9 000 hp 深水供應(yīng)三用工作船結(jié)構(gòu)布置與設(shè)計(jì)

幸耀庭

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

由于深海開(kāi)采技術(shù)的提升，加上深海油氣的豐富儲(chǔ)量，世界各國(guó)日益加大對(duì)海洋油氣的開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致海上鉆井裝備日租費(fèi)持續(xù)上漲。為提高昂貴的鉆井平臺(tái)的利用率，優(yōu)化多用途平臺(tái)供應(yīng)船的功能顯得尤為重要。9 000 hp 多用途平臺(tái)供應(yīng)船布置了全封閉式生活區(qū)，配備有DP2 級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)，具備在惡劣海況下操縱和作業(yè)能力，市場(chǎng)前景廣闊。

本文以某9 000 hp 深水供應(yīng)三用工作船為例，基于設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)主甲板、生活區(qū)和安全島等船舶主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與布置特點(diǎn)進(jìn)行分析，并對(duì)泥漿艙、甲醇艙、乙二醇艙、減搖水艙、駕駛室、甲板吊車底座等重點(diǎn)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行探討。在此基礎(chǔ)之上，針對(duì)壓載艙狹小區(qū)域人孔開(kāi)設(shè)等難點(diǎn)問(wèn)題給出解決方案。

1 設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

由于深水供應(yīng)三用工作船的主要功能是為海洋鉆井平臺(tái)運(yùn)送生產(chǎn)物料（如鉆桿、套管、設(shè)備、固完井材料、散料、泥漿、燃油、基油、鉆井水、淡水、鹽水、甲醇、乙二醇等）的特點(diǎn)，主要參考的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）國(guó)際海事組織（International Maritime Organization, IMO），《國(guó)際防止船舶造成污染公約》（International Convention for the Prevention of Pollution from Ships）。

2 ）國(guó)際勞工組織（International Labor Organization, ILO），《海事勞工公約》（Maritime Labor Convention, MLC）（2016）。

3）IMO,《近海供應(yīng)船設(shè)計(jì)與建造指南》（Adoption of the Guidelines for the Design and Construction of Offshore Supply Vessel）（2006）。

4）IMO，《近海供應(yīng)船散裝運(yùn)輸與處理有限數(shù)量的有毒液體物質(zhì)的導(dǎo)則》（Guidelines for the Transport and Handling of Limited amounts of Hazardous and Noxious Liquid Substances in Bulk on Offshore Support Vessels）。

5）中國(guó)船級(jí)社（China Classification Society,CCS），《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》。

6）CCS，《材料與焊接規(guī)范》。

2 主要結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)

2.1 主甲板布置與功能

主甲板布置情況見(jiàn)圖1。開(kāi)敞式的主甲板可有效增大甲板的貨物存儲(chǔ)空間，能夠承載更多的可變載荷，滿足該船舶運(yùn)送生產(chǎn)物料和生活物資、提供救助、守護(hù)、對(duì)外消防等服務(wù)的要求。

圖1 主甲板布置圖

2.2 生活區(qū)結(jié)構(gòu)布置要求

艏部外形見(jiàn)圖2。全封閉穿浪型的生活區(qū)可有效滿足深水作業(yè)復(fù)雜海況的需求。駕駛室結(jié)構(gòu)布置需要滿足《國(guó)際海上人命安全公約》（International Convention for Safety of Life at Sea, SOLAS）的各項(xiàng)要求。駕駛甲板布置情況見(jiàn)圖3。駕駛甲板需要滿足以下要求：

圖2 艏部外形圖

圖3 駕駛甲板

1）艏駕駛位盲區(qū)要小于20°。

2）艏駕駛位從舯部到側(cè)面的視野要大于60°。

3）船橋處的視野不得小于225°。

4）艏駕駛位總的視野不得小于225°。

2.3 主甲板安全島布置與設(shè)計(jì)要求

安全島典型橫剖面和系固設(shè)備布置情況分別見(jiàn)圖4 和圖5。主甲板兩側(cè)設(shè)有安全港及貨物護(hù)欄，舷側(cè)安全島結(jié)構(gòu)上布置有絞車、眼板、導(dǎo)纜滾輪等甲板機(jī)械，按國(guó)標(biāo)甲板機(jī)械底座安裝與結(jié)構(gòu)安裝要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖4 安全島典型橫剖面

圖5 系固設(shè)備布置圖

3 重點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.1 泥漿艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泥漿艙采用國(guó)際上普遍采用的圓形罐艙設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖6），擁有較強(qiáng)的攪拌性能，有利于攪拌體積流的形成。為方便洗艙，艙底采用帶線型設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖7）。泥漿艙強(qiáng)度參照CCS 規(guī)范對(duì)深艙的要求[1]進(jìn)行校核。泥漿密度為2.32×103kg/m3，艙室高7.33 m，溢流管距甲板高0.76 m，泥漿對(duì)底部的壓強(qiáng)為0.241 MPa。泥漿載荷分布情況見(jiàn)圖8，泥漿艙載荷從上至下線性增大。

圖6 泥漿艙布置圖

圖7 泥漿艙典型橫剖面

圖8 泥漿載荷分布

3.2 甲醇/乙二醇艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本船設(shè)有不銹鋼材質(zhì)的甲醇/乙二醇艙，甲醇艙典型橫剖面見(jiàn)圖9。艙外四周設(shè)有隔離艙，艙底為斜行設(shè)計(jì)，艙壁板結(jié)構(gòu)朝外或采用槽型艙壁的形式。根據(jù)不銹鋼材質(zhì)的特殊性，采用專門(mén)的不銹鋼施工工藝，該工藝對(duì)不銹鋼的施工原則、儲(chǔ)存和吊運(yùn)要求、坡口加工要求、打磨清潔要求、零件裝配要求、變形控制工藝、焊接與變形控制、管道焊接、焊縫無(wú)損探傷、結(jié)構(gòu)表面酸洗鈍化等方面均均作出詳細(xì)的規(guī)定[2]。

圖9 甲醇艙典型橫剖面

3.3 減搖水艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足船舶抗搖性的要求，改善船舶的舒適性，布置舭龍骨和矩形平面被動(dòng)式減搖水艙。舭龍骨依靠水動(dòng)力的作用來(lái)減緩船舶的橫搖，船舶在低速行駛時(shí)這種結(jié)構(gòu)的減搖作用會(huì)逐漸損失。深水供應(yīng)三用工作船需要面對(duì)各種復(fù)雜的海況，特設(shè)置了這種不受航速制約的結(jié)構(gòu)矩形平面被動(dòng)式減搖水艙[3]，其原理是利用阻尼格柵移動(dòng)產(chǎn)生的異相位橫傾力矩來(lái)實(shí)現(xiàn)減搖。這種減搖水艙無(wú)需投入設(shè)備費(fèi)用，平時(shí)可作為普通壓載水艙進(jìn)行保養(yǎng)。該深水供應(yīng)三用工作船在艉部壓載水艙舯部區(qū)域布置有阻尼格柵（見(jiàn)圖10），在艉部生活區(qū)布置有減搖水艙，并在水艙中部設(shè)置阻尼格柵（見(jiàn)圖11）。

圖10 艉部壓載水艙船中阻尼格柵

圖11 生活區(qū)減搖水艙艙中的阻尼格柵

3.4 駕駛室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及窗戶布置設(shè)計(jì)

由圖12 可知，由于駕駛室外形較為復(fù)雜，需要作如下處理：

圖12 駕駛室外形

1）駕駛室的外形關(guān)鍵曲線處由很多碎的線段組成，建模難以提取有效的數(shù)據(jù)，本文采用樣條曲線去擬合這些碎的線段，以保證詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的模型與基本設(shè)計(jì)盡量一致。

2）用圓去模擬近似圓形倒角的區(qū)域，并將優(yōu)化好的線型導(dǎo)入三維軟件中按路徑進(jìn)行掃掠（詳見(jiàn)圖12）。

由于基本設(shè)計(jì)未提供完整數(shù)據(jù)支持，窗戶按如下步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1）為保證駕駛室的美觀性，并確保折角處立柱可安裝，窗戶的邊緣要平行于折角線。

2）在盲區(qū)圖中查找駕駛室立柱安裝的典型節(jié)點(diǎn)（見(jiàn)圖13），立柱與窗框間的安裝間隙要滿足3 mm的要求。在進(jìn)行窗戶布置放樣時(shí)，考慮窗盒的深度，對(duì)不同弧形區(qū)域分別設(shè)計(jì)窗戶安裝節(jié)點(diǎn)（見(jiàn)圖14和圖15），以保證窗戶的安裝。

圖13 窗戶典型節(jié)點(diǎn)（單位：mm）

圖14 弧形處節(jié)點(diǎn)1（單位：mm）

圖15 弧形處節(jié)點(diǎn)2（單位：mm）

3）根據(jù)窗戶初步布置圖和開(kāi)孔尺寸圖，確定窗戶的數(shù)量和尺寸，按窗戶安裝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行放樣。窗戶開(kāi)孔后的駕駛室外形見(jiàn)圖16，駕駛室實(shí)船照片見(jiàn)圖17。

圖16 窗戶開(kāi)孔后的駕駛室外形

圖17 駕駛室實(shí)船照片

3.5 甲板吊車底座設(shè)計(jì)

本船生活區(qū)左右舷各需布置1 臺(tái)甲板吊車，吊車自重8.6 t，安全負(fù)荷為30 kN。由于左舷吊車布置于救助艇平臺(tái)（B 甲板），吊車筒體貫穿通過(guò)C甲板，安裝在B 甲板。初步設(shè)計(jì)方案按常規(guī)設(shè)計(jì)方法，將桶體直徑與吊車本體直徑保持一致，并安裝在B 甲板（見(jiàn)圖18）。然而，本船吊車桶體位置超出了下發(fā)平臺(tái)邊緣，需將平臺(tái)加大，并在平臺(tái)下方布置相應(yīng)的T 型材加強(qiáng)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖19）。按此方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，每船的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量約為6 t。

圖18 甲板區(qū)域初步設(shè)計(jì)方案

圖19 吊筒初步設(shè)計(jì)方案

在查找國(guó)外類似船型的設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)原有方案進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)2 個(gè)筒體加強(qiáng)進(jìn)行變徑處理，即將筒體下方的直徑改為吊車本體直徑的1/2，變徑后可有效降低筒體板厚，并無(wú)需加大甲板區(qū)域。此外，對(duì)平臺(tái)下方加強(qiáng)T 型材的布置進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的甲板區(qū)域和吊筒結(jié)構(gòu)形式分別見(jiàn)圖20 和圖21。經(jīng)有限元分析建模計(jì)算，優(yōu)化方案完全滿足強(qiáng)度要求，可減少質(zhì)量約3 t。

圖20 優(yōu)化后甲板區(qū)域

圖21 優(yōu)化后吊筒結(jié)構(gòu)形式

4 難點(diǎn)處理

根據(jù)CCS 船檢要求，與貨艙相鄰的壓載艙的人孔尺寸不得小于600 mm×800 mm。核查發(fā)現(xiàn)：1）舷側(cè)部分鉆井水艙及壓載水艙區(qū)域的艙內(nèi)縱骨間距離僅為460 mm，無(wú)法保證600 mm 的空間（見(jiàn)圖22）；2）二甲板平臺(tái)處框架縱骨間距離恰好為600 mm，無(wú)法開(kāi)設(shè)600 mm×800 mm 的人孔（見(jiàn)圖23）。

圖22 舷側(cè)縱骨設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

圖23 二甲板平臺(tái)處框架縱骨設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

4.1 其他船舶類似情況分析

本文對(duì)其他船舶的類似情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，結(jié)果見(jiàn)表1。以UT771 為例，其貨艙相鄰的壓載艙內(nèi)的人孔當(dāng)時(shí)也受到了美國(guó)船級(jí)社（American Bureau of Shipping, ABS）的質(zhì)疑，相關(guān)設(shè)計(jì)人員給出了如下解釋：《國(guó)際散裝運(yùn)輸危險(xiǎn)化學(xué)品船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》（International Code for the Constructon and Equipment of Ships Carrying Dangerous Chemicals in Bulk）是對(duì)《國(guó)際海上人命安全公約》（International Convention for Safety of Life at Sea,SOLAS）和《國(guó)際防止船舶造成污染公約》（International Convention for the Prevention of Pollution from Ships, MARPOL）供應(yīng)的補(bǔ)充規(guī)定。SOLAS 的要求僅適用于被定義為S 或S/P 類物質(zhì)，而《國(guó)際散裝運(yùn)輸危險(xiǎn)化學(xué)品船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》中關(guān)于人孔的要求恰是出自SOLAS 的要求，最終ABS 認(rèn)可了原設(shè)計(jì)。

表1 其他船舶的類似情況統(tǒng)計(jì)

4.2 豁免程序申請(qǐng)

經(jīng)與CCS 溝通，船檢基本上同意走豁免程序的解決方案，然后提交《關(guān)于COSL-9000HP PSV 豁免IMO RESOLUTION A673.(16) 第3.3 條的申請(qǐng)》給船東，加蓋公司印章，由船東遞交給船檢。

為確保此處結(jié)構(gòu)合符要求，CCS 船檢特提交相關(guān)文件至中華人民共和國(guó)海事局進(jìn)行審核，海事局同意放寬貨物區(qū)域通道口尺寸的要求，但該區(qū)域中壓載艙在露天甲板上的小艙口尺寸應(yīng)不小于500 mm×700 mm，壓載艙內(nèi)部水平通道口尺寸應(yīng)不小于400 mm×650 mm，橫隔板和雙層底內(nèi)肋板及桁材上通道尺寸應(yīng)不小于400 mm×600 mm。相關(guān)人員在相關(guān)區(qū)域進(jìn)行檢驗(yàn)作業(yè)時(shí)，應(yīng)先對(duì)該區(qū)域進(jìn)行充分通風(fēng)，并在充分做好相關(guān)安全防護(hù)措施后方可進(jìn)入。

5 結(jié)論

本文以某9 000 hp 深水供應(yīng)三用工作船為例，基于設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)主甲板、生活區(qū)和安全島等船舶主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與布置特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并對(duì)泥漿艙、甲醇艙、乙二醇艙、減搖水艙、駕駛室、甲板吊車底座等重點(diǎn)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了探討。在此基礎(chǔ)之上，針對(duì)壓載艙狹小區(qū)域人孔開(kāi)設(shè)等難點(diǎn)問(wèn)題給出了解決方案。研究表明：結(jié)構(gòu)的布置和設(shè)計(jì)能對(duì)船舶的綜合工作能力產(chǎn)生顯著影響，優(yōu)化布置與設(shè)計(jì)能保證船舶功能得到更好地發(fā)揮。研究成果可為深水供應(yīng)三用工作船的布置與設(shè)計(jì)提供一定參考。