专利名称：一种浅水中安全系泊的浮体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种浅水中安全系泊的浮体，属于船舶制造领域。
背景技术：
随着海洋石油勘探开发的高速发展。特别是渤海大型油田的不断发现，需要在水深很浅的海域建造多艘浮式生产储油装置(FPSO)，其中包括建造15万吨～30万吨级的FPSO。另外在浅水海域中使用的浮体还包括铺管船、起重船、工程驳船、钻井船等等。浅水海域中可安全系泊的浮体，以及在系泊状态下浮体进行浅水海域的工程作业，由于此时的船舶的吃水与水深相当接近，它会直接影响到浮体的阻力、总强度及运动特性。
在恶劣的作业海况下，当浅水海域遭遇突发风浪袭击时，大型工程浮体要保持其功能及作业能力，保证不碰撞海底，就必须要采取安全措施，多年的海上作业经验证实，航行的浮体与作业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，在浅水中浮体是否能够安全系泊，吃水将受到较大限制。为满足浮体的使用功能，传统的设计思路是尽量减小吃水，及加大浮体长度或浮体宽度的作法，从而形成了一般的“扁平”浮体型或“细长”浮体型。“扁平”型的浮体有效装载体积小，耐波性差，不利于工程作业；“细长”型的浮体由于总纵弯矩较大，为保证一定的强度要求，钢材耗费大，船舶造价将提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种有效装载体积大、载重量高，造价低且能够保证在浅水海域中安全系泊的浮体。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案一种浅水中安全系泊的浮体，其特征在于浮体的允许吃水由浮体系泊水域的水深和浮体底部与水底之间允许的最小间隙确定；通过浮体的允许吃水确定浮体的长、宽及型深尺度。
上述浮体底部与水底之间的最小间隙为1.1～1.3；最佳取1.1～1.25。
上述浮体的长、宽及型深尺度确定浮体的载重量，所述载重量与浮体的干舷值成反比，与排水体积成正比。
上述浮体的载重量设为DWT，由下述公式计算DWT＝L·B·T·CB·γ-WL其中DWT为浮体的排水量扣除浮体空载时的自重；
L为浮体的长度；B为浮体的宽度；T为吃水度；CB为吃水度为T时的方形系数；γ为水的密度；WL为浮体空载时的自重。
所述方形系数CB与所述浮体的长度L、宽度B与吃水度T的乘积确定所述浮体的排水体积，由下述公式计算CB＝V/(L·B·T)其中V为吃水度为T时浮体的排水体积。
所述方形系数CB为0.93～0.96；所述干舷值为D-T的差值，其中D为型深。
所述货舱容积为所述浮体的总体积减去其首尾尖舱、机舱、双层底舱及双壳货舱区的专用压载水舱容积之差设定浮体的货舱容积，所述货舱容积与浮体的长、宽、型深成正比，其关系如下所示VC∝L·B·D其中VC为货舱容积。
所述VC与所述L·B·D的比值为0.5～0.6。
本发明采用上述技术方案，浮体与海底的间距小了，仍然能够保证浮体的安全性，其主要原理如下通过浮体水深与吃水的最小比值设定浮体底部与水底之间的最小间隙，将此现象定义为“浅水效应”，通过对浮体的“浅水效应”进行理论分析和模型试验，其结果表明在浅水情况下，浮体的底部与海底的水层较少，浮体周围水流进入该层面的运动缓慢，对波浪运动引起的浮体运动起阻滞作用。所以，在极限低水位时，浮体不会发生触底。
在浮体投产后，可在海上对浮体运动响应进行实测，如果实测数据大于理论研究或船模试验结果，则只须对浮体的装载工况作适当调整，用降低浮体的吃水量的作法，而在大部分作业时间内，完全可以不作任何限制，可以保证FPSO或浮体在海上的作业安全。
FPSO本身设置为双壳体结构，对货油舱的满载起到保护作用。
本发明利用“浅水效应”理论，为安全系泊在浅水海域作业的浮体找到一个整体的优化方案，其优点如下1.可进行浅水浮体的最大吃水设计，浮体主尺度的优化设计，通过改变浮体的长度、宽度与型深，可以有效提高装载能力；采用本发明系泊方法的浮体载重量可比传统系泊方法的浮体载重量提高6～9％。
2.可对浅水海域系泊的浮体进行系统性能优化。
3.能够对工程船舶在浅水系泊作业状态下的最小水深进行预报，保证浮体有最大的载重量，同时保证其浮体作业的安全性，减少因触底碰撞对浮体造成的损坏。
4.由于“浅水效应”现象的出现，浮体的建造与使用，特别是在极限低水位时，在突发的风、浪、流环境条件的共同作用下，浮体不会发生触底碰撞。浮体的装载量与没有考虑浅水效应时浮体的装载量增加很多，经济效益将有很大提高。
本发明的浮体包括浮式储油船(FPSO)、浮式储油装置(FSO)、大型油轮、散货船、化学品船舶、干货船、驳船、起重船、铺管船、钻井船及工程作业船等多种船体。
具体实施例方式
本发明的浮体设计是在大量数模分析和水池模型试验基础上，突破了传统的设计方法，首次运用“浅水效应”理论，形成了一套“浅水效应”概念的优化设计方法，其应用的环境条件一般为渤海浅水海域，相当于一分钟风速40米/秒、波高5.5米，流速4节环境条件以下的浅水海域。
本发明所述浅水中安全系泊的浮体，是由浮体系泊的海域确定其浮体的吃水，通过浮体所承受的最大吃水度确定其浮体的结构及主尺度；其特征在于浮体的允许吃水由浮体系泊水域的水深和浮体底部与水底之间允许的最小间隙确定；通过浮体的允许吃水确定浮体的长、宽及型深尺度。
所述浮体底部与水底之间的最小间隙为1.1～1.3；最佳取为1.1～1.25。
所述浮体的长、宽及型深尺度确定浮体的载重量，所述载重量与浮体的干舷值成反比，与货舱容积成正比，与浮体的排水体积成正比。
所述载重量设为DWT，所述DWT为船舶的排水量扣除空船重量，由下述公式计算DWT＝L·B·T·CB·γ-WL其中式中CB为吃水T时的方形系数，γ为水的密度，海水一般取为1.025t/m3；WL为空船重量。
所述CB的计算由下述公式进行CB＝V/(L·B·T)，V为吃水T时船舶的排水体积；上述浮体方形系数(CB)可达到0.93～0.96。
上述浮体的主尺度，由船长(L)、船宽(B)、型深(D)和吃水(T)决定。
所述货舱容积VC等于船舶的总体积，扣除首尾尖舱、机舱、双层底舱及货舱区的专用压载水舱容积(双壳内)。所以货舱容积VC一般有下述关系VC∝L·B·D所述浮体的主尺度，由浮体的长度、宽度及型深确定；所述型深与所述吃水度之差，确定所述浮体干舷值；依据上述思路，浮体可达到最佳设计，使其载重量增加，浮体底部与水底之间距离缩短至极限值，仍能保证其浮体的安全系泊效果。
表1给出了几种典型油船的货舱容积与浮体主尺度VC/L·B·D的比值
具体操作如下一)浮体主尺度的优化设计方法载重量的增加，用WH表示确定浮体的造价主要包括全船机器与设备的价格和船体钢料(包括加工费，油漆)的价格。浮体的造价决定了项目的初投资。而折旧率和保险费率等，也是一个重要的经济指标参数。
浮体主尺度优化设计时，机器、设备在一定范围内的价格基本不变，所以，一般只考虑主尺度对船体钢料的影响。
船体构件尺寸(诸如船壳板、甲板、纵横舱壁、内底板等板材的面积，以及纵骨、肋骨、扶强材等型材的长度)主要与L、B、D有关。而上述构件的厚度及型材的规格则根据船级社规范的要求来决定。大致有如下关系(1)船壳板(除船首及船尾外)及其纵骨、肋骨等构件尺寸主要取决于a.局部强度，主要是承受的水压力——与吃水T有关；b.总纵强度，主要是承受的总纵弯矩和剪力——与船长L、船宽B、型深D及船舶的装载情况有关。
并取a、b两个要求中大者。根据大型船舶的设计经验，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满足总纵强度的要求。
(2)纵、横舱壁，内底板及其骨材的尺寸按它们所承受的海水或液货压力进行设计，该压力值与型深D有关。
船体钢料的重量WH有如下的关系WH∝Lα1Bα2Dα3Tα4a.对于油船，压载状态的总纵弯矩最大，油船船体钢料重量公式中的指数一般如下α1＝1.83，α2＝0.75， α3＝0.50，α4＝0从α1至α4的数值来看，α1的数值最大，即船长L对WH的影响最大；因α4＝0，所以吃水T对WH的影响几乎无关。
b.对于FPSO，满载状态的总纵弯矩最大，所以FPSO船体钢料重量公式中的指数与油船略有不同，其关系如下α1=1.83， α2＝0.75， α3＝0.50，α4＝0.16从α1至α4的数值来看，α1的数值最大，α4的数值最小，说明吃水T对WH值影响较小。
(3)货舱容积的变化确定浮体的载重量及吃水度；所述吃水度由浮体与海底之间的最小间隙确定，设定浮体与海底之间的最小间隙为λ值，λ值的确定步骤如下1)测定浮体的空载重量；2)测量系泊浅水的水深；由水深与吃水之比，即λ值设定小于或等于1.3；二)受浅水效应的船舶主尺度的优化设计方法(1)吃水的优化设计浮体增加吃水，浮体的载重量显著地增加，而对浮体钢料重量的增加几乎没有影响，不增加成本或仅增加少量成本时可显著地提高经济收益。事实上，由于FPSO长期处于零航速系泊状态下，可以不考虑吃水对船体钢料重量的影响。在浅海中的FPSO，由于其吃水受工作海域的水深限制，在相同水深条件下，利用“浅水效应”的现象，增加FPSO吃水，尽可能地加大货舱容积VC，以提高其经济效益。
表2列出了工作水深相同为25.75m的FPSO的两个设计方案。
由表2可知，方案1的水深/吃水比为1.275，没有考虑“浅水效应”。方案2在考虑了“浅水效应”后，增加了FPSO的吃水，水深/吃水比为1.198，使FPSO在相同的空船重量WL下(即造价基本一样)，方案2的载重量比方案1多装19000t货物。对于吃水的另一个限制条件是它必须满足船级社规范要求的最小干舷要求，船舶的干舷是体现船舶贮备浮力的一个参数，它等于型深减去吃水(D-T)。
根据IMO规定，FPSO和常规油船一样，必须设置专用压载舱。对于有双壳体的船，VC/L·B·D的比值一般在0.5～0.6范围。为了获得与DWT相适应的Vc值，(型深D-d)的差值一般比规范要求的值大。所以在一定范围内，适当增加吃水不会影响型深D的取值。如果吃水增加较多，则为获得与DWT相适应的VC值将必须要增加型深D。
(2)型深的优化设计型深的选择主要与两个要求有关，既与载重量相适应的货舱容积要求和干舷要求。通常增加型深固然会增加船体重量，但由于它增加了甲板和船底离中和轴的距离，若保持横剖面的剖面模数不变，则可适当减小甲板和船底钢板和骨材的尺寸，因此，增加型深使船体稍有增加，但又被船体构件减薄而抵消。所以讲，型深变化对船体钢料重量的影响不大。
在许多情况下，型深的取值往往略大于货舱容积所需值，其目的是使货舱容积有一定的裕度，以应付设计中一些不可预见的因素。
众所周知，对于一些稳性较差的船舶，型深的选择还必须考虑满足稳性要求，而且应留有足够的稳性裕度。
(3)船长的优化设计船长是最大船体钢料重量的影响参数。在吃水受限制的情况下，船舶为了获得足够的载重量DWT和货舱容积Vc值，船长往往不可能缩短。但考虑“浅水效应”后，就可以增加船宽、缩短船长以减小船体钢料重量。
依据上述原则，并考虑“浅水效应”后，针对表2中的FPSO，提出了如表3所示的第3个方案。
表3考虑“浅水效应”前后的FPSO设计方案对比
以30万吨FPSO的设计为例，在方案3中的FPSO则考虑了“浅水效应”，水深/吃水比为1.16。由表3可知方案3的船长比方案2缩短了20m；船宽从58.0m增加到65.0m。船体钢料重量则减少了约3400t，按钢料每吨人民币7000元计，可节约初投资约2000余万元。而载重量增加了26000多吨，载重量比方案2增加了很多，货舱容积也增加了近19000m3。方案3的FPSO的主尺度在降低船体钢料、增加载重量和货舱容积方面，比方案2优越很多，因此方案3的经济效益显然优于方案2。
(4)船宽的优化设计在FPSO的吃水和船长选定的基础下，船宽的选择主要考虑能获得足够的载重量。由于船宽的优化设计中，还须考虑船舶营运水域的限制条件和船体结构的横向强度，与船长L影响总纵强度一样，横向强度与船宽B密切相关，所以，在FPSO的主尺度优化设计时，必须避免采用过大的船宽值，以确保船体的横向强度。
综上所述，本发明的突破在于提出了“浅水效应”。对于浅水中使用的FPSO或船舶，充分利用“浅水效应”现象，设计出最佳的船舶主尺度，使得FPSO或其它浮体有显著的经济效益，而且有效保证浮体的作业安全性。
权利要求
1.一种浅水中安全系泊的浮体，其特征在于浮体的允许吃水由浮体系泊水域的水深、浮体底部与水底之间允许的最小间隙确定；通过浮体的允许吃水确定浮体的长、宽及型深主尺度。
2.根据权利要求1所述的浮体，其特征在于所述浮体底部与水底之间的最小间隙为1.1～1.3。
3.根据权利要求2所述的浮体，其特征在于所述浮体底部与水深之间的最小间隙为1.1～1.25。
4.根据权利要求1或2或3所述的浮体，其特征在于所述浮体的长、宽及型深尺度确定浮体的载重量，所述载重量与浮体的干舷值成反比，与排水体积成正比。
5.根据权利要求4所述的浮体，其特征在于所述浮体的载重量设为DWT，由下述公式计算DWT＝L·B·T·CB·γ-WL其中DWT为浮体的排水量扣除浮体空载时的自重；L为浮体的长度；B为浮体的宽度；T为浮体的吃水；CB为吃水为T时的方形系数；γ为水的密度；WL为浮体空载时的自重。
6.根据权利要求5所述的浮体，其特征在于所述方形系数CB与所述浮体的长度L、宽度B与吃水T的乘积确定所述浮体的排水体积，由下述公式计算CB＝V/(L·B·T)其中V为吃水度为T时浮体的排水体积。
7.根据权利要求6所述的浮体，其特征在于所述方形系数CB为0.93～0.96。
8.根据权利要求4所述的浮体，其特征在于所述干舷值为D-T的差值；其中D为浮体型深。
9.根据权利要求1或4所述的浮体，其特征在于所述货舱容积由所述浮体总体积减去其首尾尖舱、机舱、双层底舱及双壳货舱区的专用压载水舱容积，所述货舱容积与所述浮体的长、宽、型深的关系如下式表述VC∝L·B·D其中VC为货舱容积。
10.根据权利要求7所述的浮体，其特征在于所述VC与所述L·B·D的比值为0.5～0.6。
全文摘要
本发明公开了一种浅水中安全系泊的浮体，其目的是提供一种有效装载体积大、载重量高且能在浅水中安全系泊且作业的浮体。其特点在于浮体的允许吃水由浮体系泊水域的水深、浮体底部与浅水水底之间允许的最小间隙确定；通过浮体的允许吃水确定浮体的长、宽及型深主尺度。本发明利用“浅水效应”理论，在同一浅水水域作业时，可有效增加浮体装载量，加大其吃水度，使浮体沉降至与海底之间间隔的极限值，即可保证浮体装载量的提高，又保证其浮体不会发生触底碰撞。
文档编号B63B9/00GK1600636SQ03134678
公开日2005年3月30日 申请日期2003年9月25日 优先权日2003年9月25日
发明者曾恒一, 范模, 杨葆和, 杨建民, 刘德福 申请人:中海石油研究中心, 中国海洋石油总公司