姚堂毅，梁玉鑫，黃秋云，蔣勇剛，彭秀清

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715）

0 引言

近年來，海洋資源的大力開發(fā)和利用為各種海洋工程裝備的設(shè)計和制造創(chuàng)造了有利條件。雖然不同海洋工程裝備的功能各不相同，但為應(yīng)對復(fù)雜的海洋環(huán)境，都采用壓載技術(shù)。在船舶航行過程中，設(shè)計優(yōu)良的壓載系統(tǒng)能有效保證船舶處于良好的航行狀態(tài)，延長其使用壽命，削減海水對其產(chǎn)生的不利影響，如防止船體受力不均，防止船體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象或撓曲變形現(xiàn)象等。在建造船舶時會在其內(nèi)部設(shè)置一些壓載艙，并在航行過程中對其進行壓載，使其達到一定的吃水狀態(tài)，提高其在航行狀態(tài)下的抗風浪能力，以及在復(fù)雜海況下的生存能力[1]。此外，在船舶航行過程中，還需隨時對其狀態(tài)進行監(jiān)測，對各艙內(nèi)的壓載水進行互動調(diào)撥，保證船體處于平衡狀態(tài)。

1 壓載水系統(tǒng)布置方式

壓載水系統(tǒng)通常分為常規(guī)壓載水系統(tǒng)和專業(yè)壓載水系統(tǒng)2類。常用的壓載水系統(tǒng)布置方式主要有支管式、總管式、環(huán)形總管式、管隧式和半管隧式等5種。壓載水系統(tǒng)的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 適應(yīng)各種壓載狀況，保持適當?shù)呐潘俊⒊运疃?、縱傾和橫傾，保證船舶具有一定的航行性能；

2) 保持適當?shù)姆€(wěn)性，獲得適當?shù)膹?fù)原力；

3) 減小過大的彎矩和剪切力[1]。

各種常用壓載水系統(tǒng)布置方式的優(yōu)缺點對比見表1[1]。在設(shè)計壓載水系統(tǒng)布置方式時，應(yīng)結(jié)合表1，根據(jù)實際設(shè)計船型的特點進行選擇。

表1 各種常用壓載水系統(tǒng)布置方式的優(yōu)缺點對比

2 雙體船的結(jié)構(gòu)特點

2.1 結(jié)構(gòu)形式設(shè)計

本文所述雙體船為全焊接鋼質(zhì)船，主船體采用雙體船設(shè)計形式，結(jié)構(gòu)見圖1，兩側(cè)單體通過中間的4個箱型跨梁結(jié)構(gòu)連接。該船長190.4m，型寬75.0m；單體高約14.7m，寬9.1m。機艙布置在艉部，壓載艙和輔機艙布置在舯部，側(cè)推艙布置在艏部。在浮運標準沉管（深水航道）工況下，要求航速不低于5kn，且具備 DP-1 動力定位功能。上層建筑布置在艏部第二個跨梁上。該船主要用于在“深中通道”工程中對水下隧道沉管構(gòu)件進行運輸和安裝，具有攜帶沉管出塢，并將其浮運到施工水域進行沉放和安裝的功能。

圖1 船體結(jié)構(gòu)示意

2.2 壓載艙布置特點

該船每個單體寬9.1m，兩端各有2臺側(cè)推裝置。每個單體內(nèi)有12個壓載艙，成2層結(jié)構(gòu)布置，分別布置在雙層底和2100甲板層，底層壓載艙布置見圖2，上層壓載艙布置見圖3。雙層底內(nèi)從艏部到艉部依次布置有1～7號壓載艙；上層2100甲板從艏部到艉部依次布置有8～12號壓載艙。壓載艙的容量具有上層大、下層小、中間大和兩端小的特點，有利于保持船舶在工作過程中的穩(wěn)定性。

圖2 底層壓載艙布置圖

圖3 上層壓載艙布置圖

3 壓載方式選擇和設(shè)計

3.1 壓載方式選擇

該船的總壓載艙容約為18070m3?？紤]到單片船體的結(jié)構(gòu)空間有限和各壓載艙的布置位置距離較大，輔機艙布置在中部，并處在大壓載艙之間，距離兩端較遠。根據(jù)自動化需求和集中控制需要，考慮到在輔機艙對壓載控制閥進行集中控制和保養(yǎng)比較方便，對比各壓載布置方式的特點，選定該船壓載水系統(tǒng)的壓載方式為支管式，控制閥集中在輔機艙調(diào)控。該船的壓載艙較多，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，作業(yè)精度要求較高，除了配備壓載泵以外，還需配備掃艙泵和側(cè)推系統(tǒng)，以提高吸干能力和定位精度。壓載泵的排量取決于注排水所需時間，一般取

排水時間根據(jù)不同船型進行選擇[2]。掃艙泵的排量主要取決于剩余壓載水量，一般取

式(1)和式(2)中：Q為泵總排量；A為總壓載水量；T為所需排水時間；q為掃艙泵排量；t一般取0.1～0.2。

3.2 壓載水系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 壓載管路

該船具有自航功能，根據(jù)設(shè)計要求，輕載吃水為6.6m，浮運吃水為7.1m，結(jié)構(gòu)吃水為7.5m，能在浮運沉管工況下抵抗速度為1.6kn的橫流。根據(jù)設(shè)計參數(shù)和要求，該船的壓載水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由壓載水艙、壓載水泵和遙控閥集控箱等部件組成。左右船體系統(tǒng)對稱布置，其中左側(cè)壓載管路設(shè)計見圖4。

在左右單體輔機艙內(nèi)各布置3臺壓載泵，每臺泵的排量為600m3/h。在控制室內(nèi)對各壓載泵進行啟/?？刂?。設(shè)計壓載管路采用支管式系統(tǒng)，各壓載艙注/排口通過支管與總管相連，各壓載水艙的吸口安裝在靠艉側(cè)的最佳位置處。根據(jù)艙容和注/排的時間要求，設(shè)計注/排管路通徑為DN300，并對沉浸在壓載艙內(nèi)的壓載管路進行加厚處理。設(shè)計時，將上層壓載艙的注/排口巧妙地安裝在壓載艙底部，注/排管路從底部開孔，以便所有的壓載水都能排出，從而減少上層壓載艙的掃艙管路布置，優(yōu)化系統(tǒng)。所有壓載管路都巧妙地設(shè)計在上層較大的壓載艙內(nèi)，緊湊排列，方便安裝和后期檢修維護；管路設(shè)計平直，斷管位置較少，以優(yōu)化管路布局[2]。

3.2.2 掃艙管路

雖然掃艙管路不是必須的設(shè)計，但該船的壓載管徑較大，無法使壓載水徹底排除，因此在為該船設(shè)計壓載系統(tǒng)時，同時設(shè)計掃艙管路系統(tǒng)。結(jié)合壓載艙的上下布置結(jié)構(gòu)特點，只有下層壓載艙會產(chǎn)生積液，因此該船的掃艙管路系統(tǒng)設(shè)計在下層的壓載艙內(nèi)，每臺掃艙噴射泵的排量為100m3/h，掃艙系統(tǒng)管路采用管徑為DN125的無縫鋼管。由于該船作業(yè)的特殊性，自動控制要求較高，因此該支管式壓載水系統(tǒng)控制閥均采用液壓式遙控蝶閥。該船的平衡調(diào)節(jié)可通過利用壓載泵和相關(guān)壓載艙的遙控液動蝶閥控制排水或注入來完成。

圖4 壓載管路設(shè)計圖（左）

4 壓載調(diào)撥和控制

4.1 空載整體調(diào)控

該船設(shè)計輕載吃水6.6m，需進行沉管浮運和安裝下放連續(xù)作業(yè)，設(shè)計浮運吃水7.1m。在輕載狀態(tài)下，向左右船體對稱布置的壓載艙同時注入壓載水，以保證船體平衡。下面以左舷壓載艙注水為例說明具體的壓載工作流程（見圖5）。在輕載吃水狀態(tài)下，壓載水艙的注水過程分為上、下2個階段。

圖5 壓載順序流程圖1

1) 第一階段為下層壓載艙注水。調(diào)整注水順序為：先是No.6壓載艙和No.7壓載艙（左），然后是No.5壓載艙（左）、No.3壓載艙（左）、No.4壓載艙（左）、No.2壓載艙（左）和No.1壓載艙（左）。No.5壓載艙（左）和No.2壓載艙（左）兼具船舶縱傾狀態(tài)調(diào)整功能，因此應(yīng)通過改變相應(yīng)的壓載注/排管路遙控閥的開度來控制并調(diào)節(jié)注水的速度和壓載水量。

2) 第二階段為上層壓載艙注水。調(diào)整注水順序為：先是No.12壓載艙（左），然后是No.10壓載艙（左）、No.11壓載艙（左）、No.9壓載艙（左）和No.8壓載艙（左）。No.12壓載艙（左）和No.8壓載艙（左）兼具船舶縱傾狀態(tài)和橫傾狀態(tài)微調(diào)整功能，因此這2個壓載艙可通過調(diào)控相應(yīng)的壓載注/排管路的閥門來控制并調(diào)節(jié)注水的速度和壓載水量。

由于上層壓載艙比較大，且艏、艉各有2臺側(cè)推裝置，因此在輕載狀態(tài)下，各艙壓載在滿足船舶設(shè)計的輕載吃水深度要求的情況下，需同時使各側(cè)推裝置完全浸沒在水中，保證側(cè)推系統(tǒng)的性能和船舶的整體調(diào)控狀態(tài)。滿足壓載狀態(tài)要求之后，輸出壓載艙均留有自由液面，處于未滿狀態(tài)，應(yīng)隨時監(jiān)控液面的狀態(tài)，動態(tài)調(diào)控船舶的整體狀態(tài)，使其滿足定位和浮運工況的要求[3]。該船壓載水系統(tǒng)的不足之處是只能實現(xiàn)單片船體內(nèi)壓載艙前后調(diào)撥。雖然2個片體之間的壓載水無法實現(xiàn)互相調(diào)撥，但在沉管作業(yè)過程中會選擇有利的水文條件，船體受大面積橫流影響的情況不多，同時可通過艏部和艉部的側(cè)推系統(tǒng)及絞車定位系統(tǒng)進行平衡，因此該壓載系統(tǒng)能滿足使用要求，對作業(yè)要求的影響不大。

4.2 負載狀態(tài)調(diào)控

該船在浮運狀態(tài)下的吃水為7.1m。在準備浮運沉管時，需根據(jù)沉管的位置調(diào)整船舶的吃水狀態(tài)和位置，定位到合適的位置并與沉管接駁。接駁沉管之后，將沉管運送到施工地點進行沉放安裝作業(yè)。在浮運沉管過程中，由于沉管兩端是密封的，巨大的橫截面會在水下與水流產(chǎn)生對流阻力，在這種狀態(tài)下，船體艏部會產(chǎn)生向下的不均衡力，導(dǎo)致艏部下沉較多，因此需時刻監(jiān)測船體的吃水狀態(tài)，及時調(diào)整各艙的壓載狀況，以平衡不均衡載荷的作用，從而保證船舶安全運行。在負載狀態(tài)下，下層壓載艙的容量較小，基本上處于滿壓載狀態(tài)，只能通過上層壓載艙實現(xiàn)對船舶浮運航行狀態(tài)的調(diào)控。

各壓載艙的壓載調(diào)節(jié)應(yīng)左右同時進行，壓載流程見圖6，仍以左舷壓載艙為例。在負載吃水狀態(tài)下，壓載艙的整體調(diào)整注水順序為：先是No.12壓載艙（左），然后是No.10壓載艙（左）、No.11壓載艙（左）、No.9壓載艙（左）和No.8壓載艙（左），其中No.11壓載艙（左）和No.9壓載艙（左）兼具調(diào)壓載功能。當艏部產(chǎn)生向下的不均衡力時，通過調(diào)撥前后艙的壓載水量，使船舶達到配重平衡狀態(tài)。將艏部的No.8壓載艙（左）和No.9壓載艙（左）的壓載水調(diào)撥到艉部的No.11壓載艙（左）和No.12壓載艙（左），以平衡船舶的受力狀態(tài)。因此，在浮運狀態(tài)下通過壓載調(diào)撥和側(cè)推系統(tǒng)的配合控制，保證船舶的整體狀態(tài)最佳，使其滿足浮運和安裝作業(yè)的要求。

圖6 壓載順序流程圖2

4.3 調(diào)控閥門控制系統(tǒng)

該船的壓載調(diào)撥涉及的控制閥門較多，壓載艙調(diào)載量較大[4]。由于整船聯(lián)合自動調(diào)控的性能要求較高，該壓載調(diào)撥系統(tǒng)閥門采用電液聯(lián)合控制，不僅能利用整體式控制結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對船體的靈活操作和控制，而且能優(yōu)化壓載調(diào)撥系統(tǒng)的管路設(shè)計布局。整個控制系統(tǒng)由計算機、測控柜、電液遙控閥、液位傳感器、通信電纜和不間斷電源（Uninterruptible power supply, UPS）等部件組成。測控柜作為主要的信號監(jiān)測和控制裝置，布置在輔機艙內(nèi)，距離調(diào)控的閥門最近，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。計算機布置在集控室內(nèi)，方便對各艙系統(tǒng)整體進行實時監(jiān)控。

4.3.1 系統(tǒng)原理

壓載調(diào)撥系統(tǒng)的閥門控制系統(tǒng)見圖7。當測控柜接收到液位傳感器監(jiān)測到的液位信號時，通過以太網(wǎng)系統(tǒng)將其傳遞到計算機界面上顯示。通過對比分析目標信號來驅(qū)動遙控蝶閥進行啟閉動作[5]。閥門具有定位功能，通過信號反饋閥門的開閉狀態(tài)。通過傳感器監(jiān)測壓載艙內(nèi)的液位，當達到預(yù)定壓載量時，檢測器發(fā)出信號，測控柜接收到該信號之后，根據(jù)計算機的指令控制蝶閥停止動作或關(guān)閉。管路的啟閉狀態(tài)和艙室水位壓載情況通過傳感器信號反饋給控制顯示器[6]。信號經(jīng)測控柜和計算機對比分析，保證系統(tǒng)滿足控制要求。系統(tǒng)的閥門具有斷電自鎖功能，閥門斷電時保持當前的位置狀態(tài)，緊急線路可實現(xiàn)閥門的遠程手動控制。

圖7 閥門控制系統(tǒng)圖

4.3.2 管路和傳感器布置安裝

該船的閥門測控柜、壓載泵和電液遙控碟閥等控制裝置均設(shè)置在輔機艙內(nèi)，各閥的控制動力均為液壓驅(qū)動力，通過液壓管與測控柜連接。通過艙內(nèi)的傳感器和四角吃水監(jiān)測液位，利用傳感器信號進行反饋控制；壓載艙內(nèi)的傳感器采用低位雙傳感器安裝模式，每個艙底部設(shè)置1臺液位傳感器，安裝位置距艙底大于150mm。所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)均通過集控室內(nèi)的計算機實時監(jiān)控顯示。

5 結(jié) 語

本文所述壓載調(diào)撥系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)多方研究論證，不僅滿足沉管作業(yè)的要求，而且能為同類型船舶的設(shè)計提供借鑒。該壓載調(diào)撥系統(tǒng)可應(yīng)用于雙體式海底沉管運輸及安裝作業(yè)中，其設(shè)計既能協(xié)調(diào)操作，又相對獨立（單片船體內(nèi)相對獨立）；該系統(tǒng)的整體操作性能會在后續(xù)的實船應(yīng)用過程中進行檢驗，取得的設(shè)計經(jīng)驗和實踐參數(shù)能為后續(xù)類似船舶的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提供參考。