劉鋼東，陳伶翔，朱見華

(招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226100)

0 引言

近年來(lái)，海工行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)壓力不斷加大，海工裝備市場(chǎng)仍處于低迷狀態(tài)，而海洋裝置拆解市場(chǎng)則具有廣闊的市場(chǎng)前景，因此半潛起重拆解平臺(tái)的需求日益增長(zhǎng)。半潛起重拆解平臺(tái)具有作業(yè)海域廣、起吊能力強(qiáng)、穩(wěn)定性和抗風(fēng)浪性好、起吊速度快且具備居住人數(shù)多等優(yōu)勢(shì)[1]。但是，半潛起重拆解平臺(tái)要在極短的時(shí)間內(nèi)起吊、卸載數(shù)千噸的重物會(huì)導(dǎo)致進(jìn)排水量急劇變化。高達(dá)數(shù)千噸的排進(jìn)水落差必然造成船舶重心(除吊物重量)發(fā)生偏移，對(duì)半潛起重船本身的穩(wěn)性極其不利[2]。

本文根據(jù)半潛起重拆解平臺(tái)參數(shù)特征和壓載艙系統(tǒng)特征，按照美國(guó)船級(jí)社要求對(duì)半潛起重船平臺(tái)的船體結(jié)構(gòu)和壓載艙布置進(jìn)行改進(jìn)，并提供吊物丟失后快速恢復(fù)平衡的最佳方法。

1 半潛起重拆解平臺(tái)特點(diǎn)

1.1 半潛起重拆解平臺(tái)參數(shù)特征

本項(xiàng)目中半潛起重拆解平臺(tái)是一艘集自航、居住、吊載功能于一體，并且具備DP-3系統(tǒng)的起重生活平臺(tái)。在工作時(shí),該平臺(tái)通過(guò)自身壓載水的調(diào)整及自身船型的特點(diǎn)(左右非對(duì)稱)，可在吊載過(guò)程中提供良好的穩(wěn)性。具體參數(shù)如下：

(1)主浮筒：長(zhǎng)度137.75 m，寬度19.5 m，高度12 m。小浮筒：長(zhǎng)度122 m，寬度13.5 m，高度12 m。

(2)大立柱：長(zhǎng)度22.5 m，寬度19.5 m，高度18 m。小立柱：長(zhǎng)度16.5 m，寬度13.5 m，高度18 m。

(3)主甲板：長(zhǎng)度81 m，寬度81 m，高度42.8 m。

(4)吃水：居住吃水20.0 m，最大工作吃水26.4 m，風(fēng)暴自存吃水17.0 m，航行吃水11.3 m。

1.2 半潛起重拆解平臺(tái)吊機(jī)系統(tǒng)

本拆解平臺(tái)配備的22 000 kN起重機(jī)由靜態(tài)和旋轉(zhuǎn)兩部分組成，基座和桅桿是靜態(tài)的。在桅桿周圍安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)平臺(tái)，吊臂連接到回轉(zhuǎn)平臺(tái)上。吊臂由鋼絲繩支撐，鋼絲繩從吊臂首端連接桅桿頂端再連接到絞車上。吊機(jī)主鉤的起重能力曲線見圖1。從圖中可以看出，當(dāng)回轉(zhuǎn)半徑為22 m時(shí)，吊機(jī)主鉤的起重能力為22 000 kN；當(dāng)回轉(zhuǎn)半徑增大時(shí)，吊機(jī)主鉤的起重能力逐漸減小。吊機(jī)的最小回轉(zhuǎn)半徑為14 m，此時(shí)吊機(jī)休息臂的仰角為81°；當(dāng)最大操作半徑為62 m時(shí)，吊機(jī)的仰角約為15°。

圖1 吊機(jī)主鉤起重能力

1.3 半潛起重拆解平臺(tái)壓載艙系統(tǒng)特征

本半潛起重拆解平臺(tái)的壓載艙系統(tǒng)由普通壓載艙、浮筒快速壓載艙、立柱快速壓載艙三部分組成，每一個(gè)壓載艙都配備單獨(dú)的進(jìn)/排水管[3]。艙室的具體分布及數(shù)量如下：

(1)普通壓載艙。普通壓載艙分布在大小浮筒中。在小浮筒中配備2臺(tái)壓載泵，在大浮筒中配備4臺(tái)壓載泵，通過(guò)壓載泵進(jìn)行進(jìn)/排水工作。

(2)浮筒快速壓載艙。浮筒快速壓載艙位于大小浮筒內(nèi)部，主要目的用來(lái)快速進(jìn)水。浮筒快速壓載艙進(jìn)水可靠重力通過(guò)大口徑管快速注水，也可通過(guò)泵普通注水；排水只能靠泵(因水壓太高，無(wú)法啟用空氣壓縮系統(tǒng)來(lái)排水)。

(3)立柱壓載艙。立柱壓載艙只有在起重機(jī)吊載重物時(shí)才需啟用，進(jìn)水采用重力進(jìn)水。當(dāng)壓載艙內(nèi)水面高于海平面時(shí)，便不可再靠重力進(jìn)水，但可以利用壓載泵來(lái)進(jìn)水。在排載時(shí)由壓載泵或者空氣壓縮機(jī)進(jìn)行排水。當(dāng)壓載艙內(nèi)水面與海平面高度相差26 m以上時(shí)，便不可用空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)排水(空氣壓縮機(jī)最大工作氣壓值為0.26 MPa)[4]。立柱壓載艙主要分布于4個(gè)立柱內(nèi)，按照4個(gè)獨(dú)立象限進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別位于左前、左后、右前、右后，即在每一個(gè)浮筒的前后都設(shè)置了壓載艙。立柱壓載艙布置分別見圖2和圖3。

圖2 小立柱快速壓載艙布置

圖3 大立柱快速壓載艙布置

2 規(guī)范要求

美國(guó)船級(jí)社(ABS)《GUIDE FOR BUILDING AND CLASSING MOBILE OFFSHORE UNITS(2008)》規(guī)范中的第8章第1節(jié)要求如下：

對(duì)于任何一種裝載條件，(在對(duì)應(yīng)的穩(wěn)性曲線圖上)風(fēng)傾力矩與回復(fù)力矩的第一個(gè)交點(diǎn)(即力平衡點(diǎn))必須保證在船甲板入水角的前面(即在圖的左側(cè)或小于后者)。此外，吊船在最大允許垂心位置作業(yè)時(shí)，還必須滿足下面的2個(gè)條件：

(1)在穩(wěn)性圖上(見圖4)，從第一個(gè)交點(diǎn)到θf(wàn)(艙壁進(jìn)水角度或橫傾力臂與復(fù)原力臂交點(diǎn)或30°角，取最小值)之間的剩余面積定義為A1，從第一交點(diǎn)到θc(吊物丟失前的橫傾力臂與復(fù)原力臂相交時(shí)的角度)的剩余面積定義為A2，此時(shí)需確保A1面積至少大于A2面積的30%以上。

(2)重物失落時(shí)，回復(fù)力矩曲線與船舶最大允許橫傾力矩曲線的第一個(gè)交點(diǎn)處的角度，即重物失落平衡角，確保不能超過(guò)15°。

圖4 ABS規(guī)范對(duì)于吊物丟失衡準(zhǔn)要求

3 半潛起重拆解平臺(tái)的改進(jìn)

半潛起重拆解平臺(tái)相較普通半潛平臺(tái)的船體結(jié)構(gòu)和壓載艙的布置做了一些改進(jìn)。

(1) 普通的半潛起重平臺(tái)是由兩個(gè)相同對(duì)稱的浮筒、4個(gè)立柱和上部主船體組成，見圖5(a)；半潛起重拆解平臺(tái)是由兩個(gè)不同大小的浮筒、兩兩不同的立柱和上部主船體組成,見圖5 (b)。普通半潛起重平臺(tái)的重心是在2個(gè)浮筒之間，處于中間部位，吊物到兩浮筒的直線中心距離假設(shè)為A(橫傾力臂)；而半潛起重拆解平臺(tái)的重心由于不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，重心靠近結(jié)構(gòu)大的一側(cè)，重心到吊物的距離假設(shè)為B(橫傾力臂)；當(dāng)?shù)跷锿蝗粊G失時(shí)，船體會(huì)向吊物的另一邊傾斜，此時(shí)的傾覆力矩就是吊物重量與橫傾力臂的乘積。在吊重相等的情況下，拆解平臺(tái)的橫傾力臂比普通半潛起重平臺(tái)的小，所以拆解平臺(tái)在吊物丟失后的傾覆力矩也會(huì)比普通半潛平臺(tái)的小。橫傾力矩的減小可以有效降低平臺(tái)的橫傾角，因此半潛起重拆解平臺(tái)不對(duì)稱的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在一定程度上提高了平臺(tái)的穩(wěn)性。

(2)將浮筒中快速壓載艙布置在大小浮筒的中間區(qū)域，而不是布置在浮筒的艉部或者艏部，其原因是為了能使注入/排出的壓載水靠吊物更近(吊物處于船中位置)。一旦吊物突然丟失，船體會(huì)向重物的另一邊傾斜，此時(shí)則需要以最快的速度增加靠近吊物這邊浮筒的壓載水量和快速排出遠(yuǎn)離吊物且位于船中處的壓載水，而快速壓載水艙能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速進(jìn)水。

圖5 半潛起重拆解平臺(tái)組成

4 重物丟失后穩(wěn)性及平衡方案研究

4.1 重物丟失后的穩(wěn)性

拆解平臺(tái)兩吊機(jī)在聯(lián)合吊載42 000 kN重物調(diào)平時(shí)的穩(wěn)性曲線見圖6。在本作業(yè)工況時(shí)吊重較大，為了保證平臺(tái)能夠有足夠的壓載水進(jìn)行調(diào)平，將吃水調(diào)至26.4 m左右，風(fēng)速根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求設(shè)為20 kn。根據(jù)計(jì)算所得平臺(tái)的穩(wěn)性高約為2.1 m。由于在計(jì)算時(shí)，風(fēng)傾力臂約為0.05 m，復(fù)原力臂最大達(dá)到17 m，所以此工況下平臺(tái)無(wú)橫縱傾，即平臺(tái)在吊物丟失前處于平衡狀態(tài)。

圖6 吊載42 000 kN調(diào)平時(shí)穩(wěn)性曲線

平臺(tái)兩吊機(jī)在吊載42 000 kN重物丟失后的穩(wěn)性曲線見圖7，此工況下平臺(tái)的橫傾力臂約為3.4 m，靜橫傾角約為14.72°，穩(wěn)性高約為5.84 m。與吊物丟失前相比，平臺(tái)由于吊物的丟失發(fā)生嚴(yán)重的傾斜，但傾斜角度在規(guī)范要求范圍內(nèi)。由于吊物丟失導(dǎo)致平臺(tái)重心發(fā)生改變，復(fù)原力臂與穩(wěn)性高均有所增大，平臺(tái)恢復(fù)至平衡狀態(tài)的能力被提高。根據(jù)軟件計(jì)算得出的A1與A2面積的比值約為2.94，符合規(guī)范要求的穩(wěn)性衡準(zhǔn)值，即平臺(tái)在42 000 kN吊物丟失后的穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。

圖7 吊物丟失后的穩(wěn)性曲線

4.2 重物丟失后的快速平衡方案

4.2.1 重物丟失時(shí)平臺(tái)浮態(tài)變化

工況設(shè)計(jì)：以半潛式起重拆解平臺(tái)為例，位于主浮筒上的起重機(jī)吊載一重物(42 000 kN)，突然吊物丟失，傾斜角度將達(dá)到14.72°(靜止?fàn)顟B(tài))。

第1階段：吊起重物穩(wěn)定后的船體水平吃水為26.4 m，船的重心在靠近主浮筒的位置；小浮筒一側(cè)注水多，而主浮筒一側(cè)注水少。

第2階段：吊起重物突然掉落，短時(shí)間內(nèi)船體會(huì)向吊重物的另一邊發(fā)生一定程度上的傾斜，見圖8。主浮筒和小浮筒的吃水發(fā)生明顯變化，船體中心處吃水線高為24.104 m(靜止?fàn)顟B(tài))，左側(cè)小浮筒的最外邊緣吃水為34.746 m，右側(cè)的主浮筒的最外邊緣吃水為13.465 m；此時(shí)，整個(gè)船的重心向小浮筒那邊傾斜，則需要把重心再轉(zhuǎn)回到靠近主浮筒的位置，才能使船體回轉(zhuǎn)到水平狀態(tài)。

第3階段：調(diào)節(jié)各個(gè)壓載艙的壓載量來(lái)減小船體的橫傾，使船體逐漸趨向于平衡狀態(tài)。

4.2.2 重物丟失后的調(diào)平方案

吊物丟失后通過(guò)對(duì)小立柱壓載艙 1&2和大立柱壓載艙 1&2 進(jìn)行壓載水的調(diào)節(jié)，將平臺(tái)進(jìn)行快速調(diào)平。具體壓載水調(diào)節(jié)方案如下：

圖8 吊物丟失時(shí)平臺(tái)狀態(tài)

(1) 為了能夠使平臺(tái)盡快地恢復(fù)到平衡狀態(tài)，根據(jù)本拆解平臺(tái)的壓載系統(tǒng)的布置，采用空氣壓縮方式和重力方式的進(jìn)排水方式，能夠更節(jié)省時(shí)間。

(2)吊機(jī)位于平臺(tái)右舷。當(dāng)?shù)跷飦G失時(shí)，平臺(tái)發(fā)生左傾，此時(shí)將大立柱壓載艙 1&2的進(jìn)水閥門打開，讓海水通過(guò)重力快速注入。

(3)在大立柱壓載艙 1&2注水的同時(shí)，也可以通過(guò)空氣壓縮方式將小立柱壓載艙 1&2的壓載水迅速排出。這可以縮短平臺(tái)調(diào)平所需要的總時(shí)間。

(4)小立柱壓載艙 1&2采用空氣壓縮方式進(jìn)行排水，大立柱壓載艙1&2采用重力方式進(jìn)行注水，將平臺(tái)調(diào)節(jié)到接近平衡時(shí)，改用壓載泵進(jìn)行最后的調(diào)平工作。這主要是因?yàn)榭諝鈮嚎s方式和重力方式進(jìn)水速度較快，不利于最終的調(diào)平。

平臺(tái)在吊物丟失前后壓載水量對(duì)比見表1。通過(guò)對(duì)大立柱壓載艙 1&2和小立柱壓載艙 1&2的壓載水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，平臺(tái)趨向平衡狀態(tài)。在調(diào)載的整個(gè)過(guò)程中，通過(guò)壓載水將平臺(tái)調(diào)平所用的時(shí)間如下：

大立柱壓載艙 1&2用時(shí)約為3 636 s；小立柱壓載艙1&2用時(shí)約為3 658 s，即平臺(tái)從吊物丟失到恢復(fù)平衡狀態(tài)總用時(shí)約為3 658 s。

表1 吊物丟失后平臺(tái)調(diào)平前后壓載水量對(duì)比表

5 結(jié)論

本文分析對(duì)比了半潛起重拆解平臺(tái)與普通拆解平臺(tái)的船體結(jié)構(gòu)，并提出了起重拆解平臺(tái)吊物丟失后的調(diào)平方案。具體結(jié)論如下：

(1) 不對(duì)稱的船體結(jié)構(gòu)，能減少空船重量、提高結(jié)構(gòu)利用率、降低建造成本，還有利于減小半潛起重船平臺(tái)吊物丟失后平臺(tái)橫傾角。

(2)在吊物丟失的過(guò)程中，通過(guò)軟件進(jìn)行模擬，并與規(guī)范中的穩(wěn)性衡準(zhǔn)對(duì)比，得出此工況下平臺(tái)的穩(wěn)性符合規(guī)范要求，即吊機(jī)可以進(jìn)行42 000 kN的聯(lián)合吊載作業(yè)。

(3) 在吊載丟失的過(guò)程中，平臺(tái)會(huì)發(fā)生較嚴(yán)重的傾斜，影響平臺(tái)的穩(wěn)性；而半潛起重拆解平臺(tái)利用空氣壓縮方式和重力方式這2種快速壓載的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，將平臺(tái)快速調(diào)至平衡狀態(tài)。