4 000 t全回轉起重船總體布置設計

摘" " 要：為提高海上風電施工能力，設計一艘具備DP-2級動力定位、最大起重能力為固定尾吊4000t、全回轉吊3000t的自航式全回轉起重船。本文通過介紹該起重船的總體布置方案，分析了起重機系統、抗橫傾系統、動力定位和錨泊定位系統、艙室劃分原則等，闡述了該類型船舶的總體布置設計方法。通過該船的實際工程應用，證明了上述設計原則和方法的科學性和可行性，并為相似船型的總體布置設計提供借鑒。

關鍵詞：4000 t自航式全回轉起重船；總體布置設計；抗橫傾系統；DP-2

中圖分類號：U662.2" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A

General Arrangement Design of the 4 000 t Full Revolving Crane Vessel

Zhao Yangyang

（ Bestway Marine amp; Energy Technology Co.， Ltd.，" Shanghai 201612 ）

Abstract： To improve the offshore wind power construction capacity， a self-propelled full revolving crane vessel with DP-2 level dynamic positioning capability and a maximum lifting capacity of 4 000 t fixed stern crane and 3 000 t full revolving crane is designed. This article introduces the general arrangement plan of the crane vessel， analyzes the heavy crane system， anti-heeling system， dynamic positioning and anchoring positioning system， tanks division principles， etc.， and elaborates on the general arrangement design method of this type of vessel. Through the practical engineering application of the ship， the scientificity and feasibility of the above design principles and methods have been proven， and reference has been provided for the general arrangement design of similar ship types.

Key words： 4 000 t self-propelled full revolving crane vessel;" general arrangement design;" anti-heeling system;" DP-2

1" " 引言

隨著科技水平的發展和世界氣候的變化，能源安全和碳排放已成為當今世界的熱點問題。風能作為一種可再生清潔能源，世界各國對風能的利用越來越重視，海上風電市場正處于快速增長期。大型起重船作為多功能的海上風電施工船舶，主要用于海上風電樁基礎施工（包含導管架）、升壓站安裝及其他海事工程作業[1]。但國內大部分現存及建造中的用于海上風電施工的起重船存在能力缺陷，或動力定位能力不足，不具備DP-2級動力定位系統，或起重機吊高不足，多數起重船吊高不超過100 m，無法適應海上風電大型化的趨勢[2]。如我司設計并已交付的大型搶險打撈起重船“創力號”，具有最大固定尾吊4 500 t和全回轉吊3500 t起重能力，并配備DP-3級動力定位系統，但最大吊高僅95 m。而我司設計并已交付的另一條全回轉起重船“巨杰4 000”，具有最大固定尾吊4 000 t和全回轉吊2 800 t起重能力，并達到最大吊高113 m，但僅配備DP-1級動力定位系統。

上海佳豪船海工程研究設計有限公司根據船東要求，設計一艘具有DP-2級動力定位能力和錨泊定位能力的自航式全回轉起重船。該船具有固定尾吊4000 t和全回轉吊3 000 t起重能力，以及國內最大的120 m吊高能力，各項技術指標處于國內領先、國際一流水平。

2" " "設計概述

本船是一艘鋼質全焊接自航起重船，雙甲板，具備DP-2級動力定位能力和8點錨泊定位能力，作業時可根據需要選擇動力定位或錨泊定位，無限航區航行，在規定的作業環境條件下，可在全球海區作業。本船抗橫傾調載系統滿足起重機3 000 t @45 m全回轉起重作業的要求。

本船于2023年7月完成試航，并交付船東營運。

主要參數如下：

總長 ～195.00 m

水線長 189.00 m

型寬 46.90 m

型深 16.00 m

設計吃水 8.50 m

作業吃水 12.00 m

定員 150 P

航速 ～10 kn

甲板載貨量（作業海區航行）" "～8 000 t

船級符號如下：

★CSA Floating Crane；Lifting appliance；Ice Class B；PSPC（b）；In-Water Survey； SPS；

★CSM AUT-0；DP-2（CB）；Electrical Propulsion System；

G-EP（AFS， GPR，GPR（EU））；G-ECO（BWM（T））；NEC（SCRS）。

3" " "總體布置設計原則

本船的總體布置設計主要遵循以下原則：

1）主尺度選擇滿足安全、舒適、耐波性的要求；

2）按DP2級動力定位能力設計，以滿足起重作業環境條件的要求；

3）起重機能力與船舶性能、抗橫傾系統匹配，作業效率高；

4）為適應起重作業要求，設計了一套成熟高效的壓載和抗衡傾系統；

5）錨泊能力重點考慮定位及抗風工況；

6）滿足150人居住要求，確保上建布置合理，功能齊全，居住舒適。

4" " 總體設計布置

本船設流線型船艏，尾部縱向及舭部有圓角、設舭龍骨，主甲板下設有9道水密橫艙壁、2道水密縱艙壁以及2.3 m高的雙層底，將船舶分割成多個水密性艙室。總體布置見圖1及圖2，主甲板從艏至艉依次為上層建筑、堆貨作業區和主起重區，主甲板下船體內為主體功能區。

4.1" "主尺度選擇

根據設計任務書的要求，按照起重機作業需求，結合船體總縱強度、甲板面積、船舶浮態，兼顧建造成本，并且通過耐波性分析，確定本船總長為189 m。

分別從穩性、調載能力、船舶運動等方面進行分析，確定船寬為46 m。

根據作業吃水起重作業穩性、耐波性以及型深對結構強度的影響，確定深型為16 m。

4.2" "DP2動力定位

本船動力定位系統附加標志為DP-2，即單個推進器出現故障的情況下，可在規定的環境條件下和作業范圍內自動保持船舶的位置和艏向。本船艉部設3臺3000 kW全回轉推進器，艏部設3臺3 000 kW艏側推裝置，并將動力系統與推進器系統分為3個冗余的分組。

動力定位環境條件：

有義波高 2.0 m

波浪周期 8.0 s

風速 13.8 m/s

流速 2.0 kn

4.3" "起重機系統

本船主甲板尾部船體中心線上安裝一臺4 000 t重型海洋工程全回轉起重機，主要用于風電安裝和海上大型模塊、導管架等海洋工程結構物的吊裝。

起重機設置2套主鉤、1套副鉤，主鉤固定尾吊最大起重量為4 000 t @ 40 m，全回轉吊最大起重量3000t @ 45 m，最大起升高度為主甲板面以上120 m。2只主鉤可成外八字型作業，最大作業角度左右各30度。副鉤最大起重量1 200 t，最大起升高度為主甲板面以上140 m。起重機臂架擱架和吊鉤鉤箱位于船舶右舷，擱置時臂架最外側不超出船寬。

4.4" "壓載和抗橫傾系統

本船壓載水系統配置4臺800 m3/h壓載泵及1臺壓載水處理裝置，4臺壓載泵分別布置在艏、艉泵艙的左右舷，采用環形壓載總管的管路設計，壓載總管上設置分區隔離閥，可以實現4臺壓載泵分四個區域獨立進、排水，也可同時實現艏、艉或左、右壓載水的快速、靈活調駁，可以及時、有效地調整船舶浮態。

全回轉起重機在回轉起重作業時，起重機和重物重心的變化導致其施加給船的力矩變化，并使船產生橫傾。為保證回轉起重作業期間的船舶穩性，需根據作業情況調整壓載水。因此，除常規壓載水系統外，抗橫傾系統是起重機回轉作業工況下至關重要的系統，直接影響作業安全及作業效率[3]。為實現快速橫向調撥壓載水，本船設置獨立的抗橫傾系統，詳見下文“5.1 起重機系統與抗橫傾系統”。

4.5" "錨泊定位

本船配備8點錨泊定位系統，作業設計環境條件如下：

最大設計作業水深" " 100 m

有義波高 2.5 m

風速 17.1 m/s

流速 4.0 kn

本船設8臺定位錨絞車，首尾各4 臺。艉部定位錨鋼絲繩經導向滑輪從主甲板下的定位絞車導向主甲板并經導向滑輪和艉部萬向導纜器引出船外，同定位錨連接。艏部定位錨鋼絲繩經導向滑輪從主甲板的定位絞車導向中間甲板，后經導向滑輪和舷邊萬向導纜器引出船外，同定位錨連接。

4.6" "上層建筑

本船定員150人，按特種用途船SPS的要求設計，艙室布置滿足MLC海事勞工公約2006要求。設1人套間（帶會客室）4間、1人室46間、2人室50間，每個2人室的面積不小于4人室14.5 m2的要求，充分考慮船員舒適性和分區合理性。

5" " 關鍵技術和系統論證

主要系統設計和艙室布置是船舶總體布置設計的關鍵，下面對起重機系統與抗橫傾系統、動力定位系統與推進器系統、錨泊定位系統和艙室布置進行論證。

5.1" "起重機系統與抗橫傾系統

起重機的性能指標是起重船作業能力最關鍵的性能指標，起重能力的大小又與船舶各項參數密切相關。起重能力越大，船舶設計穩性要求越高，壓載艙調載、相關設備選型要求越高，對主尺度要求越高，直接提高了船舶造價。但起重能力不足，不能適應當下海上風電作業大型化的趨勢，船舶性能利用率低，經濟效益低，總體設計指標不合理。

總體設計時對海上風電施工作業的當前形勢和未來趨勢進行了充分的調研，選擇性能合適的起重機，保證既能夠滿足海上風電當前和未來的作業形勢，又兼具本船的經濟性、投資收益回報率。

國內近幾年新建的專用于海上風電施工大型起重船，起重能力多為3 000～4 500 t，本船起重能力最大尾吊4 000 t、全回轉吊3 000 t，吊高120 m，為國內最大起重高度，滿足當前及未來海上風電施工的作業要求，并且與船舶主尺度、設備選型、壓載艙調載能力合理匹配，運營經濟性高。

經過計算，本船在全回轉吊重3 000 t @ 45 m回轉90°作業時，需要向反方向調撥的水量約為4500 m3。本船在綜合考慮船舶縱傾和穩性，本船共設置10對壓載水艙，其中5對兼作調橫傾水艙，每對調橫傾水艙需要調撥的水量約為900 m3，保證船舶在航行和起重作業工況下均具有合適的浮態和穩性；共設置10臺排量為1 500 m3/h的雙向調橫傾泵，每對調橫傾水艙2臺。整個抗橫傾系統可在約20分鐘左右完成調撥上述回轉作業過程所需的壓載水。抗橫傾系統具備獨立的控制系統，可自動及手動控制。在自動控制模式下，系統需根據船舶橫傾狀態自動啟停調橫傾泵及開閉管路上的閥門等。調橫傾泵采用分區供電，提高系統冗余度，系統閥門采用氣動單作用遙控閥，該形式閥門具備開閉時間短、故障模式下自動關閉的特點，可以有效減少調橫傾艙之間的“回流效應”以及保障故障模式下船舶浮態的穩定性，有效提高作業安全。

5.2" "動力定位系統與推進器系統

動力定位系統和推進器系統設計應滿足航行能力和動力定位能力要求，兼具船舶造價和運營經濟性。

本船的動力定位系統和推進器系統分為3個冗余的分組：艏側推T1與主推進器T6及其輔助用電設備均由1號DP分組供電；艏側推T2與主推進器T4及其輔助用電設備均由2號DP分組供電；艏側推T3與主推進器T5及其輔助用電設備均由3號DP分組供電。在DP工況下，3個DP分組各自獨立運行，互不干擾。單個DP分組的故障不影響其余兩個DP分組正常運行，降低了推進器損失率，極大的提高了供電可靠性和動力定位能力。

5.3" "錨泊定位系統

海上風電施工船舶需長時間定位時，錨泊定位系統更加經濟。典型的單樁基礎施工周期約為1～2周，期間僅“吊樁、沉樁、打樁”過程需要精確定位，一般不超過24小時，施工船多數時間為待命狀態，因此采用錨泊定位系統有利于節省船舶的燃油消耗，降低運營成本。

本船在方案設計階段，根據設計任務書要求采用6點錨泊定位，經ARAINE軟件分析計算，可覆蓋65%以上的環境方位，對于其他環境方位可通過調整船位及拋錨方式達到作業要求。最終根據我司建議船東采用8點錨泊定位，可以覆蓋全方位的定位，提高了作業效率及安全性。

5.4" "艙室布置

本船上層建筑布置充分考慮相關規范規則要求和船員的生活需求，通過對船員住艙及功能服務處所的合理布置，為船員提供舒適便利的居住環境。

船員和工作人員艙室采用分區布置，便于人員管理。B甲板為船員住艙，共29人，滿足最低配員要求。A甲板前部為船員住艙，共21人，后部為工作人員住艙，共28人。艏樓甲板、中間甲板可居住工作人員72人。上建布置合理緊湊，避免了上建受風面積過大影響動力定位能力。每個臥室都有自然采光，人員分區合理，在功能區及居住區直接通過合理的隔離，達到最佳的住宿效果。

振動和噪聲會使船舶整體環境惡化，損壞各項器件，降低機械設備效能和縮短船舶壽命，影響人員的身體健康。因此，有效控制振動和噪聲，能提高船舶運行的效能，為船員提供良好的工作、生活環境，也減少對周圍環境的污染[4]。本船噪聲要求滿足MSC.337（91）《船上噪聲等級規則》。設計中首先從振動和噪聲的源頭控制，選擇噪聲小的設備，大型設備底座做加強處理，采用必要的彈性連接，避免船體共振的產生。其次在結構和隔音上作特殊考慮，通過合理的結構過度、增加隔音絕緣材料厚度，減少噪聲傳播。并通過應用能量統計法（SEA）對船舶的一些主要艙室進行預報分析，根據分析結果改進以達到更好的噪聲控制效果。航行工況和DP工況下的聲壓云圖如圖3及圖4所示。

為了確保本船的振動滿足設計要求，應用有限元法建立全船三維有限元模型，進行船體總振動、上層建筑、桅桿等結構振動分析，包括固有頻率和強迫響應計算。并對機艙、艉部及上層建筑部位板、板格、板架等局部結構固有頻率進行計算，需要滿足中國船級社《鋼質海船入級規范》第8篇第16章船舶舒適性中對船舶振動的規定的要求，以指導本船結構設計。

6" " "結束語

總體布置設計過程中，首先考慮本船性能指標和功能要求，通過參考已有的類似船型、優化主要參數和設備選型、計算性能指標并持續改進，最終保證本船具有船型設計合理、功能全面、技術先進、作業效率高等優點。4 000 t自航式全回轉起重船交付使用后，將成為海上風電施工領域功能全面、作業能力一流的工程船，并且該船的總體設計思路可供相類似船型設計借鑒。

參考文獻

[1] 鐘文軍，劉菊娥，王瓊等．大型回轉起重船技術特點與發展研究[J].

船舶與海洋工程， 2012 （01）．

[2] 蘆紅威．海洋工程大型起重設備及其關鍵技術研究[J]. 現代工業經濟

和信息化， 2016， 6 （23）．

[3] 張彩華．大型全回轉起重船抗橫傾系統和起重機操作的優化配合[J].

廣東造船， 2019， 38 （03）．

[4] 葉新鴻，周猛，冉俊學等．淺析船舶艙室減振降噪措施[J].廣東造船，

2022， 41 （06）．