浮船塢理論抬船時(shí)間分析

劉云鵬， 何慧彬， 邵建練

（1.交通運(yùn)輸部煙臺(tái)打撈局，山東煙臺(tái)264000；2.上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海200125；3.上海佳豪船海工程研究設(shè)計(jì)有限公司，上海201612）

0 引 言

浮船塢是半潛船的一種，主要用于修船和造船，還可用于打撈沉船、運(yùn)送深吃水船通過(guò)淺水航道等。浮船塢的主要作業(yè)特點(diǎn)是具備壓載下潛和排水抬船功能。

抬船作業(yè)所需時(shí)間是浮船塢的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，直接影響該型船的作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)性。如何在設(shè)計(jì)階段較為準(zhǔn)確地預(yù)估浮船塢理論抬船作業(yè)時(shí)間是該型船設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

常規(guī)的浮船塢抬船作業(yè)采用壓載泵動(dòng)力排載的方式，利用壓載泵將壓載艙內(nèi)的壓載水通過(guò)壓載管系排至舷外，實(shí)現(xiàn)浮船塢抬船。在抬船作業(yè)過(guò)程中，壓載管系管路阻力特性的動(dòng)態(tài)變化會(huì)導(dǎo)致離心式壓載泵的實(shí)際排量不斷發(fā)生變化，進(jìn)而使抬船作業(yè)時(shí)間精確計(jì)算變得困難。目前通常假定壓載泵排量在抬船作業(yè)過(guò)程不變對(duì)理論抬船作業(yè)時(shí)間進(jìn)行估算，本文通過(guò)實(shí)船設(shè)計(jì)案例分析浮船塢抬船過(guò)程的特性，提供一種相對(duì)準(zhǔn)確的理論抬船作業(yè)時(shí)間估算方法。

浮船塢通常采用重力進(jìn)水的方式下潛作業(yè)，重力進(jìn)水的快慢取決于浮船塢舷外吃水與艙內(nèi)壓載艙水位的壓差及重力進(jìn)水管徑等因素，很難通過(guò)理論計(jì)算方法求出理論下潛作業(yè)時(shí)間，常規(guī)的做法是根據(jù)同類(lèi)船型的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在同尺寸壓載管徑下，重力下潛作業(yè)速度遠(yuǎn)大于通過(guò)壓載泵排的抬船作業(yè)速度，而實(shí)際下潛作業(yè)時(shí)間很大程度上取決于操作人員對(duì)壓載系統(tǒng)和浮船塢穩(wěn)性的了解程度。因此，浮船塢下潛作業(yè)時(shí)間一般不作為浮船塢考核指標(biāo)，本文不對(duì)其進(jìn)行描述。

1 浮船塢壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為順利實(shí)現(xiàn)壓載下潛和排水抬船操作，浮船塢必須具有大容量的壓載水艙和大排量的泵排系統(tǒng)，這是浮船塢壓載系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。為方便說(shuō)明，下面以某實(shí)船設(shè)計(jì)案例為例闡述常規(guī)浮船塢壓載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

1.1 壓載艙布置

常規(guī)浮船塢80%～90%的空間都被設(shè)置成壓載艙，以滿足浮船塢壓載下潛和排水抬船作業(yè)對(duì)壓載水量的需求；同時(shí)，為使作業(yè)過(guò)程中各壓載艙進(jìn)水、排水相對(duì)均勻，保證浮船塢具有良好的浮態(tài)，各壓載艙盡量均勻布置。

圖1為某浮船塢壓載艙布置圖，共設(shè)24個(gè)壓載艙，各壓載艙均勻布置，舷側(cè)底壓載艙與塢墻內(nèi)壓載艙連通作為邊壓載艙。

圖1 某浮船塢壓載艙布置圖

1.2 壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

壓載系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)浮船塢壓載下潛作業(yè)過(guò)程中向船塢內(nèi)重力注入壓載水及排水抬船作業(yè)過(guò)程中向船塢外動(dòng)力排出壓載水。一般大型浮船塢因需具備大排量的壓載系統(tǒng)而至少設(shè)置2個(gè)泵艙，這樣不僅可滿足大排量要求，同時(shí)能使壓載系統(tǒng)的操作更為靈活，更好地實(shí)現(xiàn)浮船塢作業(yè)過(guò)程中對(duì)船體浮態(tài)的調(diào)整。

圖2為該浮船塢壓載水系統(tǒng)圖，為滿足抬船作業(yè)時(shí)間要求，提高系統(tǒng)操作的靈活性，將整個(gè)壓載系統(tǒng)分為4組，4個(gè)泵艙；每組設(shè)置2個(gè)重力注水海水箱和2臺(tái)動(dòng)力排水壓載泵（單泵排量及壓頭為2 000 m3/h×8 m），其中1個(gè)重力海水箱和1臺(tái)壓載泵負(fù)責(zé)為就近的3個(gè)壓載水艙重力注水和動(dòng)力排水。這相當(dāng)于將整個(gè)壓載系統(tǒng)分成8個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)3個(gè)壓載水艙的注入壓載水和排出壓載水作業(yè)；同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)備用，前后4個(gè)子系統(tǒng)之間設(shè)置聯(lián)通管路并加隔離閥。

2 理論抬船作業(yè)時(shí)間估算

抬船作業(yè)時(shí)間不僅是浮船塢作業(yè)的重要指標(biāo)之一，也是壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，船東通常會(huì)根據(jù)實(shí)際使用需要對(duì)理論抬船作業(yè)時(shí)間提出要求。為使該技術(shù)指標(biāo)符合要求，需盡量準(zhǔn)確估算理論抬船作業(yè)時(shí)間。

2.1 傳統(tǒng)估算方法

傳統(tǒng)的抬船作業(yè)時(shí)間估算方法假定壓載泵排量在抬船作業(yè)過(guò)程中不變，即不考慮抬船作業(yè)過(guò)程中壓載管系管路阻力特性的動(dòng)態(tài)變化會(huì)導(dǎo)致離心式壓載泵的實(shí)際排量不斷發(fā)生變化。

圖2 浮船塢壓載水系統(tǒng)圖

圖3 為該浮船塢的沉浮曲線圖，能很清晰地體現(xiàn)浮船塢的舷外吃水和艙內(nèi)壓載艙水位與排水量的關(guān)系。由圖3可知，該浮船塢抬船作業(yè)（從最大沉深抬至工作吃水）所需的排水量為15 167 t，且抬船過(guò)程中最大的艙內(nèi)壓載水位與舷外吃水高差為7.046 m，這2個(gè)數(shù)據(jù)是設(shè)計(jì)壓載系統(tǒng)所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。由圖2可知，該浮船塢共配置8臺(tái)壓載泵，用于在抬船作業(yè)過(guò)程中排出艙內(nèi)的壓載水，單臺(tái)泵的排水量和揚(yáng)程為2 000 m3/h×8 m，布置在4個(gè)泵艙（每個(gè)泵艙設(shè)置2臺(tái)壓載泵）。相應(yīng)的理論抬船時(shí)間可按照8臺(tái)壓載泵同時(shí)作業(yè)、壓載泵排量不變進(jìn)行計(jì)算，即

式（1）中：T為抬船作業(yè)時(shí)間，min；V為抬船作業(yè)所需排水量，m3；Q為壓載泵總排水量，m3。

基于上述計(jì)算，該船塢給出的理論抬船作業(yè)時(shí)間為56.8 min。

圖3 浮船塢沉浮曲線圖

2.2 建議估算方法

由上述分析可知，采用傳統(tǒng)的估算方法估算該浮船塢的抬船作業(yè)時(shí)間所得結(jié)果較為粗糙，主要存在的問(wèn)題是：

抬船作業(yè)時(shí)間是基于壓載泵排量不變的假設(shè)估算的，而實(shí)際上壓載泵會(huì)隨著壓載管系管路阻力特性的變化而偏離額定工作點(diǎn)，相應(yīng)的排量也會(huì)不斷發(fā)生變化。為更準(zhǔn)確地估算抬船作業(yè)時(shí)間，需依據(jù)沉浮曲線了解浮船塢在抬船作業(yè)過(guò)程中的特性，結(jié)合相應(yīng)的壓載系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算。

壓載泵實(shí)際工作狀態(tài)點(diǎn)應(yīng)是壓載泵特性曲線與壓載管路特性曲線的交點(diǎn)，而由于浮船塢在抬船作業(yè)過(guò)程中舷外吃水與壓載艙艙內(nèi)水位高差是持續(xù)變動(dòng)的，導(dǎo)致壓載管路的特性曲線與壓載泵的交點(diǎn)也在持續(xù)變動(dòng)，相應(yīng)的壓載泵排量也在持續(xù)變化。

圖4為抬船作業(yè)工況下壓載管排水剖面示意。壓載管路特性方程為

式（2）中：H為壓載泵所需總壓頭，m；Hst為浮船塢舷外吃水與壓載艙艙內(nèi)水位高差，m；SH為管路阻抗，m；Q為管內(nèi)水流量，m3/h。

圖4 抬船作業(yè)工況下壓載管排水剖面示意

在同一管路中，管路阻抗SH為常數(shù)，計(jì)算式為

式（3）中：H-Hst為管路阻力壓頭，m；SH為管路阻抗，m；Q為管內(nèi)水流量，m3/h。

通過(guò)式（3），采用代入法計(jì)算壓載管路阻抗SH，當(dāng)管內(nèi)流量取2 000 m3/h時(shí)，管路阻力壓頭約為4 m（管系阻力包括沿程阻力和局部阻力，計(jì)算方法較為常規(guī)，本文不作贅述），壓載管路阻抗SH=1×10-6m。因此，壓載管路特性方程為

圖5為抬船作業(yè)曲線，反映出該浮船塢抬船作業(yè)（從最大沉深12.600 m抬至工作吃水3.300 m）過(guò)程。根據(jù)舷外吃水與壓載艙內(nèi)水位的高差情況，將整個(gè)作業(yè)過(guò)程可分為4個(gè)階段，各階段舷外吃水與壓載艙內(nèi)水位的高差隨著排水量的變化而勻速變化。

1）階段4：舷外吃水與壓載艙內(nèi)水位的高差由4.180 m勻速增大至7.046 m，排水量V4=2 967 m3。該階段舷外吃水與壓載艙內(nèi)水位的平均高差Hst4=5.600 m，壓載管路特性方程為H=5.600+1×10-6Q2，其特性曲線見(jiàn)圖6。通過(guò)查詢?cè)撉€與壓載泵特性曲線的交點(diǎn)可知，該階段單臺(tái)壓載泵平均排水量Q4=1 840 m3/h。

2）階段3：舷外吃水與壓載艙內(nèi)水位的高差由7.046 m勻速減小至3.200 m，排水量V3=9 357 m3。該階段舷外吃水與壓載艙內(nèi)水位的平均高差Hst3=5.123 m，壓載管路特性方程為H=5.123+1×10-6Q2，其特性曲線見(jiàn)圖6。通過(guò)查詢?cè)撉€與壓載泵特性曲線的交點(diǎn)可知，該階段單臺(tái)壓載泵平均排水量Q3=1 880 m3/h。

3）階段2：舷外吃水與壓載艙內(nèi)水位的高差由3.200 m勻速減小至2.180 m，排水量V2=879 m3。該階段舷外吃水與壓載艙內(nèi)水位的平均高差Hst2=2.690 m，壓載管路特性方程為H=2.690+1×10-6Q2，其特性曲線見(jiàn)圖6。通過(guò)查詢?cè)撉€與壓載泵特性曲線的交點(diǎn)可知，該階段單臺(tái)壓載泵平均排水量Q2=2 100 m3/h。

4）階段1：舷外吃水與壓載艙內(nèi)水位的高差由2.180 m勻速增加至2.200 m，排水量V1=1 964 m3。該階段舷外吃水與壓載艙內(nèi)水位的平均高差Hst1=2.190 m，壓載管路特性方程為H=2.190+1×10-6Q2，其特性曲線見(jiàn)圖6。通過(guò)查詢?cè)撉€與壓載泵特性曲線交點(diǎn)可知，該階段單臺(tái)壓載泵平均排水量Q1=2 200 m3/h。

圖5 抬船作業(yè)曲線

圖6 壓載泵特性曲線及各階段壓載管路特性曲線

抬船作業(yè)總抬船時(shí)間的計(jì)算式為

式（5）中：T1為抬船時(shí)間，min。該時(shí)間比“2.1”節(jié)中估算的時(shí)間稍長(zhǎng)，但相對(duì)更接近實(shí)際。若需要更為準(zhǔn)確的理論抬船時(shí)間，可對(duì)上述階段進(jìn)一步細(xì)分，但計(jì)算方法一致。

3 結(jié) 語(yǔ)

由上述計(jì)算可知，實(shí)際計(jì)算的抬船作業(yè)時(shí)間比采用傳統(tǒng)計(jì)算方法所得時(shí)間要長(zhǎng)，主要是因?yàn)殡A段3和階段4壓載泵向左偏離額定工作狀態(tài)點(diǎn)，導(dǎo)致壓載泵實(shí)際排量均少于壓載泵額定排量，而這2個(gè)階段又是排水量最大的階段。

計(jì)算理論抬船作業(yè)時(shí)間最大的困難是確定抬船作業(yè)過(guò)程中壓載泵的實(shí)際排量。本文通過(guò)分析抬船作業(yè)過(guò)程的沉浮曲線，對(duì)抬船作業(yè)過(guò)程進(jìn)行細(xì)分，首先計(jì)算各階段的壓載泵實(shí)際排量，其次計(jì)算各階段的抬船時(shí)間，最后對(duì)各階段的抬船時(shí)間進(jìn)行累加得到最終的理論抬船時(shí)間，計(jì)算結(jié)果與采用傳統(tǒng)估算方法所得結(jié)果相比更準(zhǔn)確，而階段劃分得越細(xì)，其計(jì)算結(jié)果越接近實(shí)際值。