坐底式半潛駁的設(shè)計(jì)

坐底式半潛駁的設(shè)計(jì)

1集料在防沉箱、水下工藝上的開(kāi)發(fā)沉箱重力結(jié)構(gòu)是港口工程的主要結(jié)構(gòu)類(lèi)型之一。進(jìn)入21世紀(jì)以后,隨著全國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,水運(yùn)工程建設(shè)出現(xiàn)了新的高峰,水工建筑物的深水、大型化發(fā)展趨勢(shì),導(dǎo)致了預(yù)制構(gòu)件的不斷加大,沉箱的重量由1000~2000t增至2000~3000t乃至4000t。十幾年以來(lái),在水工行業(yè)中沉箱制造、出運(yùn)、下水工藝呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)。一航局從1994年開(kāi)始立項(xiàng)開(kāi)發(fā)大型沉箱出運(yùn)下水的工藝和裝備,特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),為了適應(yīng)沉箱大型化的發(fā)展趨勢(shì),滿足施工生產(chǎn)需要,本局二、三、五和一公司先后與北海船舶重工技術(shù)中心合作,開(kāi)發(fā)了多艘坐底式半潛駁(圖1為3000t舉力半潛駁下潛前狀態(tài))。本文是對(duì)該項(xiàng)技術(shù)開(kāi)發(fā)成果及工程應(yīng)用的總結(jié)。2半潛駁技術(shù)開(kāi)發(fā)的過(guò)程半潛駁的開(kāi)發(fā)過(guò)程,是伴隨著施工水域不斷朝著外海發(fā)展,沉箱尺寸、重量不斷增加,浮游穩(wěn)定吃水不斷加深和出運(yùn)沉箱工藝不斷完善的過(guò)程,也是半潛駁開(kāi)發(fā)技術(shù)不斷進(jìn)步的過(guò)程。先后成功研發(fā)了舉力為1200t、3000t、4000t、5000t和6000t不同舉力和功能的多艘大型沉箱出運(yùn)下水半潛駁。2.11傾下潛出運(yùn)沉箱圖7該船于1994年開(kāi)始研發(fā)制造,1995年投入施工。船長(zhǎng)70m,型寬20.8m,型深3.876m,舉力1200t。船舶下潛作業(yè)時(shí)的縱傾≤12°,最大潛深≤15.5m,在施工水域波高≤0.5m和流速≤0.5m/s的環(huán)境條件下下潛出運(yùn)沉箱。該船是國(guó)內(nèi)第一艘搭岸出運(yùn)、艏傾下潛出運(yùn)沉箱的半潛駁,該工藝和裝備于1996年獲得國(guó)家專(zhuān)利[專(zhuān)利號(hào)96106741.1]。沉箱下潛狀態(tài)如圖2所示。2.23半潛駁的建造由于沉箱重量、尺寸的加大,特別是浮游穩(wěn)定吃水的加深,如果繼續(xù)采用艏傾式半潛駁下潛沉箱,則要加大船舶主尺度,船長(zhǎng)要達(dá)到70m以上,同時(shí)為減少潮汐變化對(duì)出運(yùn)沉箱作業(yè)時(shí)間的影響和制約,為提高施工效率和確保施工安全,經(jīng)慎重的技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證,決定開(kāi)發(fā)3000t舉力的水平下潛、坐底式出運(yùn)沉箱的半潛駁。2003年一季度開(kāi)始設(shè)計(jì),三季度相繼研制成功3000t舉力的半潛駁,四季度投入施工,效果很好,并于次年獲得實(shí)用新型專(zhuān)利[專(zhuān)利號(hào)200420028484.2]。由于工程的進(jìn)一步需要,該規(guī)格的半潛駁已成功地建造了3艘,船長(zhǎng)53.0m,型寬34.0m,主體型深4.5m,頂甲板距基線20.7m,舉力3000t。水平下潛,最大潛深18.7m,起浮時(shí)間≤90min,在風(fēng)力≤6級(jí)(蒲氏),波高≤1.5m,流速≤1.0m/s的海況下可以安全下潛作業(yè)。該船船型如圖3所示。3000t舉力半潛駁的沉箱出運(yùn)、下水過(guò)程如圖4所示。2.341000.6000噸半潛容量的開(kāi)發(fā)2.3.1主6沉箱式沉箱trt該船船長(zhǎng)58.0m,型寬34.0m,主體型深4.6/4.5m,頂甲板距基線22.6m,舉力4000t。水平下潛,最大下潛深度20.6m。該船具備坐底和搭岸二種方式與碼頭對(duì)接、利用軌道臺(tái)車(chē)和氣囊二種工藝方式使沉箱上船的能力。該船還裝有2臺(tái)5t×30m克令吊,具有流動(dòng)預(yù)制場(chǎng)的功能。2.3.2頂板式深4.該船船長(zhǎng)58.0m,型寬36.0m,主體型深5.5m,頂甲板距基線25.5m,舉力5000t。水平下潛,最大潛深23.5m。該船在6艘半潛駁中潛深最大、起浮速度最快。2.3.3壓力和速度下的船舶該船船長(zhǎng)72.6m,型寬35.0m,主體型深5.5m,頂甲板距基線24.5m,舉力6000t。水平下潛,最大潛深23.0m。該船具備坐底接運(yùn)沉箱和搭岸接運(yùn)沉箱二種工藝能力。以上4000~6000t舉力的半潛駁可以在風(fēng)力≤6級(jí)(蒲氏)、波高≤1.5m、流速≤1.5m的海況下安全作業(yè)。3t舉力半潛駁6艘坐底式半潛駁開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù),以首制3000t舉力半潛駁為例分述如下:2003年初,一航局決定與北海船舶重工技術(shù)中心合作,開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)3000t舉力坐底式半潛駁。3.1沉箱回輸和離船(1)應(yīng)用坐底方式接運(yùn)陸域預(yù)制沉箱上船,即在船上軌道與岸上軌道準(zhǔn)確對(duì)接和高程一致后,以液壓頂推方式將沉箱移至船舯就位;(2)不要浮船塢式的塢墻,在船的縱向和橫向二個(gè)方向均能使沉箱上船和離船;(3)沉箱尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為25m×13m×18.6m,塔樓之間的凈距離(包括長(zhǎng)度和寬度)應(yīng)有足夠的安全作業(yè)余量;(4)沉箱隨船水平下潛,潛深應(yīng)達(dá)到18.70m;(5)舉力、起浮時(shí)間和施工作業(yè)條件均能滿足本文2.2所述之要求;(6)滿足沉箱預(yù)制出運(yùn)碼頭的標(biāo)高、潮位和水深的要求,由于受海域限制,船長(zhǎng)<55m;(7)雙軌軌道下船體結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受集中載荷,并留有足夠的安全系數(shù);(8)進(jìn)、排水和液位監(jiān)控、吃水測(cè)量及定位錨絞車(chē)控制等全部集中遙控。3.2主要困難和關(guān)鍵技術(shù)3.2.1設(shè)計(jì)規(guī)范和法定檢驗(yàn)規(guī)則本船于2003年3月正式開(kāi)始設(shè)計(jì)。其他類(lèi)的工程船舶(如挖泥船、起重船、浮船塢等)已有比較完善的設(shè)計(jì)規(guī)范和法定檢驗(yàn)規(guī)則。而對(duì)半潛駁,中國(guó)CCS、法國(guó)BV、美國(guó)LR、日本NK、挪威DNV等國(guó)家船級(jí)社聯(lián)合會(huì)(IACS)成員,均沒(méi)有相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范,再加上特定的使用要求,半潛駁開(kāi)發(fā)存在較大的困難。3.2.2關(guān)鍵技術(shù)3.2.2.浮船的下潛穩(wěn)性指標(biāo)由于下潛穩(wěn)性和最大沉深干舷沒(méi)有設(shè)計(jì)規(guī)范依據(jù),因此這兩項(xiàng)設(shè)計(jì)就成了首制船的關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)外各大船級(jí)社對(duì)下潛穩(wěn)性也沒(méi)有明確要求。就此問(wèn)題,我們專(zhuān)門(mén)與CCS審圖中心和LR、BV、NK等船級(jí)社的有關(guān)專(zhuān)家進(jìn)行了探討,就當(dāng)前存在的類(lèi)似船舶與設(shè)計(jì)交換了意見(jiàn),了解到船級(jí)社不確定衡準(zhǔn)依據(jù)的一些疑慮。為確保本船的安全使用,我們根據(jù)該船實(shí)際使用要求,把下潛過(guò)程分為5個(gè)階段來(lái)分析:(1)從工作吃水下潛至主甲板入水。此階段船體水線面面積很大,初穩(wěn)性高GM值和復(fù)原力矩MH都很大。(2)從主甲板入水到沉箱底面入水。此階段水線面面積瞬間減小,初穩(wěn)性高GM值和復(fù)原力矩MH急劇變小。(3)沉箱入水至沉箱吃水H0。此階段船體水線面面積不變,沉箱的水線面面積對(duì)穩(wěn)性的改善作用計(jì)入。(4)沉箱吃水H0至漂浮吃水。此階段船體水線面面積不變,沉箱的水線面面積對(duì)穩(wěn)性的改善作用不計(jì)入。(5)沉箱漂浮,本船達(dá)到最大沉深,此時(shí)各壓載艙基本灌滿,船體干舷以下部分已全部沒(méi)入水中。對(duì)于下潛穩(wěn)性的要求,CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》規(guī)定,平臺(tái)在均勻沉浮時(shí),初穩(wěn)性高要大于0.15m;在《浮船塢入級(jí)與建造規(guī)范》中規(guī)定,在浮船塢沉浮過(guò)程中初穩(wěn)性高要大于1m,兩者之間差別較大。相對(duì)海船而言,半潛船下潛時(shí)初穩(wěn)性高度、回復(fù)力臂等參數(shù)提高的代價(jià)是比較大的,因此合理確定衡準(zhǔn)指標(biāo)是本船成功與否的關(guān)鍵。我們通過(guò)逐點(diǎn)設(shè)計(jì),分析出了每個(gè)階段的初穩(wěn)性高度變化趨勢(shì)并繪制了變化曲線,確定了極值點(diǎn)。各種裝載條件下極值點(diǎn)處的初穩(wěn)性高度不小于0.15m。為保證本船下潛載荷最大限度的發(fā)揮,我們核算了各種沉箱的極限重心高度,繪制了極限重心高度曲線(如圖5所示)。以保證在各種裝載條件下,下潛穩(wěn)性滿足衡準(zhǔn)要求。3.2.2.干測(cè)定的干刑高度CCS《浮船塢入級(jí)與建造規(guī)范》規(guī)定最大沉深時(shí)的干舷要大于1m。分析了半潛駁和浮船塢施工作業(yè)條件,半潛駁的作業(yè)條件較浮船塢作業(yè)條件更差一些,經(jīng)研究,提出了以?xún)?chǔ)備浮力為主兼顧風(fēng)浪條件的核算辦法,確定最大沉深時(shí)的干舷高度。儲(chǔ)備浮力是以水線面上下排水體積的比率核算的,經(jīng)對(duì)多座典型的浮船塢進(jìn)行核算和設(shè)計(jì)分析,遮蔽水域作業(yè)的浮船塢這一比率通常在2.63%~3.5%,結(jié)合本船結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和作業(yè)條件我們對(duì)最大沉深時(shí)水線上下排水體積的比率考慮了1.2倍的安全系數(shù),并對(duì)甲板上浪進(jìn)行了校核。為了保證作業(yè)安全,對(duì)本船的動(dòng)穩(wěn)性進(jìn)行了詳細(xì)核算。當(dāng)沉深超過(guò)13.1m時(shí),動(dòng)穩(wěn)性即不能滿足規(guī)范對(duì)駁船的要求;但若要滿足這一要求,本船的主尺度又明顯不合理,建造成本將會(huì)大幅度增加。為此,我們采取了限制最大作業(yè)水深和嚴(yán)格操作技術(shù)規(guī)程的措施以確保作業(yè)安全。3.2.2.拋錨就位時(shí)的沉箱控制本船頂甲板距基線20.7m,在設(shè)定的作業(yè)海況條件下,最小干舷按2.0m掌握。即最大潛深控制在18.7m以?xún)?nèi),載沉箱的半潛駁拋錨就位時(shí),要維持沉箱出運(yùn)方向與流速方向一致;在中控室遙控20個(gè)壓載水艙,并使其注水量均勻,以保持船舶水平狀態(tài)下潛,嚴(yán)格控制船舶橫傾和縱傾(如橫傾控制在0.3°以?xún)?nèi));4個(gè)塔樓頂甲板的副絞車(chē)系住沉箱四角,以保持沉箱平穩(wěn)等等。簡(jiǎn)言之,以一定海況條件下的相應(yīng)操作技術(shù)作為解決兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的必要和補(bǔ)充措施,通過(guò)典型施工檢驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)的可靠性,并以施工實(shí)踐技術(shù)數(shù)據(jù)指導(dǎo)其后半潛駁的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。3.2.2.船級(jí)社規(guī)范的假設(shè)《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》規(guī)定的主尺度比為:長(zhǎng)寬比L/B>5;寬深比B/D≤2.5。本船的主尺度比為:L/B=1.56,B/D=7.56,可見(jiàn)兩者的差距較大,加之本船載荷大且過(guò)于集中,故本船的強(qiáng)度計(jì)算也成為一個(gè)難點(diǎn)。(1)總縱強(qiáng)度對(duì)于常規(guī)船舶的總縱強(qiáng)度計(jì)算,各國(guó)的船級(jí)社規(guī)范都有明確規(guī)定。而本船因主尺度比超出規(guī)范范圍,其波浪載荷要求用直接計(jì)算法計(jì)算。而我們國(guó)家關(guān)于波浪的研究和波浪載荷的計(jì)算資料較少,對(duì)于本船,經(jīng)反復(fù)研究探討,做如下假定來(lái)進(jìn)行計(jì)算:①根據(jù)作業(yè)海域的波高、波長(zhǎng),假定其為正弦波;②假定最危險(xiǎn)狀態(tài)為波長(zhǎng)等于船長(zhǎng);③把波峰和波谷分別置于船舯。計(jì)算出此時(shí)的波浪彎距和剪力,并與靜水彎距進(jìn)行合成,來(lái)校核其總縱彎曲應(yīng)力。(2)橫向強(qiáng)度因本船船寬較大,而且要橫向接運(yùn)沉箱上船,加之載荷過(guò)于集中,其橫向強(qiáng)度也需要特殊考慮。但在船級(jí)社的規(guī)范中,沒(méi)有關(guān)于橫向強(qiáng)度計(jì)算方法。我們?cè)诮鉀Q這一問(wèn)題時(shí),參考船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)的原理,根據(jù)本船的結(jié)構(gòu)和裝載情況,沿船長(zhǎng)截取一定長(zhǎng)度作為相當(dāng)梁,按其所受浮力、重力分布進(jìn)行彎距和剪力計(jì)算,找出最大彎距和剪力作用位置進(jìn)行校核。上述方法,經(jīng)實(shí)船驗(yàn)證,是安全可靠的。4結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝和核心技術(shù)開(kāi)發(fā)方面的應(yīng)用3000t舉力坐底式半潛駁,于2003年4月完成技術(shù)設(shè)計(jì),于當(dāng)年5、6月份相繼開(kāi)工建造,9-10月建造完畢并投入施工使用。工程實(shí)踐表明該船的技術(shù)開(kāi)發(fā)是成功的,對(duì)保證施工安全、提高施工效率和降低施工成本起到了重要的作用。該船于2004年獲得了國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利。在此基礎(chǔ)上,又做了許多改進(jìn)和完善,于2004-2005年相繼誕生了3000~6000t舉力半潛駁4艘,后面的4艘半潛駁在機(jī)泵艙設(shè)置、降低操作維修人員勞動(dòng)強(qiáng)度、協(xié)調(diào)各下潛深度的初穩(wěn)性高度、結(jié)構(gòu)型式和在保證足夠儲(chǔ)備浮力的前提下,適當(dāng)降低最大沉浮時(shí)的干舷高度等方面都做了程度不同的完善和提高,同時(shí),在對(duì)沉箱出運(yùn)各類(lèi)工藝的適應(yīng)能力方面和增加半潛駁一船多用的功能開(kāi)發(fā)方面,又取得了許多新的技術(shù)進(jìn)步。在2003年11月-2005年10月的2年間,僅一航局的6艘半潛駁先后在廣東大南沙、福建漳州、山東煙臺(tái)等6項(xiàng)工程中成功地出運(yùn)、下水各種規(guī)格的大型沉箱260多個(gè),在這些工程的施工中起到了關(guān)鍵性的作用。在2003年2-4月首制半潛駁的設(shè)計(jì)階段,國(guó)內(nèi)國(guó)際沒(méi)有相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范,在首制半潛駁建造完畢的2003年9月,中國(guó)船級(jí)社上海規(guī)范研究所頒布了《半潛駁檢驗(yàn)指南》(討論稿),該檢驗(yàn)指南相當(dāng)于設(shè)計(jì)規(guī)范。在首制半潛駁投入施工的2003年1