140米級打樁船關(guān)鍵技術(shù)的研究

楊 輝, 孫 莉

(江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

目前,世界各國紛紛把海洋作為獲取能源資源和發(fā)展經(jīng)濟(jì)的重要方向,通過海洋油氣開發(fā)、海上風(fēng)電開發(fā)、港口碼頭建設(shè)、跨海大橋建設(shè)等發(fā)展向海經(jīng)濟(jì)[1]。2019年4月11日,由江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司研發(fā)的“雄程1”號打樁船為佩列莎茨跨海大橋打下一根鋼管樁,受到世界媒體的廣泛關(guān)注。伴隨著海洋工程建設(shè)快速發(fā)展,打樁船已成為海洋工程建設(shè)中不可或缺的重要基礎(chǔ)裝備。

隨著海洋工程建設(shè)逐步向外海深水區(qū)發(fā)展,打樁船向超大型方向發(fā)展。140米級打樁船“一航津樁”號是目前全球樁架最高、吊樁能力最大、施打樁長最長、抗風(fēng)浪能力最強(qiáng)的,首次采用全電力輔助推進(jìn),可實(shí)現(xiàn)船體全方位靈活移船及方位調(diào)整,完成作業(yè)區(qū)域內(nèi)的自航移泊定位,降低了對輔助船舶的需求,極大提高了施工效率。本文首先對140米級打樁船船長、型寬、型深進(jìn)行分析,從而確定主要量度;其次為確保打樁船定位精度,研究錨泊定位和動(dòng)力定位技術(shù);最后對全船總縱強(qiáng)度、局部強(qiáng)度和樁架強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算校核,并提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方案。

1 主要量度選擇

大型打樁船要求能在較復(fù)雜的海況下完成打樁作業(yè),因此船舶的主要量度選擇除了要考慮在作業(yè)和航行時(shí)的穩(wěn)性、干舷、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等滿足規(guī)范的要求外,同時(shí)還要保證在要求的作業(yè)環(huán)境條件下具有優(yōu)良的耐波性。

1.1 船長

船長的選擇需要考慮布置、穩(wěn)性、船舶作業(yè)時(shí)的縱傾變化,以及干舷、總縱強(qiáng)度、耐波性影響等多方面因素。船長越長,對布置、穩(wěn)性、作業(yè)時(shí)的縱傾變化等越有利,但對總縱強(qiáng)度、船舶造價(jià)越不利。

依據(jù)耐波性理論,船長主要影響縱搖和垂蕩;當(dāng)船長大于波長的1.3倍時(shí),諧搖、縱搖和垂蕩對船的影響較小。對于大型打樁船,在作業(yè)工況下,波浪平均周期滿足7～8 s時(shí),船舶具有較高的作業(yè)率,波長約為76～100 m,1.3倍的船長約為99～130 m。由此可見,船長越長,適應(yīng)的波浪平均周期越大。但考慮到對橫搖、總縱強(qiáng)度、造價(jià)等的影響,船長過長,也會產(chǎn)生不利的影響。通過對各種航行、作業(yè)和自存工況的初步估算,并對比近似船型實(shí)際作業(yè)的情況及使用要求,本船最終選擇型長為116.0 m(含象鼻梁船長124.0 m)。

1.2 型寬

型寬主要影響船舶的穩(wěn)性、抗橫傾的能力和橫搖運(yùn)動(dòng),對縱搖和升沉的影響不大。在作業(yè)工況下,規(guī)范對船舶的穩(wěn)性要求主要是考核此時(shí)船舶的初穩(wěn)性值,而且打樁的作業(yè)精度在同等風(fēng)速條件下船寬越寬越容易滿足。因此,對于打樁船這類以起重作業(yè)為主的船舶,船寬宜大不宜小。經(jīng)過對航行、作業(yè)和自存工況的初步計(jì)算,對比現(xiàn)有船型的型寬值,本船型寬選擇為39.0 m。

1.3 型深

根據(jù)作業(yè)要求等確定好船長和船寬后,型深的選擇將同時(shí)影響吃水和干舷。本船為箱型船舶,橫穩(wěn)心高隨吃水的增加而減小?？傮w而言,吃水的增加有利于減小船舶的橫搖、縱搖和升沉運(yùn)動(dòng),加至考慮到波浪對船首的抨擊,吃水也需要適當(dāng)大些。特別是在自存工況下,此時(shí)的風(fēng)浪較大,增加吃水對船舶的生存是有利的。富裕的干舷能顯著改善甲板上浪和船舶的穩(wěn)性儲備。結(jié)合船舶吃水,本船的型深初步確定為8.0 m,較大的型深對船舶的總縱強(qiáng)度和耐波性均有利。型深確定后,經(jīng)過初步計(jì)算,船舶設(shè)計(jì)吃水定為3.6 m,工作吃水為5.0 m,船舶的結(jié)構(gòu)吃水為6.0 m。

實(shí)船圖見圖1。經(jīng)過綜合分析和計(jì)算比較,140米級打樁船主要量度如下：

總長(拖航狀態(tài))～136.0 m,船長(含象鼻梁)124.0 m,型長116.0 m, 型寬39.0 m,型深8.0 m, 設(shè)計(jì)吃水3.6 m,工作吃水5.0 m,結(jié)構(gòu)吃水6.0 m,輔助定位功率2×1 500 kW, 無限航區(qū)。

圖1 “一航津樁”號實(shí)船圖

2 船舶定位技術(shù)

工程船作業(yè)主要采取錨泊定位與動(dòng)力定位2種方式來保證海上施工的穩(wěn)定。

錨泊定位是打樁船保證定位精度的主要方式,因此合理確定錨泊定位系統(tǒng)并提高錨泊定位自動(dòng)化能力是大型打樁船設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。打樁船的錨泊定位系統(tǒng)采用的錨一般為拖曳式大抓力錨,本船采用8 點(diǎn)對稱布錨方式,要求錨泊系統(tǒng)確保抓力和便于收藏布置。海軍錨結(jié)構(gòu)簡單、便于保養(yǎng)、抓重比大,適用于各種海底環(huán)境;丹福斯錨抓重比大、便于收藏。最終本船選擇海軍錨與丹弗斯錨搭配方案,以便適應(yīng)船舶作業(yè)需要。

打樁船要在較復(fù)雜的海況條件下具備長時(shí)間作業(yè)的能力,所以要求船舶在作業(yè)環(huán)境條件下具有優(yōu)良的耐波性以保證打樁精度。為此,對船舶耐波性運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果顯示,錨絞車預(yù)張力增大能夠減小橫搖、縱搖和艏搖運(yùn)動(dòng),合理的纜繩布局方向能夠有效減小橫搖和橫蕩運(yùn)動(dòng)。

綜合考慮各種因素后,依據(jù)錨泊力計(jì)算書,本船錨系統(tǒng)方案采取4只20 t海軍錨和4只15 t丹福斯錨配置方案,其中錨索選用長度1 000 m的鋼絲繩。每只工作錨配備1臺定位錨絞車,共計(jì)8臺900 kN定位絞車。在自存工況下,合理的拋錨方式能夠保證船舶的安全抗風(fēng)性能。

本船配備的一鍵自動(dòng)錨泊定位系統(tǒng),可以快速自動(dòng)將打樁船準(zhǔn)確定位到打樁位置,且在打樁過程中能始終通過錨泊系統(tǒng)保持船位,顯著提高打樁速度和沉樁精度。

本船首次在打樁船上配置DP0輔助動(dòng)力定位系統(tǒng),艉部設(shè)置2臺1 500 kW全回轉(zhuǎn)電動(dòng)推進(jìn)裝置,艏部設(shè)置2臺600 kW側(cè)推,增加了船舶的機(jī)動(dòng)性,滿足了短距離移位和狹窄水域的定位需求。

3 船體及樁架結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)

本船樁架高達(dá)140 m,總布置圖見圖2。

圖2 “一航津樁”號總布置圖(單位：m)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有特殊性,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需從全船總縱強(qiáng)度、局部強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面考慮。本船按照中國船級社規(guī)范要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并通過船體建模對船舶整體強(qiáng)度及設(shè)備加強(qiáng)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行校核。本船尺度比超規(guī)范,依據(jù)規(guī)范進(jìn)行常規(guī)總縱強(qiáng)度校核,同時(shí)通過全船有限元建模,施加各裝載工況下的靜水載荷,以及依據(jù)水動(dòng)力學(xué)直接計(jì)算方法獲取船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和波浪載荷響應(yīng),對全船結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核,以保證全船的總強(qiáng)度。

本船主體結(jié)構(gòu)材料為屈服極限235 MPa的船用低碳鋼,在局部需要加強(qiáng)的區(qū)域采用加厚的板材或屈服極限為355 MPa的船舶結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度鋼。本船通過合理選擇材料等級和厚度,降低鋼材使用量,減輕重量、降低成本,提高船舶的使用經(jīng)濟(jì)性。

設(shè)計(jì)過程中,通過全船三維有限元對局部及整個(gè)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接分析,并逐步優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)方案,在控制全船結(jié)構(gòu)重量的同時(shí),獲取最佳的結(jié)構(gòu)布置方案。

在象鼻梁底座、油缸底座、臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的底座及樁架托架位置,設(shè)置局部短艙壁一直垂向貫通至船底外板,在各層甲板、平臺、水平桁位置予以對應(yīng)的加強(qiáng),確保集中載荷的作用反力能有效地傳遞。

樁架主結(jié)構(gòu)采用三弦桿三角形變截面桁架結(jié)構(gòu),樁架主弦桿、橫桿和斜桿采用高強(qiáng)度鋼管,可降低樁架結(jié)構(gòu)重量和重心,確保樁架強(qiáng)度。降低樁架重量,同時(shí)能夠減小主油缸的推力和拉力,以降低主油缸的制造成本和難度。

4 結(jié)論

本船的總體設(shè)計(jì)原則全面響應(yīng)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求,論證各技術(shù)參數(shù),優(yōu)化船型、布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),設(shè)備選型合理,滿足船東提出的具體作業(yè)要求和相關(guān)的法規(guī)、規(guī)范要求,設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

總體設(shè)計(jì)思路及技術(shù)路徑如下：根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求,全面論證各技術(shù)參數(shù),分析出關(guān)鍵技術(shù)問題,參考同型船舶的成功經(jīng)驗(yàn),利用現(xiàn)有成熟技術(shù)及相關(guān)試驗(yàn),分析計(jì)算進(jìn)行解決。根據(jù)本船樁架高度要求、作業(yè)水域要求范圍廣的特點(diǎn),梳理出關(guān)鍵技術(shù)問題如下：

(1) 船舶主要量度論證。結(jié)合本船的作業(yè)海況和各種打樁作業(yè)工況,并考慮到5.0 m打樁作業(yè)吃水下的船舶各種性能要求,進(jìn)行同類型船舶的對比、穩(wěn)性的計(jì)算、耐波性分析。

(2) 船舶定位能力分析。根據(jù)環(huán)境條件要求,重點(diǎn)分析了定位及抗風(fēng)工況,由此確定錨泊設(shè)備和輔助動(dòng)力定位設(shè)備。

(3) 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下,降低用鋼量,更好地保證船舶作業(yè)性能。優(yōu)化樁架系統(tǒng)設(shè)計(jì),在保證打樁高度條件下,進(jìn)行樁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),確保打樁系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

“一航津樁”號打樁船能夠適應(yīng)外海復(fù)雜海況下施工要求,可用于海上風(fēng)電高樁承臺樁、導(dǎo)管架樁及大型梁樁基等施工。該特大型打樁船的研制與開發(fā),是打樁船技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破。