專利名稱：一種淺水中安全系泊的浮體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種淺水中安全系泊的浮體，屬于船舶制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著海洋石油勘探開發(fā)的高速發(fā)展。特別是渤海大型油田的不斷發(fā)現(xiàn)，需要在水深很淺的海域建造多艘浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)，其中包括建造15萬噸～30萬噸級(jí)的FPSO。另外在淺水海域中使用的浮體還包括鋪管船、起重船、工程駁船、鉆井船等等。淺水海域中可安全系泊的浮體，以及在系泊狀態(tài)下浮體進(jìn)行淺水海域的工程作業(yè)，由于此時(shí)的船舶的吃水與水深相當(dāng)接近，它會(huì)直接影響到浮體的阻力、總強(qiáng)度及運(yùn)動(dòng)特性。
在惡劣的作業(yè)海況下，當(dāng)淺水海域遭遇突發(fā)風(fēng)浪襲擊時(shí)，大型工程浮體要保持其功能及作業(yè)能力，保證不碰撞海底，就必須要采取安全措施，多年的海上作業(yè)經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，航行的浮體與作業(yè)的安全水深不能小于船舶自身吃水的1.3倍，既水深/吃水≥1.3，因此，在淺水中浮體是否能夠安全系泊，吃水將受到較大限制。為滿足浮體的使用功能，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是盡量減小吃水，及加大浮體長度或浮體寬度的作法，從而形成了一般的“扁平”浮體型或“細(xì)長”浮體型。“扁平”型的浮體有效裝載體積小，耐波性差，不利于工程作業(yè)；“細(xì)長”型的浮體由于總縱彎矩較大，為保證一定的強(qiáng)度要求，鋼材耗費(fèi)大，船舶造價(jià)將提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種有效裝載體積大、載重量高，造價(jià)低且能夠保證在淺水海域中安全系泊的浮體。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案一種淺水中安全系泊的浮體，其特征在于浮體的允許吃水由浮體系泊水域的水深和浮體底部與水底之間允許的最小間隙確定；通過浮體的允許吃水確定浮體的長、寬及型深尺度。
上述浮體底部與水底之間的最小間隙為1.1～1.3；最佳取1.1～1.25。
上述浮體的長、寬及型深尺度確定浮體的載重量，所述載重量與浮體的干舷值成反比，與排水體積成正比。
上述浮體的載重量設(shè)為DWT，由下述公式計(jì)算DWT＝L·B·T·CB·γ-WL其中DWT為浮體的排水量扣除浮體空載時(shí)的自重；
L為浮體的長度；B為浮體的寬度；T為吃水度；CB為吃水度為T時(shí)的方形系數(shù)；γ為水的密度；WL為浮體空載時(shí)的自重。
所述方形系數(shù)CB與所述浮體的長度L、寬度B與吃水度T的乘積確定所述浮體的排水體積，由下述公式計(jì)算CB＝V/(L·B·T)其中V為吃水度為T時(shí)浮體的排水體積。
所述方形系數(shù)CB為0.93～0.96；所述干舷值為D-T的差值，其中D為型深。
所述貨艙容積為所述浮體的總體積減去其首尾尖艙、機(jī)艙、雙層底艙及雙殼貨艙區(qū)的專用壓載水艙容積之差設(shè)定浮體的貨艙容積，所述貨艙容積與浮體的長、寬、型深成正比，其關(guān)系如下所示VC∝L·B·D其中VC為貨艙容積。
所述VC與所述L·B·D的比值為0.5～0.6。
本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，浮體與海底的間距小了，仍然能夠保證浮體的安全性，其主要原理如下通過浮體水深與吃水的最小比值設(shè)定浮體底部與水底之間的最小間隙，將此現(xiàn)象定義為“淺水效應(yīng)”，通過對(duì)浮體的“淺水效應(yīng)”進(jìn)行理論分析和模型試驗(yàn)，其結(jié)果表明在淺水情況下，浮體的底部與海底的水層較少，浮體周圍水流進(jìn)入該層面的運(yùn)動(dòng)緩慢，對(duì)波浪運(yùn)動(dòng)引起的浮體運(yùn)動(dòng)起阻滯作用。所以，在極限低水位時(shí)，浮體不會(huì)發(fā)生觸底。
在浮體投產(chǎn)后，可在海上對(duì)浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行實(shí)測(cè)，如果實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大于理論研究或船模試驗(yàn)結(jié)果，則只須對(duì)浮體的裝載工況作適當(dāng)調(diào)整，用降低浮體的吃水量的作法，而在大部分作業(yè)時(shí)間內(nèi)，完全可以不作任何限制，可以保證FPSO或浮體在海上的作業(yè)安全。
FPSO本身設(shè)置為雙殼體結(jié)構(gòu)，對(duì)貨油艙的滿載起到保護(hù)作用。
本發(fā)明利用“淺水效應(yīng)”理論，為安全系泊在淺水海域作業(yè)的浮體找到一個(gè)整體的優(yōu)化方案，其優(yōu)點(diǎn)如下1.可進(jìn)行淺水浮體的最大吃水設(shè)計(jì)，浮體主尺度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過改變浮體的長度、寬度與型深，可以有效提高裝載能力；采用本發(fā)明系泊方法的浮體載重量可比傳統(tǒng)系泊方法的浮體載重量提高6～9％。
2.可對(duì)淺水海域系泊的浮體進(jìn)行系統(tǒng)性能優(yōu)化。
3.能夠?qū)こ檀霸跍\水系泊作業(yè)狀態(tài)下的最小水深進(jìn)行預(yù)報(bào)，保證浮體有最大的載重量，同時(shí)保證其浮體作業(yè)的安全性，減少因觸底碰撞對(duì)浮體造成的損壞。
4.由于“淺水效應(yīng)”現(xiàn)象的出現(xiàn)，浮體的建造與使用，特別是在極限低水位時(shí)，在突發(fā)的風(fēng)、浪、流環(huán)境條件的共同作用下，浮體不會(huì)發(fā)生觸底碰撞。浮體的裝載量與沒有考慮淺水效應(yīng)時(shí)浮體的裝載量增加很多，經(jīng)濟(jì)效益將有很大提高。
本發(fā)明的浮體包括浮式儲(chǔ)油船(FPSO)、浮式儲(chǔ)油裝置(FSO)、大型油輪、散貨船、化學(xué)品船舶、干貨船、駁船、起重船、鋪管船、鉆井船及工程作業(yè)船等多種船體。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的浮體設(shè)計(jì)是在大量數(shù)模分析和水池模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上，突破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，首次運(yùn)用“淺水效應(yīng)”理論，形成了一套“淺水效應(yīng)”概念的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其應(yīng)用的環(huán)境條件一般為渤海淺水海域，相當(dāng)于一分鐘風(fēng)速40米/秒、波高5.5米，流速4節(jié)環(huán)境條件以下的淺水海域。
本發(fā)明所述淺水中安全系泊的浮體，是由浮體系泊的海域確定其浮體的吃水，通過浮體所承受的最大吃水度確定其浮體的結(jié)構(gòu)及主尺度；其特征在于浮體的允許吃水由浮體系泊水域的水深和浮體底部與水底之間允許的最小間隙確定；通過浮體的允許吃水確定浮體的長、寬及型深尺度。
所述浮體底部與水底之間的最小間隙為1.1～1.3；最佳取為1.1～1.25。
所述浮體的長、寬及型深尺度確定浮體的載重量，所述載重量與浮體的干舷值成反比，與貨艙容積成正比，與浮體的排水體積成正比。
所述載重量設(shè)為DWT，所述DWT為船舶的排水量扣除空船重量，由下述公式計(jì)算DWT＝L·B·T·CB·γ-WL其中式中CB為吃水T時(shí)的方形系數(shù)，γ為水的密度，海水一般取為1.025t/m3；WL為空船重量。
所述CB的計(jì)算由下述公式進(jìn)行CB＝V/(L·B·T)，V為吃水T時(shí)船舶的排水體積；上述浮體方形系數(shù)(CB)可達(dá)到0.93～0.96。
上述浮體的主尺度，由船長(L)、船寬(B)、型深(D)和吃水(T)決定。
所述貨艙容積VC等于船舶的總體積，扣除首尾尖艙、機(jī)艙、雙層底艙及貨艙區(qū)的專用壓載水艙容積(雙殼內(nèi))。所以貨艙容積VC一般有下述關(guān)系VC∝L·B·D所述浮體的主尺度，由浮體的長度、寬度及型深確定；所述型深與所述吃水度之差，確定所述浮體干舷值；依據(jù)上述思路，浮體可達(dá)到最佳設(shè)計(jì)，使其載重量增加，浮體底部與水底之間距離縮短至極限值，仍能保證其浮體的安全系泊效果。
表1給出了幾種典型油船的貨艙容積與浮體主尺度VC/L·B·D的比值

具體操作如下一)浮體主尺度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法載重量的增加，用WH表示確定浮體的造價(jià)主要包括全船機(jī)器與設(shè)備的價(jià)格和船體鋼料(包括加工費(fèi)，油漆)的價(jià)格。浮體的造價(jià)決定了項(xiàng)目的初投資。而折舊率和保險(xiǎn)費(fèi)率等，也是一個(gè)重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)參數(shù)。
浮體主尺度優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，機(jī)器、設(shè)備在一定范圍內(nèi)的價(jià)格基本不變，所以，一般只考慮主尺度對(duì)船體鋼料的影響。
船體構(gòu)件尺寸(諸如船殼板、甲板、縱橫艙壁、內(nèi)底板等板材的面積，以及縱骨、肋骨、扶強(qiáng)材等型材的長度)主要與L、B、D有關(guān)。而上述構(gòu)件的厚度及型材的規(guī)格則根據(jù)船級(jí)社規(guī)范的要求來決定。大致有如下關(guān)系(1)船殼板(除船首及船尾外)及其縱骨、肋骨等構(gòu)件尺寸主要取決于a.局部強(qiáng)度，主要是承受的水壓力——與吃水T有關(guān)；b.總縱強(qiáng)度，主要是承受的總縱彎矩和剪力——與船長L、船寬B、型深D及船舶的裝載情況有關(guān)。
并取a、b兩個(gè)要求中大者。根據(jù)大型船舶的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，b款的要求往往高于a款的要求。
甲板及其骨材的尺寸也需滿足總縱強(qiáng)度的要求。
(2)縱、橫艙壁，內(nèi)底板及其骨材的尺寸按它們所承受的海水或液貨壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)，該壓力值與型深D有關(guān)。
船體鋼料的重量WH有如下的關(guān)系WH∝Lα1Bα2Dα3Tα4a.對(duì)于油船，壓載狀態(tài)的總縱彎矩最大，油船船體鋼料重量公式中的指數(shù)一般如下α1＝1.83，α2＝0.75， α3＝0.50，α4＝0從α1至α4的數(shù)值來看，α1的數(shù)值最大，即船長L對(duì)WH的影響最大；因α4＝0，所以吃水T對(duì)WH的影響幾乎無關(guān)。
b.對(duì)于FPSO，滿載狀態(tài)的總縱彎矩最大，所以FPSO船體鋼料重量公式中的指數(shù)與油船略有不同，其關(guān)系如下α1=1.83， α2＝0.75， α3＝0.50，α4＝0.16從α1至α4的數(shù)值來看，α1的數(shù)值最大，α4的數(shù)值最小，說明吃水T對(duì)WH值影響較小。
(3)貨艙容積的變化確定浮體的載重量及吃水度；所述吃水度由浮體與海底之間的最小間隙確定，設(shè)定浮體與海底之間的最小間隙為λ值，λ值的確定步驟如下1)測(cè)定浮體的空載重量；2)測(cè)量系泊淺水的水深；由水深與吃水之比，即λ值設(shè)定小于或等于1.3；二)受淺水效應(yīng)的船舶主尺度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法(1)吃水的優(yōu)化設(shè)計(jì)浮體增加吃水，浮體的載重量顯著地增加，而對(duì)浮體鋼料重量的增加幾乎沒有影響，不增加成本或僅增加少量成本時(shí)可顯著地提高經(jīng)濟(jì)收益。事實(shí)上，由于FPSO長期處于零航速系泊狀態(tài)下，可以不考慮吃水對(duì)船體鋼料重量的影響。在淺海中的FPSO，由于其吃水受工作海域的水深限制，在相同水深條件下，利用“淺水效應(yīng)”的現(xiàn)象，增加FPSO吃水，盡可能地加大貨艙容積VC，以提高其經(jīng)濟(jì)效益。
表2列出了工作水深相同為25.75m的FPSO的兩個(gè)設(shè)計(jì)方案。

由表2可知，方案1的水深/吃水比為1.275，沒有考慮“淺水效應(yīng)”。方案2在考慮了“淺水效應(yīng)”后，增加了FPSO的吃水，水深/吃水比為1.198，使FPSO在相同的空船重量WL下(即造價(jià)基本一樣)，方案2的載重量比方案1多裝19000t貨物。對(duì)于吃水的另一個(gè)限制條件是它必須滿足船級(jí)社規(guī)范要求的最小干舷要求，船舶的干舷是體現(xiàn)船舶貯備浮力的一個(gè)參數(shù)，它等于型深減去吃水(D-T)。
根據(jù)IMO規(guī)定，F(xiàn)PSO和常規(guī)油船一樣，必須設(shè)置專用壓載艙。對(duì)于有雙殼體的船，VC/L·B·D的比值一般在0.5～0.6范圍。為了獲得與DWT相適應(yīng)的Vc值，(型深D-d)的差值一般比規(guī)范要求的值大。所以在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增加吃水不會(huì)影響型深D的取值。如果吃水增加較多，則為獲得與DWT相適應(yīng)的VC值將必須要增加型深D。
(2)型深的優(yōu)化設(shè)計(jì)型深的選擇主要與兩個(gè)要求有關(guān)，既與載重量相適應(yīng)的貨艙容積要求和干舷要求。通常增加型深固然會(huì)增加船體重量，但由于它增加了甲板和船底離中和軸的距離，若保持橫剖面的剖面模數(shù)不變，則可適當(dāng)減小甲板和船底鋼板和骨材的尺寸，因此，增加型深使船體稍有增加，但又被船體構(gòu)件減薄而抵消。所以講，型深變化對(duì)船體鋼料重量的影響不大。
在許多情況下，型深的取值往往略大于貨艙容積所需值，其目的是使貨艙容積有一定的裕度，以應(yīng)付設(shè)計(jì)中一些不可預(yù)見的因素。
眾所周知，對(duì)于一些穩(wěn)性較差的船舶，型深的選擇還必須考慮滿足穩(wěn)性要求，而且應(yīng)留有足夠的穩(wěn)性裕度。
(3)船長的優(yōu)化設(shè)計(jì)船長是最大船體鋼料重量的影響參數(shù)。在吃水受限制的情況下，船舶為了獲得足夠的載重量DWT和貨艙容積Vc值，船長往往不可能縮短。但考慮“淺水效應(yīng)”后，就可以增加船寬、縮短船長以減小船體鋼料重量。
依據(jù)上述原則，并考慮“淺水效應(yīng)”后，針對(duì)表2中的FPSO，提出了如表3所示的第3個(gè)方案。
表3考慮“淺水效應(yīng)”前后的FPSO設(shè)計(jì)方案對(duì)比

以30萬噸FPSO的設(shè)計(jì)為例，在方案3中的FPSO則考慮了“淺水效應(yīng)”，水深/吃水比為1.16。由表3可知方案3的船長比方案2縮短了20m；船寬從58.0m增加到65.0m。船體鋼料重量則減少了約3400t，按鋼料每噸人民幣7000元計(jì)，可節(jié)約初投資約2000余萬元。而載重量增加了26000多噸，載重量比方案2增加了很多，貨艙容積也增加了近19000m3。方案3的FPSO的主尺度在降低船體鋼料、增加載重量和貨艙容積方面，比方案2優(yōu)越很多，因此方案3的經(jīng)濟(jì)效益顯然優(yōu)于方案2。
(4)船寬的優(yōu)化設(shè)計(jì)在FPSO的吃水和船長選定的基礎(chǔ)下，船寬的選擇主要考慮能獲得足夠的載重量。由于船寬的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，還須考慮船舶營運(yùn)水域的限制條件和船體結(jié)構(gòu)的橫向強(qiáng)度，與船長L影響總縱強(qiáng)度一樣，橫向強(qiáng)度與船寬B密切相關(guān)，所以，在FPSO的主尺度優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，必須避免采用過大的船寬值，以確保船體的橫向強(qiáng)度。
綜上所述，本發(fā)明的突破在于提出了“淺水效應(yīng)”。對(duì)于淺水中使用的FPSO或船舶，充分利用“淺水效應(yīng)”現(xiàn)象，設(shè)計(jì)出最佳的船舶主尺度，使得FPSO或其它浮體有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，而且有效保證浮體的作業(yè)安全性。
權(quán)利要求
1.一種淺水中安全系泊的浮體，其特征在于浮體的允許吃水由浮體系泊水域的水深、浮體底部與水底之間允許的最小間隙確定；通過浮體的允許吃水確定浮體的長、寬及型深主尺度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的浮體，其特征在于所述浮體底部與水底之間的最小間隙為1.1～1.3。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的浮體，其特征在于所述浮體底部與水深之間的最小間隙為1.1～1.25。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的浮體，其特征在于所述浮體的長、寬及型深尺度確定浮體的載重量，所述載重量與浮體的干舷值成反比，與排水體積成正比。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的浮體，其特征在于所述浮體的載重量設(shè)為DWT，由下述公式計(jì)算DWT＝L·B·T·CB·γ-WL其中DWT為浮體的排水量扣除浮體空載時(shí)的自重；L為浮體的長度；B為浮體的寬度；T為浮體的吃水；CB為吃水為T時(shí)的方形系數(shù)；γ為水的密度；WL為浮體空載時(shí)的自重。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的浮體，其特征在于所述方形系數(shù)CB與所述浮體的長度L、寬度B與吃水T的乘積確定所述浮體的排水體積，由下述公式計(jì)算CB＝V/(L·B·T)其中V為吃水度為T時(shí)浮體的排水體積。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的浮體，其特征在于所述方形系數(shù)CB為0.93～0.96。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的浮體，其特征在于所述干舷值為D-T的差值；其中D為浮體型深。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的浮體，其特征在于所述貨艙容積由所述浮體總體積減去其首尾尖艙、機(jī)艙、雙層底艙及雙殼貨艙區(qū)的專用壓載水艙容積，所述貨艙容積與所述浮體的長、寬、型深的關(guān)系如下式表述VC∝L·B·D其中VC為貨艙容積。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的浮體，其特征在于所述VC與所述L·B·D的比值為0.5～0.6。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種淺水中安全系泊的浮體，其目的是提供一種有效裝載體積大、載重量高且能在淺水中安全系泊且作業(yè)的浮體。其特點(diǎn)在于浮體的允許吃水由浮體系泊水域的水深、浮體底部與淺水水底之間允許的最小間隙確定；通過浮體的允許吃水確定浮體的長、寬及型深主尺度。本發(fā)明利用“淺水效應(yīng)”理論，在同一淺水水域作業(yè)時(shí)，可有效增加浮體裝載量，加大其吃水度，使浮體沉降至與海底之間間隔的極限值，即可保證浮體裝載量的提高，又保證其浮體不會(huì)發(fā)生觸底碰撞。
文檔編號(hào)B63B9/00GK1600636SQ03134678
公開日2005年3月30日 申請(qǐng)日期2003年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月25日
發(fā)明者曾恒一, 范模, 楊葆和, 楊建民, 劉德福 申請(qǐng)人:中海石油研究中心, 中國海洋石油總公司