轉(zhuǎn)半徑、風(fēng)力系數(shù)、流力系數(shù)等基本參數(shù)。

(4) 核算船舶在空船吃水、航行吃水、作業(yè)吃水的排水量是否能滿足浮力需求。

(5) 進(jìn)行穩(wěn)性計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定最小水線面面積，并對(duì)立柱尺寸進(jìn)行調(diào)整。

(6) 對(duì)船舶的固有周期、運(yùn)動(dòng)幅值、氣隙等進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果修正船型。

(7) 對(duì)壓載艙和抗橫傾艙的艙容進(jìn)行校核，確保能夠滿足壓載和吊機(jī)回轉(zhuǎn)的要求。

(8) 綜合考慮各方面因素，對(duì)船型及艙室布置進(jìn)行調(diào)整，直至各方面性能都滿足規(guī)范和船舶功能要求。

2 上浮體布置

上浮體主要分為起重作業(yè)區(qū)域、鋪管作業(yè)區(qū)域、主機(jī)艙區(qū)域和人員居住生活樓區(qū)域這四大部分，整個(gè)上浮體的布置也主要圍繞著這四大功能的實(shí)現(xiàn)來(lái)考慮，并且需要盡量提高作業(yè)效率。

起重作業(yè)區(qū)域的布置比較常規(guī)，兩臺(tái)主吊機(jī)通常布置在船尾的兩舷；生活樓的布置需要注意救生艇的布置以及人員居住的舒適度；而鋪管作業(yè)區(qū)域和主機(jī)艙區(qū)域的布置需要重點(diǎn)關(guān)注。

2.1 J-lay鋪管系統(tǒng)布置

J-lay塔布置位置有三種：舷側(cè)布置、船尾布置及船中布置。設(shè)計(jì)方應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況選擇合適的布置位置[2]。三種布置位置的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。

表1 不同J-lay塔布置方式比較Table 1 Comparison among different J-lay arrangement schemes

整個(gè)鋪管系統(tǒng)除了J-lay塔還包括堆管區(qū)、管道傳輸系統(tǒng)、管道預(yù)制系統(tǒng)、A/R絞車(chē)等。確定J-lay塔布置位置后，管道預(yù)制系統(tǒng)和A/R絞車(chē)通常就布置在J-lay塔附近區(qū)域，方便鋪管作業(yè)。堆管區(qū)可以布置在主吊機(jī)下方區(qū)域，也可以布置在上浮體艙室中。管道傳輸系統(tǒng)將海管由堆管區(qū)運(yùn)輸?shù)筋A(yù)制系統(tǒng)區(qū)域，需盡量簡(jiǎn)化傳輸路徑以提高作業(yè)效率。

2.2 機(jī)艙區(qū)域布置

半潛式起重鋪管船電力負(fù)荷需求較大，通常會(huì)設(shè)置8～12臺(tái)主機(jī)，可行的主機(jī)艙方案有四機(jī)艙和六機(jī)艙兩種方案，如圖1所示。六機(jī)艙方案與四機(jī)艙方案相比，最大故障模式動(dòng)力定位(DP)冗余更小，總裝機(jī)功率略低，但是機(jī)艙需配置的冗余設(shè)備增多，如分油機(jī)、滑油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、鋼制懸鏈線立管(SCR)系統(tǒng)等。綜合比較后發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)機(jī)艙方案的整體造價(jià)差別不大，但是六機(jī)艙方案的電氣、輪機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度更高，全船電纜布置復(fù)雜，且缺乏船舶實(shí)例，建造階段項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)過(guò)高，推薦優(yōu)先采用系統(tǒng)配置更為簡(jiǎn)單的四機(jī)艙方案[3]。

主機(jī)艙區(qū)域有主機(jī)、輔機(jī)、鍋爐、配電盤(pán)柜、日用油柜、制冷壓縮機(jī)等眾多設(shè)備，機(jī)艙區(qū)域的布置方案主要需考慮以下幾個(gè)方面：(1)主機(jī)艙之間相互分隔，滿足DP3的要求；(2)考慮主機(jī)艙與輔機(jī)艙及配電間之間的管路、電纜布置；(3)整體艙壁結(jié)構(gòu)的布置合理性；(4)煙囪管道布置及煙囪位置的影響。

圖1 四機(jī)艙布置方案和六機(jī)艙布置方案Fig.1 Four-engine-room plan and six-engine-room plan

3 立柱布置

立柱的尺寸是決定船舶運(yùn)動(dòng)性能的關(guān)鍵。綜合考慮穩(wěn)性、耐波性、氣隙等計(jì)算結(jié)果可以初步確定立柱尺寸，確定主尺度后，立柱的布置主要注意以下幾個(gè)方面[4]。

(1) 由于立柱處于水面附近，存在一定碰撞破損風(fēng)險(xiǎn)，因此人員經(jīng)常活動(dòng)區(qū)域、電梯井、油艙等重要艙室應(yīng)盡量布置在內(nèi)部安全區(qū)域(立柱中心連接成的矩形內(nèi)部區(qū)域，見(jiàn)圖2)。如需布置在外部暴露區(qū)時(shí)，須設(shè)置隔離空艙。

(2) 立柱與上浮體、下浮體的連接部位是高應(yīng)力區(qū)，應(yīng)盡量保證艙壁結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，并設(shè)置傾斜過(guò)渡。

(3) 立柱位置還布置有水平橫撐、系泊纜導(dǎo)向輪等結(jié)構(gòu)，受力都較大，結(jié)構(gòu)布置上應(yīng)予以考慮。

圖2 安全區(qū)域示意圖Fig.2 Sketch of safe area

4 下浮體布置

下浮體中主要布置油艙、壓載艙、泵艙和推進(jìn)器艙，其中推進(jìn)器艙的布置最為關(guān)鍵[5]。推進(jìn)器的布置方案要考慮以下幾個(gè)方面。

(1) 盡量避免推進(jìn)器之間的相互干擾。經(jīng)計(jì)算，功率在4500kW左右的推進(jìn)器相互距離在28m以上時(shí)，相互干擾才可以忽略。

(2) 推進(jìn)器的布置位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離船舶旋轉(zhuǎn)中心，提供最大的回轉(zhuǎn)力矩。

(3) 推進(jìn)器艙應(yīng)有足夠空間能布置下電機(jī)、變頻器、滑油系統(tǒng)等輔助設(shè)備。

(4) 航行工況時(shí)，應(yīng)盡量使推進(jìn)器來(lái)流穩(wěn)定，提高推進(jìn)器推力輸出。

圖3 推進(jìn)器布置方案Fig.3 Thrusters arrangement plan

推薦的推進(jìn)器布置方案如圖3所示，推進(jìn)器橫向干擾較小，且遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文歸納了主尺度優(yōu)化的流程，對(duì)半潛式起重鋪管船的總體布置關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，并分別對(duì)上浮體的鋪管系統(tǒng)布置、機(jī)艙區(qū)域布置、立柱布置、下浮體推進(jìn)器系統(tǒng)布置等重點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了闡述。希望國(guó)內(nèi)技術(shù)人員繼續(xù)研究，早日建造出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的半潛式起重鋪管船。

[1] 彭小佳,宋安科,何寧,等.深水半潛式起重鋪管船船型優(yōu)化方法[J].中國(guó)海洋平臺(tái),2015,30(6)：20.

Peng Xiao-jia,Song An-ke,He Ning,et al.Hull optimization for deepwater semi-submersible crane vessel [J].China Offshore Platform,2015,30(6)：20.

[2] 海洋石油工程股份有限公司.半潛式起重鋪管船總體方案論證報(bào)告[R].2016.

Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.Semi-submersible crane vessel general report [R].2016.

[3] The International Marine Contractors Association.IMCA M 140 Rev.Ι.Specification for DP capability plots [S].2000.

[4] Det Norske Veritas.DNV-RP-C205.Environmental conditions and environmental loads [S].2014.

[5] American Petroleum Institute.API-RP-2SK.Design and analysis of stationkeeping systems for floating structures [S].2005.