5 000 t起重鋪管船調載系統設計技術

冷喜嘉， 邵建練

(1.上海振華重工(集團)股份有限公司， 上海 200125； 2.上海佳豪船舶工程設計股份有限公司， 上海 201612)

5 000 t起重鋪管船調載系統設計技術

冷喜嘉1， 邵建練2

(1.上海振華重工(集團)股份有限公司， 上海 200125； 2.上海佳豪船舶工程設計股份有限公司， 上海 201612)

該文介紹了5 000 t起重鋪管船調載系統設計的關鍵技術，為后續相關類似船舶的調載系統設計提供了參考。

調載系統 抗橫傾 安全

1 簡介

5 000 t起重鋪管船是具有動力定位和錨泊定位能力的自航全回轉起重船，船艉設置一臺船艉固定吊5 000 t/全回轉吊3 500 t起重能力的大型海洋工程起重機。本船在3 500 t全回轉起重作業時需具備與其相匹配的橫向調載能力，以保證本船的橫傾和縱傾在合理的范圍內。當全回轉起重機所吊3 500 t重物從船艉轉向舷側時，起重機和重物重心的變化導致其施加給船的力矩發生變化，從而使船產生橫傾，如不采取相應措施，船會有發生傾覆的危險(反之亦然)。為平衡上述變化，需要向反方向調撥壓載水，使船的橫傾控制在安全范圍之內。船舶調載系統的作用是根據船舶營運需要，對全船壓載艙進行注入、排出或調駁，以達到調整船舶吃水、船體縱橫向平衡及船舶穩心高度的目的，故對于本船而言，合適的調載系統對本船起重作業安全至關重要。

2 5 000 t起重鋪管船調載系統設計

大型全回轉起重船調載系統的設計相對常規船舶調載系統的特點在于：系統除常規調載系統功能外，還需滿足全回轉起重機回轉作業工況下對橫傾水的調節能力要求。調載系統設計原則：首先，須保證系統滿足總體對調載功能的要求(包括對壓載艙及橫傾水艙注入、排出及快速調橫傾)；其次，常規大型起重船壓載艙均比較多，系統管系相對復雜，因此系統設計需盡量考慮船員操作方便，系統功能實現安全、可靠。

基于上述原則，下文根據本船總體壓載、調橫傾艙布置以及功能要求對本船調橫傾系統設計進行說明。

2.1 壓載艙布置及典型調載工況

2.1.1 壓載艙布置

本船壓載艙共42個，其中設置12對(共24個)壓載艙兼作為調橫傾水艙，分別是NO.4～NO.9A邊壓載水艙(P&S)及NO.4～NO.9B邊壓載水艙(P&S)(見圖1)，壓載兼調橫傾水艙分上下層布置(該布置有利于船舶重心調整，可適當調整船舶穩性和橫搖固有周期)，總壓載艙艙容約為37 000m3，壓載兼調橫傾水艙艙容約為24 800m3。

圖1 壓載艙布置圖

2.1.2 典型調載工況

本船在全回轉起重作業時需要調載壓載水確保船舶的橫傾角限制在一定范圍內。根據本船的《全回轉起重作業工況壓載水調載操作手冊》可知，本船起重機最大橫傾力矩工況為：起吊3 500t貨物，力臂幅值45m，初始工況艉吊，然后起重機向左舷回轉，回轉到左舷(90°)所需時間≤14min。故本船抗橫傾系統應能滿足上述工況下調載能力的要求。

2.2 壓載及抗橫傾系統

對于采用壓載泵型式的調載系統，目前常用的兩種調載系統配置如下。

(1) 壓載泵與抗橫傾泵相互獨立，設置獨立的壓載泵用于壓載艙的壓載及排空，以及壓載艙的前后調駁，且每對抗橫傾艙設置獨立的抗橫傾泵用于調傾。

(2) 僅設置調載泵，該泵既作為抗橫傾泵，也作為壓載泵。

上述兩種調載系統配置對比如表1所示。

表1 兩種調載系統配置

綜上所述，考慮本船調橫傾水艙較多、調載水量大，本船采用壓載泵與抗橫傾泵相互獨立的方式作為本船調載系統。該方式壓載、抗橫傾管徑小，壓載水處理裝置容量小，方便設備及管系布置。同時系統自動控制技術成熟，船員操作簡便。

2.2.1 壓載泵的選取

本船壓載泵作為船舶壓載艙注入、排出以及航行過程中壓載艙調駁以調整船舶浮態使用，不作為全回轉起重工況船舶調橫傾用。

考慮本船為帶“SPS(特種用途船)”附加標志船舶，且載運人員數為398人(超過240人)，需滿足安全返港要求，故本船設2臺壓載泵，分別布置在艏、艉泵艙，相應配置2臺壓載水處理裝置。

本船壓載艙布置如圖2所示，根據本船《初步裝載手冊》，本船典型營運工況如下。

圖2 壓載艙布置

從上述可知，本船在出港前裝載100%油水后需壓載到設計吃水7.5 m，到達作業區域后，船舶需預壓到作業前裝載工況。查取本船《初步裝載手冊》可知：100%油水(無貨)設計吃水工況壓載水總量4 966 t，此時吃水7.5 m；100%油水(無貨)起重機全回轉起吊工況壓載水總量約為23 400 t，此時吃水約為9.8 m。本船壓載能力考慮：8 h內將本船從航行工況壓載到最大起重作業前工況。那么壓載泵總容量計算如下：

根據上述計算，本船設置立式、離心、自吸壓載泵2臺，每臺壓載泵容量為1 200 m3/h，壓載泵壓頭考慮壓載艙最大高度15 m，管系阻力損失及壓載水處理裝置阻力損失，壓頭取：0.28 MPa。

2.2.2 壓載管系設計

本船左、右舷分別設置1個管系通道，每個管系通道中布置1根壓載總管，且采用單總管型式(即該總管既作壓載排出管，又作注入管)，各壓載艙通過壓載水支管分別就近連接到壓載總管上。左、右壓載總管連通，整個壓載系統形成一個環路，方便壓載艙的左右及前后調駁，同時左右壓載總管中部設置隔離閥，以便前后分區，分別通過前、后壓載泵調節壓載水，如圖3所示。

圖3 壓載系統圖

2.2.3 壓載水系統閥門遙控及液位遙測

本船由于壓載系統閥件繁多，壓載系統調載時不便人員就地手動操作，故整個壓載系統采用遙控閥，相應的各壓載艙設置液位遙測。考慮到本船主尺度較大、壓載控制閥門遍布整船，本船遙控閥采用電液式，可以有效地避免液動或氣動閥門管系布置困難、液壓管或壓縮空氣管泄露等問題。同樣液位遙測采用壓電式。

2.2.4 抗橫傾泵的選取

本船抗橫傾泵僅作為全回轉起重工況船舶調橫傾用，不能對壓載艙進行前后調駁或注入、排出。

根據本文2.1.2中所述的“典型調載工況”：起吊3 500 t貨物，力臂幅值45 m，初始工況艉吊，然后起重機向左舷回轉，回轉到左舷(90°)所需時間≤14 min。通過上述要求，總體專業計算出起重機回轉90°相應抗橫傾水艙所需調載水量，相應可計算出所需抗橫傾泵容量，如表2所示。

表2 抗橫傾泵容量

從表2中可知，本船配置抗橫傾艙共12對，每對抗橫傾艙設置2臺抗橫傾泵，抗橫傾參數為：12臺1 200 m3/h×0.15 MPa, 12臺800 m3/h×0.15 MPa。抗橫傾泵均為雙向泵。

2.2.4 抗橫傾管系設計

本船配置抗橫傾艙共12對，每對抗橫傾艙設置2臺抗橫傾泵。抗橫傾泵均為雙向泵，抗橫傾管系上設有遙控蝶閥，遙控閥與抗橫傾泵聯鎖，系統典型圖如圖4所示。

圖4 抗橫傾典型系統圖

2.2.5 抗橫傾系統自動控制

本船抗橫傾系統型式在集裝箱船上應用普遍，控制系統成熟，通過系統自帶橫傾儀感測船舶橫傾，當船舶橫傾值超過設定值時通過中控單元自動控制抗橫傾泵啟動向反方向調載以控制船舶橫傾(啟動泵前同時聯鎖開啟相應管系上的遙控閥門)，當船舶橫傾回復正常范圍后系統自動停止。此外也可以在中控單元及泵的就地控制箱上實現手動控制，保證船舶安全。典型控制系統如圖5所示。

圖5 抗橫傾典型控制系統圖

采集控制單元、液位開關、橫傾儀信號，通過邏輯判斷實現系統自動控制及遠程操作可從圖5中看出，整個系統主要部件如表3所示。

本船考慮抗橫傾泵數量較多(共24臺)，抗橫傾系統廠家無法判斷各種起重工況下需要調載哪幾對橫傾艙。因此，本船整個抗橫傾系統由本船集中自動化廠家KONGSBERG控制，相對于常規抗橫傾廠家的控制系統(見圖5)，KONGSBERG還可以采集裝載儀數據，可通過裝載儀數據告知需調載艙室，以達到各種工況下自動控制調載相應橫傾艙。

3 結語

本文對5 000 t起重鋪管船調載系統設計的主要技術要求及對應解決方案作了較為詳細的論述，通過計算、比較等方法說明本船壓載及抗橫傾系統(即調載系統)設計符合本船總體技術要求，滿足最大起重工況調載能力要求。此外，整個系統功能界面清晰(壓載與抗橫傾分開)，設置壓載水處理裝置滿足最新環保要求，系統控制既能遠程或就地手動操作，也可根據裝載數據實現自動抗橫傾控制，系統控制簡單、安全、可靠。

[1] 陳雷, 李含萍. 超大型起重船壓載調載系統研究設計[J]. 船舶, 2010, 1: 34-38.

[2] CB/Z 201-82.水面艦艇和壓載水系統設計方法[S].2006.

[3] 中國船級社.鋼質船入級規范第三分冊[S]. 2012.

[4] 中國船舶工業總公司. 船舶設計使用手冊[M]. 北京：國防工業出版社，1999.

[5] 柏先勇. 船舶自動抗橫傾系統[J]. 機電設備, 2004,6: 5-7.

Design Technique of Ballast System for 5 000 t Hoisting and Pipelaying Vessel

LENG Xi-jia1, SHAO Jian-lian2

(1. Shanghai Zhenhua Heavy Industry Co., Ltd., Shanghai 200125, China； 2. Shanghai Bestway Marine Engineering Design Co., Ltd., Shanghai 201612, China)

This article introduces the key design technique of ballast system for 5 000 t hoisting and pipelaying vessel, and provides a reference for future similar system design.

Ballast system Anti heeling Safety

冷喜嘉(1981-)，男，工程師。

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