大型回转起重船技术特点与发展研究

钟文军，刘菊娥，王 琮，罗 超，毛建辉，周 健

（1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2. 708研究所，上海 200011）

0 引 言

进入 21世纪以来，由于对能源需求日益增加，世界各国都不约而同地把海洋作为能源战略的重点，海洋石油及天然气产量占全球油气产量的份额越来越高。同时人类也加大了对风能、潮汐能等海洋新能源的开发利用。为此不少国家纷纷加大了对海洋开发的力度，海洋工程建设方兴未艾。大型起重船作为海洋工程建设中一支重要的建设力量，随着海洋工程的飞速发展开拓了广阔的前景。

1 起重船发展概况

在欧洲，早期专门用于码头作业的起重船在14世纪就已经出现了。到了20世纪，起重船开始向大型化发展。1997年，大型起重船的起重能力已达到2×7100t。

本世纪以来，我国和东南亚地区海上工程建设不断增多，如南海、东海的油气开发，海上风电场的建设，跨海大桥、人工岛建设，以及一些大型打捞工程，都需要起重能力强的大型起重船，因而建造大型起重船兴起了一个小高潮。大型回转起重船简称为起重船（Crane Vessel或Crane Ship）。常用两类船型，即单船体单起重机式的 MHCV（Mono Hull Crane Vessel）和半潜平台船体双起重机式的 SSCV（Semi-Submersible Crane Vessel）。有别于在内河、港湾作业的另一种用途较广的扒杆式起重驳船 SLB（Sheer Legs Barge）及自升式起重平台[1]等。2001年中海油工程公司投资建造了“蓝疆”号起重铺管船，起重能力为3800t。最近又投资建造了3000m深水起重铺管船“海洋石油201”，起重能力为4000t，2011年交船。2006年，广州打捞局投资建造的4000t起重船“华天龙”号投入使用。另外，Seaway Heavy Lifting公司投资建造的起重能力为 5000t的新一代起重船，已于 2010年交船。NordicHeavyLift公司投资建造“Borealis”，采用桅式起重机，最大起重能力为5000t，2011年交船。表1列出了部分现役、在建的大型起重船的起重能力。表2为其主要参数。

表1 大型起重船的起重性能

表2 大型起重船主要参数

2 应用范围

大型起重船的强大功能体现在很多方面，如海上结构物拆除、打捞救助等，更多的则用于海洋工程特别是海洋油气开发装备建设工程作业领域。

2.1 起重作业

在海洋油气装备的建设中，需要大型起重船吊装的主要是固定式导管架、“半”固定式（如Spar、TLP）采油平台的上部结构（Topside）。由于浮式起重船在海上进行起吊作业的时间几率即所谓“好窗口”（fair window）很低，因而希望尽可能减少吊装次数，采取的措施就是将Topside高度模块化，使单次吊重量越来越大，几千吨的模块已很常见，甚至有上万吨的模块。这就是起重船大型化的市场需求反映。图1为2艘SSCV在Spar平台上安装现场：右边为世界上最大的起重船Thialf SSCV，吊重能力2×7100t；中间是世界上最大的Spar平台Holstein；左边是Balder SSCV，吊重能力3628t/4536t。Holtstein平台需吊装的处理设备模块重达8370t，生活/动力模块重5324t，模块支撑结架重4421t。另据报道，Thialf SSCV最大吊重纪录是12150t，而S7000 SSCV的记录是9521t。

图1 SSCV吊装现场

图2 “Balder”SSCV进行铺管作业（J-lay）

2.2 铺管作业

大型起重船具有甲板面积大、承载能力强以及良好的抗风浪能力和一定的定位能力等特点。因此大型起重船都设有或预留J-lay铺管系统或S-lay铺管系统，可承担海底（浅水或深水）油气管线的敷设任务，见图2。

2.3 打捞作业

大型起重船具有强大的深水起重能力，如“Saipem 7000”水下450m处的起重能力为900t，可用于海底打捞作业。2007年，“华天龙”在半潜船“重任1601”号的配合下，将装有“南海一号”的总重4600t钢箱整体打捞出海，见图3，为我国的考古事业做出了贡献。起重打捞海损核潜艇“库尔斯克”号的作业，不是用常规起重船，而是用专门改装的驳船来实施的，见图4。库艇的排水量约20000t，驳船“GIANT4”号装了26台起升机构（带波浪补偿），从船体中放绳起吊，每台起重能力900t，总起重能力超过20000t。

2.4 打桩作业

由于大型起重船具有宽敞的甲板面积，良好的抗风浪性能，较强的抗水流和适应各种泥面驻位的能力，并配置高精度的GPS定位系统等，因此在配备专用的打桩设备后，就可用于沿海及港内水域大型桥梁及高桩码头等水工工程桩基施工作业，成为施工能力强、作业效率高的打桩船。

2.5 平台施工住舱支持

大型起重船定员很多，一般达300-400人，最多700多人。由于主尺度大，有可供备用住舱布置的空间，船上淡水、食品储存量也有增大的可能。因而可以设计(或改装)成有住舱支持的能力。除了满足船员居住需要外，还可提供住舱支持，满足其他大量施工人员居住生活的需要。

图3 “华天龙”号正在起吊宋代古船“南海一号”（钢箱内）

图4 库尔库斯号核潜艇起重打捞示意图

3 主要技术特征[2,3]

3.1 船型

大型起重船主要有单体式和半潜平台式2种船型。

1)单体式起重船最初采用驳船船型，后来发展为简单型线船型。其主要特点是：方形系数大（Cb=0.9左右），平行中体长，中剖面系数大。起重作业时，要求有足够的稳性，因此一般水线面面积都较大。

2)半潜平台式起重船主要由2个下浮体、多个立柱和上平台组成。下浮体提供拖航和作业时所需的浮力；立柱主要用于连接浮箱和上平台，其截面一般为圆形或矩形。作业时，下浮箱和部分立柱沉入水中，水线位于立柱截面，这样可大大减小水线面面积及波浪和水流作用在平台上的载荷，而其较大的水线面惯性矩又提供了平台作业时所需的稳性。上平台是存放设备和人员居住工作的主要场所。半潜平台式与单体式船型相比，有起重能力强、适应水深广、抗风浪能力强、甲板面积和甲板装载量大的优点。

3.2 主尺度

1)船长。大型起重船一般都需考虑铺管作业线的布置，其船长往往由铺管形式（单节管或双节管）等确定，通常船长150～200m。

2)船宽。由于起重作业时的高稳性要求，因此一般大型起重船的船宽都比较大。单体式起重船的船宽与相近船长的半潜平台式起重船相比要小得多，因为单体式起重船的起重能力，除个别实例外，均在5000t以下。初步统计，起重能力 2000～3000t，船宽主要集中在 35～40m；起重能力 3000～5000t，船宽主要集中在45～50m。

3)总吨位。由于大型起重船配备锚泊定位或/和动力定位、各种特种作业设备（包括大型起重机、整套铺管作业设备等）、复杂的压载系统等，因此总吨位都较大。目前大型起重船的（起重量3000～14000t）总吨位为 20000～40000gt。

3.3 总布置

大型起重船（包括单体式、半潜平台式）主甲板首部一般设有甲板室，主要布置船员以及施工人员的生活居住舱室和部分工作舱室。甲板室一般有6～8层，最上层是驾驶（操纵）室。甲板室顶部一般设直升机起降甲板，为接送人员往来提供便利。

单体式起重船一般在主甲板尾部中心线处设一台全回转起重机，半潜平台式起重船一般在主甲板尾部两侧设2台全回转起重机。与单体式起重船相比，半潜平台式起重船的2台起重机联合作业，可大大增强起重能力，目前最大起重量达14200t。甲板有2000～6000m2，且承载力强，一般10～20t/m2，主要用于放置各种作业设备、海底管线、大型钻井生产模块等，为海上施工提供良好的作业平台。

3.4 机动能力

上世纪 60年代，由于海上石油开发的技术刚刚兴起，勘探开发成本比较高，海上油田主要集中在北海、墨西哥湾等地区。为海洋工程建设服务的大型起重船作业范围也主要集中在这些地区，采用非自航形式，或航速较低（6 kn左右），主要满足短距离航行的要求。近年来，随着海洋工程的发展，施工作业范围越来越广，因此设计航速有不断提高的趋势。

3.5 定位方式

在20世纪70、80年代，大型起重船的作业范围主要集中在大陆架及浅水水域，一般水深较小（水深＜150m），主要采用8～12点的锚泊定位方式。随着深海的开发，大型起重船的作业水深不断增加，以前的锚泊定位方式已不能满足要求。动力定位系统利用DGPS等测位设施，对风浪流造成的船舶位移进行判定，自动产生抗力，定位精度误差可达到0.5m，而这一切都由电脑控制自动完成。一些大型起重船纷纷进行改装，增加动力定位系统，以适应深水作业的需要。

3.6 动力配置

由于起重船航行时不作业，作业时不航行的特点，因此推进方式一般都采用全电力驱动的方式，以提高装船动力装置的利用率。为兼顾动力定位的需要，推进器一般采用全回转推进器（包括伸缩式和不可伸缩式）。

虽然大型起重船航速不高，但用电设备众多，如大型全回转起重机、主要作业设备（铺管系统等）、动力定位系统（或锚泊定位系统）、日常生活设施等都需要电力驱动，作业时其能量消耗十分巨大，为此大型起重船的电站配置都很大。一般非动力定位起重船电站功率3000～15000kW，而具有动力定位的起重船电站功率达10000～30000kW。

3.7 压载系统

起重船在起吊作业时，起吊重物重量大、重心高、跨距远，整个系统的重量分布是变化的，重心的位置会发生偏移，因此起吊前后船舶会产生明显的纵倾或横倾，如果不进行调载就不能满足起重机作业的要求。大型起重船一般采用压载水进行预压载和动态调载的方法来平衡重吊过程中的船舶浮态。现代起重船都采用电气遥测、遥控的压载水系统，能在较短的时间内精准地调整船的浮态，船上一般设有多个压载水舱，总压载水舱容15000～80000m3。压载泵的排量也很大。

4 国内应用

4.1 国外引进设计的“蓝疆”号

2000年中国海油工程有限公司投资建造的大型起重铺管船“蓝疆”号，是一艘非自航、无限航区作业的大型工程船，由烟台莱福士船厂建造。该船总长157.5m，型宽48m，型深12.5m，满载排水量58000t，可在150m水深实施起重作业和铺管作业。该船主甲板尾部装有1台起重能力为3800t的近海起重机。船上设铺管系统，最大铺设管径达1220mm。船上生活区设施可满足280人居住的需要。

4.2 自行设计建造的“华天龙”号

“华天龙”号是集打捞、起重于一身的大型海洋工程船，见图5。总长174.8m，型宽48m，型深16.5m，满载排水量约80000t。工作甲板长130m，宽48m，甲板面积6240m2，船上可同时容纳300人生活和工作，自持力60天。船尾的近海起重机最大起重能力4000t，其109m长的臂架直耸入云。“华天龙”可在水深8～300m海域进行海上打捞、起重作业。在现有单体式起重船中，其起重能力名列前茅，大大拓展了我国海洋工程和救助打捞作业领域。

4.3 3000t自航起重船“威力”号

上海打捞局投资建造的3000t自航打捞起重船，一改以往起重船远距离调遣依靠拖轮的状况，不但有自航能力，而且具备动力定位功能（DP2）。该船总长约135m，型宽40m、型深12.8m，配有直升机起降平台，可满足无限航区航行的要求，见图6。由于采用了动力定位的控制系统，能将船舶固定在指定位置，因此可在水底管线复杂、不适宜锚定位的港内或航道内进行快速打捞清障作业。此外，还可在深水海域进行重吊作业，为深海海洋开发提供服务。

图5 大型海上起重船“华天龙”

图6 动力定位自航起重船“威力”

4.4 “海洋石油201”号深水铺管起重船[4]

“海洋石油201”号是海油工程有限公司投资建造的深水铺管起重船，见图7。于2008年9月在江苏熔盛重工开工建造，2011年交付使用。该船是中海油第一艘从事深水铺管、起重作业的工程船舶。能在除北极外的全球无限航区作业，建成后将填补我国大型深水海洋工程作业船舶的空白。该船总长204.6m，型宽39.2m，最大作业水深可达3000m，铺管速度5km/d，海上最大起重能力4000t。该船采用全电力推进、DP-3动力定位、4000t重型海洋工程起重机、自动铺管作业线等一系列国际先进的技术和装备，总体技术水平和作业能力在国际同类工程船舶中位于前列。

图7 “海洋石油201”号深水铺管起重船效果图

5 发展趋势[5]

5.1 大型化

随着海洋开发技术的不断发展，模块化、大型化成为海洋工程建设的主要特点。一般大型生产模块重量从2000～3000t不断增大到10000～12000t。使得起重船不断向大型化方向发展，并具有起重能力大，吊高大的特点。

5.2 作业范围不断加大

近几年，由于陆上石油资源日趋减少，常规水深海域的石油勘探开发已相当成熟。因此，深水石油勘探和开发不断升温，全球各大石油公司都纷纷加大对深水石油勘探开发的力度。北海、墨西哥湾、巴西、南海、西非等海域纷纷成为相关各国的开发重点。这些海域要求海洋工程作业船具有作业水深大（作业水深 2000～3000m），抗风浪能力强，适应恶劣海况等特点。同时，随着人们对极地资源利用意识的增强，大型起重船必然要走向地球的南北极，为开发两极作贡献。

5.3 提高航速

在海洋石油开发初期，一般航速不高（平均6～8kn左右）或者是非自航。随着新油田的发现，海上油田呈现出分布广的特点，因此要求大型起重船具有较高的航速（一般要求12kn左右），这样可以缩短航行时间，提高远距离作业的盈利能力。

5.4 良好的水动力性能以及抗风暴能力

随着海上开发逐渐向深海发展，海上环境更趋恶劣，同时海上施工技术要求越来越高，时间要求紧。为了提高大型起重船作业的安全性以及全年作业率，增强其盈利能力，未来大型起重船要求有良好的水动力性能以及抗风暴能力。

5.5 安全、环保、节能

由于大型起重船排水量大（最大排水量可达到几十万吨），动力定位以及作业设备所需功率大，因此整船装机功率也大（可达15000～30000kW），加上船上人员众多（一般200～400人），使整艘起重船俨然成为一个不小的人居区。国际海事组织对该型船的安全、环保提出了更加严格的要求。对未来起重船要求进一步提高安全性，更加关注节能和环保。

6 结 语

大型起重船最早出现于上世纪 70年代，目前进入了新的发展时期。虽然起重船外形大且粗笨，但是它却集中了众多尖端科技，使其成为名副其实的高科技钢铁巨兽。 它造价昂贵，数量稀少，成为工程船家族中颇具特色的一员。

随着我国海洋油气勘探开发向东海、南海等深海海域进军，迫切需要开发作业水深大、起重能力强的大型起重船，为我国海洋石油勘探开发提供新型、经济、实用的海洋工程装备。

[1]刘振辉，谭卫卫，谭家华.超大型海洋工程起重系统发展现状[J]. 中国海洋平台，2006, (2).

[2]中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册[M]. 北京：国防工业出版社，1998.

[3]ABS. Rules for Building and Classing - Mobile Offshore Drilling Units (2008)[S], American Bureau of Shipping, 2009.

[4]www.GustoMSC.com[EB/OL].

[5]Alain Wassink. Next generation crane vessel. deep offshore technology.