彭秀清，加香君，黃秋云，王永珊

(中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715)

0 引 言

深中通道是在粵港澳大灣區(qū)發(fā)展藍圖中交通基礎(chǔ)設施建設的重要工程，是加速珠江兩岸的深圳、中山和廣州協(xié)同發(fā)展的交通要道，其橫跨珠江口，位于伶仃洋，是一項“橋、島、隧、水下樞紐互通”集群工程。與港珠澳大橋建造相比，深中通道距離珠江口更近，淤積嚴重[1]，水深更淺、橫流更大，對繁忙的航道影響更大[2]。為解決這些問題，改進港珠澳大橋雙駁船騎吊沉放施工方式，彌補拖船多、拖航時間長、作業(yè)效率低等缺點，量身打造自航式沉管運輸安裝一體船，具有系統(tǒng)集成度高、自動化程度高、安全控制性能高、施工精度高等優(yōu)勢，可有效克服繁忙復雜航路、基槽長距離橫拖、深水沉放、復雜風浪流等不利建設條件，不僅大幅增強沉管浮運安裝能力，保障施工安全，而且大幅提高施工精度和施工效率。其設計理念較為先進，但在國際上并無該型船的設計和建造經(jīng)驗，沉管作業(yè)系統(tǒng)裝船協(xié)調(diào)性面臨較大的挑戰(zhàn)。該型船的最大特點是將分布在2艘船上的作業(yè)系統(tǒng)集成至1艘船，由此帶來的設計、安裝難度和要求相應增加。

1 動力系統(tǒng)集成

該型船是長為190.4 m、寬為75.0 m的雙體船，單片體寬為9.1 m，片體間跨距為56.8 m。采用軸系推進，在兩側(cè)片體內(nèi)配置2臺16缸中速柴油機、2套一拖三齒輪箱、4臺軸帶發(fā)電機、2臺主發(fā)電機組、2臺停泊發(fā)電機組、8臺側(cè)向推進器和2套可調(diào)螺距螺旋槳(Controllable Pitch Propeller，CPP)(主機型號：WARTSILA 16V32×2臺；主機功率：9 280 kW×750 r/min；主發(fā)型號：MAN 9L21/31×2臺；主發(fā)功率：1 980 kW×1 000 r/min；軸發(fā)功率：3 800 kW×4臺；停泊發(fā)功率：200 kW×2臺；槳葉型式：CPP×4片(外旋)；側(cè)向推進器功率：3 000 kW×4臺+2 600 kW×4臺)。

1.1 側(cè)推器和主推器的集成布置

該型船浮運作業(yè)采用船帶管航行方式，船管綁扎一體形成類三體船。考慮避免側(cè)推器吸敞水與165.0 m沉管造成功率內(nèi)耗，兼顧艉部軸系空泡現(xiàn)象干涉，為發(fā)揮側(cè)向推力，側(cè)推器最終布置在兩側(cè)片體艏艉段，如圖1所示。

圖1 推進系統(tǒng)布置示例

側(cè)推器安裝在艏艉部結(jié)構(gòu)收窄處，解決敞水干涉問題，縮短導管長度，提高推進效率，但為側(cè)推器布置和安裝帶來困難。不僅應在設計上解決結(jié)構(gòu)和側(cè)推器筒體過渡干涉、冷卻器維修、焊縫重疊和施工空間等問題，而且應在工藝上解決臥造分段安裝側(cè)推器的變形和精度控制方法。

精度控制的關(guān)鍵是在船體結(jié)構(gòu)基本成型、焊接工作基本完成時，按一定順序焊接側(cè)推器筒體與結(jié)構(gòu)的焊縫，在側(cè)推器筒體與結(jié)構(gòu)施焊時應采取對稱焊等措施以避免筒體過度變形。側(cè)推器焊接順序：先焊接側(cè)推器的縱向筋板，再焊接環(huán)形筋板和筒體對接環(huán)縫。在焊接時實時監(jiān)測側(cè)推器筒體電機基座法蘭面的數(shù)據(jù)，根據(jù)實時數(shù)據(jù)，進行相應調(diào)整，確保數(shù)據(jù)不超差。

1.2 側(cè)推器和主推器的動力負載分配

深中通道的隧道段施工地點水深不夠，需要新挖1條航道用于沉管運輸，船舶所有人從挖泥量等綜合成本方面考慮選用軸系推進。由于動力定位(Dynamic Positioning,DP)抗流選用8臺大功率側(cè)推器，因此面臨1個難題：如何在有限空間內(nèi)合理布置電力設備和分配電力?？紤]船型的特殊性：兩側(cè)側(cè)推器同時運行效率不高，同一時刻僅單側(cè)側(cè)推器運行可高效利用電力，且每臺主機通過齒輪箱帶動1個CPP和2臺軸發(fā)，根據(jù)需要啟動軸發(fā)，提供側(cè)推器所需要的電力。最終采用1臺軸發(fā)為不同片體的艏艉側(cè)推器供電和1臺變頻柜連接2臺側(cè)推器的方案。這樣布置可提高運行可靠性和降低投入成本。

該型船主機功率為9 280 kW/臺，在空載航行時主機3 418 kW/臺即可達10.0 kn的航速，如圖2所示。裕量功率較多導致在航行時無法驗證主機滿載能力。經(jīng)多方商議，在碼頭利用負載箱吸收軸發(fā)功率，約80%負載，用碼頭帶纜，適當帶螺距角旋轉(zhuǎn)螺旋槳吸收余下的1 680 kW。通過該方法驗證主機100%的負荷能力。其他負荷在試航時驗證。通過碼頭和海試相結(jié)合的方法，最終驗證主機常用的25%、35%、50%、80%和100%等負載的可靠性。

圖2 航速、功率和螺距角曲線

2 作業(yè)絞車系統(tǒng)

船舶進出塢、碼頭系泊、沉管牽引、綁扎浮運、船舶錨定、沉管沉放和定位調(diào)節(jié)等作業(yè)主要由船上的絞車系統(tǒng)完成。如何用最少的絞車完成復雜的施工，并為將來不同尺寸沉管預留改造的可能性，是絞車和導纜器布置的難點。該型船甲板錯綜布置30臺各類絞車，按功能分為5類。

2.1 移船絞車

設置8臺120 t移船絞車，用于船舶進出塢及沉管施工地點的精確定位和位置調(diào)整[3]。移船絞車及配套導纜器的布置設計和絞車銷軸傳感器底座的安裝是裝船難點。

由于沉管預制場的系泊點與船舶存在高度差，并需要通過纜繩收放移動船舶，因此對移船絞車出繩點和出繩角度提出較高要求，如圖3所示。綜合多方考慮，每側(cè)片體布置4臺絞車(2臺朝艏、2臺朝艉)、4個導向立柱和6個出繩纜柱(4個朝側(cè)向、前后各1個)。艏艉4個纜柱采用六滾柱滿足各向出繩角度要求，側(cè)面采用四滾柱(上下滾靠外)滿足水平50°、向上>30°、向下>90°的需求，局部更大出繩角度(水平+70°～-35°、向上30°、向下90°)采用延長下滾的四滾柱解決。

圖3 絞車移船出繩示例

移船絞車在底座銷軸設置應力傳感器實時監(jiān)測受力情況，而移船絞車底座需要插入船體結(jié)構(gòu)焊接，焊后底座變形會影響傳感器精度，其控制工藝是關(guān)鍵。采用假軸替換法和底座絞車預固定整裝安裝法解決傳感器保護問題，在焊接合格后，更換銷軸傳感器，去除預固定件，使其恢復正常。

2.2 牽引絞車

在跨梁上布置8臺40 t牽引絞車，用于將沉管由預制塢牽引至船中間綁扎浮運位置，兼作輔助系泊帶纜。沉管與船相對運動，如圖4所示。絞車的位置和角度要求與沉管預制廠環(huán)境聯(lián)系起來，因此牽引絞車布置和導纜器的型式選擇是難點。

圖4 牽引沉管示例

通過多次溝通，為滿足鋼絲繩在牽引沉管過程的換向要求，在跨梁下沿交叉設置8個萬向?qū)Ю|器。在絞車出繩方向近跨梁上沿設置8個四滾柱為8臺絞車導向。在片體兩側(cè)各設置8個四滾柱用于輔助系泊(滿足45°水平夾角和向下90°，水平滾柱靠舷側(cè))。由于鋼絲繩從萬向?qū)Ю|器內(nèi)通過，因此萬向?qū)Ю|器設計和安裝應注意控制跨梁上下沿鋼絲繩角度在萬向?qū)Ю|器內(nèi)不同角度的相對位置，避免鋼絲繩磨損萬向?qū)Ю|器內(nèi)壁結(jié)構(gòu)。安裝定位應注意拉繩檢查，如圖5所示。

圖5 萬向?qū)Ю|器試繩

2.3 定位絞車

設置6臺80 t定位絞車，用于沉管縱橫位置調(diào)整。兩側(cè)布置4臺定位絞車，按不同長度的沉管位置配置導纜器進行橫向位置調(diào)整，同時考慮將來為更多尺寸沉管的升級改造提供可能。縱向設置2臺絞車進行沉管縱向位置調(diào)整。技術(shù)難點是縱向絞車導纜器的設計。

縱向絞車前后布置，導向滑輪分別掛在和壓在跨梁上，1個受拉力，1個受壓力，而應力傳感器設置在導向滑輪銷軸上。為精確反饋應力情況，設計和安裝應注意傳感器應力點的方向與鋼絲繩夾角反向安裝以減少誤差，如圖6所示。

圖6 導向滑輪應力傳感器方向示例

2.4 提升絞車

設置6臺40 t提升絞車，用于沉管提放,根據(jù)不同沉管長度，每次使用其中4臺作業(yè)。提升絞車可與定位絞車同步動作，通過沉管的下放速度和角度變化，操作系統(tǒng)智能化計算并控制各絞車收放鋼絲繩的速度，使沉管保持水平狀態(tài)升降，確保沉放過程可控和高精度。提升絞車與滑輪組、鋼絲繩等組成系統(tǒng)，通過定、動滑輪組將提升能力提高至450 t?；喗M是提升系統(tǒng)的關(guān)鍵設備，其動作可靠性是系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，設計和制作精度要求高，集成是重點。

滑輪組由改向滑輪、定滑輪組、動滑輪組及索節(jié)固定裝置等組成，如圖7所示。單個滑輪組的精度在設備廠控制，精度控制核心轉(zhuǎn)移至集成支架，需要綜合考慮加工設備精度、操作檢修及制作能力等多方面要求，制定合理控制工藝，覆蓋支架制作、軸孔加工、裝配工藝等控制點?；喗M繞繩共計16次鋼絲繩往返，其起落方向應嚴格按照繞繩路線，避免鋼絲繩交錯摩擦。

圖7 提升滑輪組示例

2.5 雜用絞車

在艏艉跨梁上配置2臺5 t雜用絞車，用于舾裝件和鋼絲繩的轉(zhuǎn)移等輔助作業(yè)。

3 壓載調(diào)駁系統(tǒng)

沉管裝載、運輸及定位安裝是一項高精度工作，需要船舶和沉管的壓載系統(tǒng)密切配合[4]。設計建造重點為船舶壓載與監(jiān)測系統(tǒng)、沉管壓載系統(tǒng)供給接口設置和沉管監(jiān)控供給接口設置。

3.1 船體壓載系統(tǒng)

該型船每個片體壓載艙的總艙容為V1=9 029 m3，按8 h壓載艙由空艙狀態(tài)至注滿水狀態(tài)計算，壓載泵的總排量為CA1=9 029 m3/8 h=1 129 m3/h。片體中間無法連通，為方便布置、提高可靠性，每側(cè)設置3臺排量為600 m3/h、壓力為0.3 MPa的壓載泵，設置1臺掃艙泵用于清空。

在每個壓載艙均設置遙控閥和液位遙測傳感器，每個片體艏部、舯部和艉部均設置吃水傳感器，實時監(jiān)測船舶吃水及壓載艙情況，通過壓載泵注排，精確控制船舶浮態(tài)。

沉管在浮運時為不產(chǎn)生船管水平位移，需要船體通過支墩為沉管施加一個向下力[5]，通過綁扎拉索將沉管固定在船體支墩上，使沉管與船體連成一體。由預制基地至施工海域，海水密度變化使沉管和船體受到的浮力產(chǎn)生變化，而沉管在處于浮運狀態(tài)時不可使用內(nèi)部壓載泵，為保持支墩受力穩(wěn)定，需要通過船體的壓載泵進行調(diào)節(jié)。

船體與165 m沉管吃水及排水量隨海水密度變化情況如表1所示。隨海水密度減小，船體排水量增大，沉管排水量減小，支墩受力變小，沉管在運輸過程中可能產(chǎn)生水平位移。為使支墩處受力穩(wěn)定，調(diào)節(jié)船舶壓載，加注276 t壓載水，此時支墩處受力穩(wěn)定。

表1 船體與165 m沉管吃水及排水量隨海水密度變化情況

3.2 管節(jié)壓載系統(tǒng)

管節(jié)壓載是用于沉管沉浮調(diào)節(jié)的注排水系統(tǒng)。管節(jié)自帶壓載泵、壓載管、控制閥、壓載水箱及遙測系統(tǒng)等。船舶按系統(tǒng)需求，完成供電和通信接口，提前敷設控制柜、控制臺與電纜卷盤滑環(huán)之間的電纜，在艏部跨梁上設置4個電纜卷盤(2個組合電纜卷盤，2個動力卷盤)，用于實現(xiàn)船體與管節(jié)內(nèi)設備的通信控制和視頻傳輸，同時為管內(nèi)控制柜及設備提供電源。駕駛室控制臺設置管節(jié)壓載水控制站和模擬板，可對管節(jié)內(nèi)壓載泵和閥門進行控制。

3.3 測控系統(tǒng)

為監(jiān)控管節(jié)沉放精度，設置測控系統(tǒng)。在甲板艏艉各設置1個測控間，在船體的四角位置設置全球定位系統(tǒng)(GPS)天線及差分天線。在沉管首尾各放置1座測量塔，首測量塔分別布置GPS天線和北斗天線。通過定位數(shù)據(jù)計算船位和沉管姿態(tài)，指導管節(jié)調(diào)節(jié)定位[6]。在艉部跨梁的左、中、右預留聲吶位置，周圍應無大功率無線電設備，聲吶可升降潛入水中觀察對接情況，用于指導沉管安裝。

3.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

為準確監(jiān)控管內(nèi)漏水和設備運行等情況，預留管節(jié)內(nèi)攝像頭與船舶視頻監(jiān)控系統(tǒng)接口，可實現(xiàn)通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)及施工管理系統(tǒng)監(jiān)控管節(jié)內(nèi)的情況。在控制臺上設置直通聲力電話，實現(xiàn)與管節(jié)內(nèi)的通信。與拉索應力監(jiān)測、沉管靜態(tài)監(jiān)測等系統(tǒng)合計，共100多個監(jiān)控點，通過與視頻監(jiān)控系統(tǒng)通信連接實現(xiàn)可視化監(jiān)控分析。

4 氣象觀測系統(tǒng)

為保障浮運安裝安全，配置氣象觀測系統(tǒng)，由4個觀測點位和接收處理顯示系統(tǒng)組成，用于監(jiān)控洋流、溫度和鹽度等變化。在艉部跨梁內(nèi)側(cè)兩端設置2個觀測點，用于實時監(jiān)測沉管對接處海流的變化。在舯部外側(cè)設置2個觀測點，用于實時監(jiān)測沉管對接處海水溫鹽度的變化。船舶應預安裝系統(tǒng)的輔助設備及預埋連接電纜。羅經(jīng)甲板應預布置接收天線，避免與導航天線發(fā)生干涉。

5 拉合系統(tǒng)

拉合系統(tǒng)是在沉管對接時壓緊GANA型橡膠密封圈以保證水密性的關(guān)鍵，由2套200 t的拉合油缸、液壓管、液壓泵站和液壓軟管卷盤等組成。拉合油缸位于沉管頂兩側(cè)，隨沉管沉放入水，由液壓軟管連接至船上的液壓泵站。設計關(guān)鍵為應確定沉管對接油缸位置，從而合理布置液壓軟管卷盤，保證管路布置的合理性。

6 DP系統(tǒng)

珠江口海域水位復雜，為抵抗橫流、保持船位，配置DP-1系統(tǒng)。推進動力由2臺主推器及8臺側(cè)推器組成。

6.1 功率限制和分配

兩側(cè)主機各帶2臺軸發(fā)為側(cè)推器供電，采用1臺變頻器同時啟動2臺側(cè)推器模式，側(cè)推器在啟動后，1臺運轉(zhuǎn)，另1臺處于零螺距空轉(zhuǎn)狀態(tài)。設置為艏艉交叉、左右交叉模式，即1號軸發(fā)為艏部1號側(cè)推器和艉部6號側(cè)推器供電，2號軸發(fā)為艏部2號側(cè)推器和艉部5號側(cè)推器供電，3號軸發(fā)為艏部3號側(cè)推器和艉部8號側(cè)推器供電，4號軸發(fā)為艏部4號側(cè)推器和艉部7號側(cè)推器供電。由于側(cè)推器變頻器僅啟動、不控制，8個側(cè)推器的控制完全獨立，因此側(cè)推器控制系統(tǒng)一側(cè)無法根據(jù)電力可用功率信號分別限制側(cè)推器電機功率，只能由側(cè)推器提供電機功率信號至電力管理系統(tǒng)(Power Management System，PMS)進行判別，由PMS發(fā)出功率限制指令至側(cè)推器系統(tǒng)?？傮w設計2臺軸發(fā)開關(guān)與母聯(lián)開關(guān)為不同時合閘狀態(tài)。為防止軸發(fā)過載，應對側(cè)推器進行功率限制。左舷單線圖如圖8所示。

圖8 左舷單線圖

在單臺軸發(fā)出現(xiàn)故障時，合閘母聯(lián)開關(guān)，另1臺軸發(fā)帶動2個變頻器將出現(xiàn)軸發(fā)過載情況。經(jīng)核實，4臺側(cè)推器在零螺距空轉(zhuǎn)狀態(tài)的總電流為4 000 A，已達單臺軸發(fā)極限，因此1臺軸發(fā)不能同時驅(qū)動2臺變頻器，需要進行限制。最終功率限制方案：(1)在正常工況(4臺軸發(fā)同時運行)條件下，PMS采集8臺電機的電流信號，由PMS給出電流限制信號至側(cè)推器控制系統(tǒng)，側(cè)推器限定螺距，同時側(cè)推器給出負荷控制信號至DP系統(tǒng)；(2)在單側(cè)配電板1臺軸發(fā)出現(xiàn)故障時，PMS通過重載問詢限制變頻器，啟動1臺變頻器。

6.2 DP功率設置

DP能力分析是按照2臺主機和4臺側(cè)推器同時在線得出在不同工況(不同推進器在線)條件下的定位能力，如圖9所示。但實際上8臺側(cè)推器和2臺主推器均在線，此時需要考慮側(cè)推器零螺距時的功耗(理論能力分析未考慮此部分功耗)。基于對主機的保護，在DP工況條件下對主推器螺距進行重新標定。在每臺艏側(cè)推器滿負荷、1臺艉側(cè)推器零螺距在線的情況下，計算主機剩余功率為2 318 kW。最終標定主推器系統(tǒng)正車螺距45%，倒車螺距60%。

圖9 DP能力分析

7 施工管理系統(tǒng)

施工管理系統(tǒng)是將絞車控制系統(tǒng)、壓載系統(tǒng)、拉合系統(tǒng)、沉管姿態(tài)測量系統(tǒng)、水下測量系統(tǒng)、DP系統(tǒng)、起重機控制系統(tǒng)、全船監(jiān)測報警系統(tǒng)及自動化等針對全船和沉管運輸安裝的施工過程進行集成的一種模塊化、智能化、數(shù)字化和可視化的管理模式。通過衛(wèi)星信號實現(xiàn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，對主要設備的運行狀態(tài)和故障分析進行陸基的實時監(jiān)控和遠程協(xié)助，縮短故障排查和解決的時間，重點是系統(tǒng)接口的匹配工作。

8 船管對接

船管對接采用8個船體支墩嵌入沉管對應凹槽的楔塊鎖緊方式，如圖10所示。為保證8個支墩與每節(jié)沉管匹配、受力均衡，重點在統(tǒng)籌設計和建造精度控制。凹槽雖預留比支墩單側(cè)寬100 mm的空間，但若8個支墩相互錯位過大，將導致支墩無法卡入凹槽。結(jié)合船舶建造工藝水平，提出船舶建造保證任意支墩間偏差不超過20 mm，高差不超過2 mm。在建造時，應注意支墩面板定位安裝階段和精度控制工藝應用。

圖10 船管連接俯視圖

在船帶管作業(yè)時，重達8萬t的沉管一旦漏水失控，將影響船舶安全。為此，在船管連接綁扎拉索時，應考慮應急釋放功能。經(jīng)綜合評估，采用液壓快速脫扣法。在沉管漏水失控時，采用液壓脫扣拉索，釋放提升絞車，使船管分離，達到保證船舶安全的目的。船管連接綁扎拉索如圖11所示。

圖11 船管連接綁扎拉索

9 結(jié) 論

(1)基于自航和DP需求，綜合施工海域水深限制和船舶投資經(jīng)濟性考慮，選用雙軸系和八側(cè)推器的配置，在布置上應兼顧沉管對推力的影響和主推器與側(cè)推器的空泡干涉，在建造時應注意制定精度控制工藝，解決側(cè)推器倒裝和狹窄片體內(nèi)長軸系安裝的精度控制。

(2)結(jié)合沉管進塢裝載、浮運安裝的環(huán)境和施工特點，分析5類作業(yè)絞車及導纜器的選型布置要點，明確設計安裝的關(guān)鍵事項，提出可行的精度控制工藝。

(3)針對船帶管浮運的新作業(yè)方式，解析船管浮態(tài)由沉管預制廠至施工水域隨海水環(huán)境變化的特點，確定船管壓載系統(tǒng)配置和浮運壓載調(diào)節(jié)方法，闡述作業(yè)施工、監(jiān)測和視頻通信等系統(tǒng)裝船的技術(shù)要點。

(4)針對該型船十推進器的DP-1系統(tǒng)，采用每舷一拖三的動力配置和單變頻器供雙側(cè)推器啟動模式特點，分析側(cè)推器功率分配和限制的必要性，制訂側(cè)推器功率限制方法和主推器螺距限制方案。