深水半潛式起重鋪管船總體布置關鍵技術

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發的重要裝備，分為上浮體、立柱、下浮體三部分，船上設備眾多，全船的總體方案設計需要綜合考慮船舶運動性能、穩性、結構強度、設備布置、建造難度、總體造價等因素，設計難度較大。本文對船型總體布置設計中船型優化、上浮體布置、立柱布置、下浮體布置等幾個關鍵技術[1]進行總結。希望為國內技術人員進一步的研究提供參考。

1 船型優化

全船的總體布置方案和主尺度優化是一個不斷循環、持續改進的過程。設計出一套總布置方案后，要對浮力、穩性、運動、壓載等進行計算分析，根據分析結果再不斷完善總布置方案。優化的原則是盡可能增大垂蕩、縱搖固有周期，避開波譜能量集中區域，使船舶具備最優的運動性能。建議的優化設計過程如下。

(1) 設計方首先應根據船東的功能需求，對主要設備的尺寸、重量等參數進行調研。

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

(3) 估算空船重量重心、質量回轉半徑、風力系數、流力系數等基本參數。

(4) 核算船舶在空船吃水、航行吃水、作業吃水的排水量是否能滿足浮力需求。

(5) 進行穩性計算，根據計算結果確定最小水線面面積，并對立柱尺寸進行調整。

(6) 對船舶的固有周期、運動幅值、氣隙等進行計算，根據計算結果修正船型。

(7) 對壓載艙和抗橫傾艙的艙容進行校核，確保能夠滿足壓載和吊機回轉的要求。

(8) 綜合考慮各方面因素，對船型及艙室布置進行調整，直至各方面性能都滿足規范和船舶功能要求。

2 上浮體布置

上浮體主要分為起重作業區域、鋪管作業區域、主機艙區域和人員居住生活樓區域這四大部分，整個上浮體的布置也主要圍繞著這四大功能的實現來考慮，并且需要盡量提高作業效率。

起重作業區域的布置比較常規，兩臺主吊機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；而鋪管作業區域和主機艙區域的布置需要重點關注。

2.1 J-lay鋪管系統布置

J-lay塔布置位置有三種：舷側布置、船尾布置及船中布置。設計方應根據項目實際情況選擇合適的布置位置[2]。三種布置位置的優缺點比較如表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

整個鋪管系統除了J-lay塔還包括堆管區、管道傳輸系統、管道預制系統、A/R絞車等。確定J-lay塔布置位置后，管道預制系統和A/R絞車通常就布置在J-lay塔附近區域，方便鋪管作業。堆管區可以布置在主吊機下方區域，也可以布置在上浮體艙室中。管道傳輸系統將海管由堆管區運輸到預制系統區域，需盡量簡化傳輸路徑以提高作業效率。

2.2 機艙區域布置

半潛式起重鋪管船電力負荷需求較大，通常會設置8～12臺主機，可行的主機艙方案有四機艙和六機艙兩種方案，如圖1所示。六機艙方案與四機艙方案相比，最大故障模式動力定位(DP)冗余更小，總裝機功率略低，但是機艙需配置的冗余設備增多，如分油機、滑油系統、燃油系統、冷卻水系統、通風系統、鋼制懸鏈線立管(SCR)系統等。綜合比較后發現，兩個機艙方案的整體造價差別不大，但是六機艙方案的電氣、輪機系統設計難度更高，全船電纜布置復雜，且缺乏船舶實例，建造階段項目風險過高，推薦優先采用系統配置更為簡單的四機艙方案[3]。

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

圖1 四機艙布置方案和六機艙布置方案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動性能的關鍵。綜合考慮穩性、耐波性、氣隙等計算結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方面[4]。

(1) 由于立柱處于水面附近，存在一定碰撞破損風險，因此人員經常活動區域、電梯井、油艙等重要艙室應盡量布置在內部安全區域(立柱中心連接成的矩形內部區域，見圖2)。如需布置在外部暴露區時，須設置隔離空艙。

(2) 立柱與上浮體、下浮體的連接部位是高應力區，應盡量保證艙壁結構的連續性，并設置傾斜過渡。

(3) 立柱位置還布置有水平橫撐、系泊纜導向輪等結構，受力都較大，結構布置上應予以考慮。

圖2 安全區域示意圖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、泵艙和推進器艙，其中推進器艙的布置最為關鍵[5]。推進器的布置方案要考慮以下幾個方面。

(1) 盡量避免推進器之間的相互干擾。經計算，功率在4500kW左右的推進器相互距離在28m以上時，相互干擾才可以忽略。

(2) 推進器的布置位置應盡量遠離船舶旋轉中心，提供最大的回轉力矩。

(3) 推進器艙應有足夠空間能布置下電機、變頻器、滑油系統等輔助設備。

(4) 航行工況時，應盡量使推進器來流穩定，提高推進器推力輸出。

圖3 推進器布置方案Fig.3 Thrusters arrangement plan

推薦的推進器布置方案如圖3所示，推進器橫向干擾較小，且遠離旋轉中心。

5 結 語

本文歸納了主尺度優化的流程，對半潛式起重鋪管船的總體布置關鍵技術進行了總結，并分別對上浮體的鋪管系統布置、機艙區域布置、立柱布置、下浮體推進器系統布置等重點問題進行了闡述。希望國內技術人員繼續研究，早日建造出具有自主知識產權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化方法[J].中國海洋平臺,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.