50 000 t半潛船下潛試驗關鍵技術

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(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451;2.中集船舶海洋工程設計研究院有限公司，上海 201206)

半潛船屬于特種運輸工程船舶之一，主要用于運輸大型海洋工程結構物、大型門吊、儲油罐、潛艇、軍艦等[1- 2]。與常規的貨船相比，半潛船裝貨方式跟浮船塢類似且具有自身的特點。浮船塢兩舷有塢墻，在下潛及上浮過程中水線面面積變化較小，船體外形對穩性的影響較小。半潛船為裝運較寬大的貨物而布置有無障礙的直通主甲板，且為了保證主甲板在完全入水后能增加水線面積，提高穩性，在船艉安裝一對可移動的浮箱。半潛船在載運大型浮體貨物時，先打壓載水使船潛到水面以下一定深度，然后將待運漂浮物拖運到主甲板上方并定位，再通過排出壓載水使船上浮并調整相應的浮態，使貨物落在主甲板上浮出水面，牢固綁扎后進行運輸。半潛載運方式獨特，相比大型浮吊，能夠安全高效地載運更大尺度及重量的大型貨物[3]。

本半潛船為三島式設計，主甲板浸沒后，露出水面的只有艏樓及艉部一對浮箱，此時船舶自身的水線面面積很小，橫向初穩性高較小，下潛過程見圖1。半潛船橫向初穩性高在下潛過程中存在“頸部”現象，主甲板浸沒后，橫向初穩性高急劇減小甚至可能出現負值，壓載操作不當可能導致船舶傾覆的危險，因此對半潛船下潛過程中的關鍵性的影響因素進行研究是非常必要的。

50 000 t半潛船主要技術參數如下。

總長：227.00 m；

垂線間長：220.60 m；

型寬：43.00 m；

型深：13.50 m；

設計吃水：10.00 m；

設計航速：14.5 kn；

總噸：43 788；

船員：55人；

船級符號：CCS；

主機類型：MAN 14V32/40。

圖1 50 000 t半潛船下潛過程

1 下潛初穩性分析

1.1 下潛過程中初穩性分析

半潛船隨著吃水的變化，船舶靜水力參數也隨之變化，進而影響船舶的初穩性。船舶初穩性高公式為[4- 5]：

(1)

(2)

(3)

本船入級CCS，下潛作業穩性衡準及環境條件應滿足CCS船級社《鋼質海船入級規范》第2篇第1章1.9.6要求。

1.2 下潛工況

在下潛過程中，由于打壓載水是一個連續的過程，因此需要考慮中間過程中最不利的情況。對于每個步驟中發生變化的壓載艙，無論是部分裝滿或滿艙，應按照最大的自由液面力矩修正。表1為下潛過程中的配載工況。

表1 下潛工況

1.3 自由液面的影響

(4)

式中：ρ為液體密度；ix為自由液面的面積對傾斜軸線的縱向慣性矩；Δ為排水量。

表2 20個慣性矩最大的艙自由液面的修正

2 下潛過程關鍵性控制因素

空船下潛過程中，當主甲板剛完全浸沒時，船體水線面突然減小，穩性值達到最小。為了使穩性參數平穩過渡，防止快速切變，及時預防可能發生的不利情況，通常采用艏傾下潛，一般縱傾角控制在2°以內。從艏部先入水，然后逐漸過渡到尾部，使主甲板緩慢淹沒。

在主甲板即將入水前，由圖3主甲板剛浸沒時壓載水配載工況可知：85%以上的壓載艙已經打滿，至最大沉深，剩余需要打壓載水的艙并不多。主甲板入水后，隨著吃水的增加，穩性有逐漸升高的趨勢，因此下潛關鍵節點是控制主甲板剛入水時的穩性滿足衡準要求。自由液面對穩性的影響非常重要，如何減小液艙自由液面的影響，使滿壓載艙確保滿艙是關鍵，實際操作壓載下潛過程中的影響因素有：

2)空氣管U形彎。壓載艙的空氣管在安裝時往往存在著空氣管避讓結構和管路的現象，將導致上行或者下行的U形彎管存在。在下潛過程中，海水一旦進入空氣管路就會在U形彎管的部位形成水堵現象，導致壓載艙內部形成密封的空氣氣囊，壓載艙難以壓滿，形成不利的自由液面修正而影響穩性。

3)壓載空壓機的真空度。壓載空壓機通過反抽形成負壓，較高的真空既能保證較高的壓載速度，又能確保少量的水不會在U型彎管部位形成水堵現象。

4)液位遙測系統。液位遙測系統需考慮較大的縱傾修正，縱傾值需覆蓋到縱傾2°以上。液位遙測表數值一般只到艙室最大高度，這樣在正浮的時候對應的是滿艙容，而當縱傾較大時艙容小于實際的最大艙容。這樣給操作者一個錯覺：已經滿艙容的壓載艙在船舶縱傾時液位遙測會顯示90%甚至更低的液位。因此液位遙測表數值錄入遙測系統時，在所有的縱傾下對應的最大值都應是滿艙艙容。

5)裝載儀配載。船舶裝載儀能夠幫助核算和調整船舶的浮態、穩性和強度，提供操作人員必要的信息，確保船舶的裝卸載及航行安全。本船在艏部布置上層建筑，艉部有兩個浮箱，中間是平直的主甲板，重量分布呈兩頭重中間輕，因此在淺吃水壓載水配載的時候應密切關注彎矩及剪力在許可范圍內。

6)操作系統熟練程度。空氣壓載系統的操作和傳統的泵壓載系統不同，下潛時操作者應對該套操作系統熟練掌握。在下潛壓載時，當壓載艙內部液位高于70%時，應該調節該壓載艙的海水系統的比例閥的開度到30%左右，隨著液位的增高逐步關小該比例調節閥，從而確保海水不進入壓載空氣系統。在上浮排載時，壓載艙內部的液位低于30%時，應該調節該壓載艙的海水系統的比例閥的開度到30%左右，隨著液位的降低逐步關小該比例調節閥的開度，以確保大量的空氣不會排出到船舶周圍而被吸進中央海水冷卻系統的海水管路里。

3 壓載系統操作

在下潛作業前， 需用壓載空壓機吹掃壓縮空氣管，即排壓載模式，確保壓縮空氣管內沒有水封。檢查其他非工作閥門處于關閉狀態。實際操作時至少同時操作一對艙，下面以一個壓載水艙為例介紹具體的壓載操作。

1)快速進水階段。打開通海閥使壓載艙進水,開啟壓載空壓機負壓模式，通過閥調節壓載艙內負壓,同時不引起空壓機的卸載。規格書要求的空壓機抽負壓值為-50 kPa, 實際卸載值設定不用超過-50 kPa。

2)壓載艙滿水階段。監測閥門遙控操作臺，壓載艙進水量達到70% 時，操作進水閥, 使其開度為30%,減小海水注入速度。當壓載控制臺MIMIC圖顯示的艙內水量不再增加時，調節該閥門到全開，同時關閉通海閥。

3)準備下一對艙的操作。若壓載水艙無法100%滿水，可以反向操作，進行排壓載，吹掃壓縮空氣管內的積水。在液位遙測系統觀察到艙內容積有下降后即可停止吹掃，然后重復上述操作。此時通海閥開度可以控制在30%，同時注意此時調整閥開度，從全開慢慢關小，艙內的負壓能使液面慢慢上升即可。

4)主甲板入水時的操作。在主甲板入水時，盡可能減慢海水的注入速度，注意海水注入速度的控制是通過可開度調節的通海閥來實現的。而壓載艙的透氣應一直保持負壓模式，不需要用自然透氣。

5)注意事項。①不要用泄放管路，若擔心壓縮空氣管內有水封，就反向排壓載作業，吹掃管內積水。②作業時不要用自然透氣，進水時用空壓機抽負壓，用集管上的壓力調節閥調節負壓。③本船艉部泵艙壓載系統與壓載水處理系統是相連的。應急情況下，艉壓載泵與壓載水循環泵都可以通過壓載水處理系統管路來進行壓載水駁運，但此時由于泵的壓頭高，可能會將水泵至集管間，需安排人員監控集管間的自然透氣口。

4 結論

3)由于透氣管布置等方面的原因，應該打滿的壓載水艙可能并沒有按照下潛程序要求打滿，存在自由液面。在主甲板入水前，85%的壓載艙都是滿艙，應對滿艙反復進行查艙以確保滿艙。

4)在打壓載水的過程中，空氣管U形彎的存在可能形成水堵，難以達到滿艙。可采取反吹或調節進水閥開度的方式，限制艙室液面上升的速率及減少液面水的擾動，最終達到滿艙。

[1] 焦宇清.50 000 DWT半潛船總體設計綜述[J].船舶設計通訊，2010(123):58- 64.

[2] 蘇晨.半潛船運輸特重大件貨物安全控制研究[D].大連：大連海事大學，2012.

[3] 陳柏橋.半潛船運載裝卸海洋結構物的可行性分析及壓載方案優化[D].天津：天津大學，2009.

[4] 中國船舶工業集團公司，中國船舶重工集團公司，中國造船工程學會.船舶設計手冊- 輪機分冊[M]. 北京：國防工業出版社，2013.

[5] 杜嘉立，姜華.船舶原理[M].大連：大連海事大學出版社,2011.

[6] 張泉，田佰軍.半潛船空載半潛作業時初穩性研究[J].中國水運，2015, 15(9):38- 39.

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