半潜船的前世今生

半潜船的前世今生

中国引航协会  陆悦铭

 半潜船是一种专门从事运输超大型设备的特种船舶,也称半潜运输船、半潜式母船,英文名是Semi-submersible ship,它可以通过自身注入压载水,把装货甲板潜入水中,以便将所要承运的超大型货物(像大型海上石油钻井平台、驳船、舰船等超长超重又无法分割的货物)“浮进”半潜船的装货甲板上,排出压载水后半潜船上浮固定货物,然后将货物运到指定目的地。到达目的地后半潜船,再次把装货甲板潜入水中,所承运的货物“浮出”半潜船的装货甲板,完成对货物的卸货和海上运输。

半潜船装货示意图

去年十二月底,我国制造的最大半潜船“新光华”轮抵达天津港,在锚地装载了5000吨驳船运往阿联酋。“新光华”轮能承载10万吨级的重件,为世界上第二大半潜船,是十二月初在广州南沙命名交付后的首航作业。就造船业而言,“新光华”轮是我国最大、最先进的半潜船,因此其首航和装载作业备受各方面的关注。

世界第二大半潜船“新光华”轮

“新光华”轮总长255米、型宽68米,下潜吃水可达30.5米,载重量为98000吨,船速14.5节;装货甲板长210米、宽68米,甲板面积达13500米2(等同于两个标准足球场大小)。“新光华”轮有一百余个压载舱,每个压载舱都有阀门直接通向海底,装货时只要通过相关的控制系统打开相应压载舱的海底阀门,不到6小时就能下潜至30.5米的最大吃水。接着将所需装载的货物移至装货甲板上方,然后通过船上的4台大型空压机往相应的压载舱中注入空气,压载舱内的压载水就会排出船外,半潜船实现上浮,货物固定后即装货完毕。卸货则相反。

一、船舶的货物装卸

自从有了船舶,就有了货物装卸。开始时是通过人工手抱肩挑等方式将货物装上船或卸下船。随着货物重量不断增加,靠一个人的力量已不能完成货物装卸时,就用几个人一起挑,将货物装上船或卸下船。遇到更重的货物时,只能将其拆开装上船和卸下船。

有人是手抱货物也有人是肩挑货物上船

几个装卸工一起抬货物搬上船或卸下船

十八世纪的工业革命后,船舶的货物运输迅速增加。为了提高货物的装卸效率,开始在岸上的码头和船上安装起重设备,大件货物的装卸船问题也同时得到了解决。但还是会遇到超过起重设备能力范围的货物装船和卸船问题,于是装有大型起重设备的浮吊船和浮吊驳船出现了,越做越大的起重设备也出现在岸上和船上。

起重设备的使用,提高了货物的装卸效率

上世纪50年代,西德的DDG HANSA 公司预计市场对整体运输牵引机车(火车头)等的需求,建造了世界上第一艘大件货物运输船“LICHTENFELS”轮。该船的载重量只有10500吨,但在船上安装了120吨重的起重设备,该起重设备安装上船在当时是非常大的,DDG HANSA公司也因此成为世界上第一家能够承运大件货物运输的船公司。

大件运输船“LICHTENFELS”轮

二、半潜船的前世

尽管后来的起重设备和浮吊船造得更大,但是出现的一系列重吊船和大型浮吊船仍然无法满足运输市场的需要,特别是当一些用户需要把超大尺度或超重的货物整体从一地运往另一地时,重吊船和大型浮吊船都无能为力。对于部分具有自浮能力货物,如石油钻井平台、疏浚船和相关的设备、浮船坞、驳船、舰船等,它们的跨洋运输可采用直接拖曳(即采用拖船拖带)的方式完成,通常称之为湿拖(wet towing)。但是,跨洋运输采用湿拖方式的缺点是风险大、运输时间长、易发生海损事故等。对于不具有自浮能力的货物,如龙门吊、集装箱吊、大型桥梁的钢架构件、发电设备、核反应堆、大型塔架、大型船舶主机、军事装备等特大件货物的运输,拖船公司认识到如果将这些笨重的特大件货物放在驳船上进行拖带运输,会比湿拖更安全和快捷,这就是俗称的干拖(dry towing),特别适合于结构弱、阻力大、稳性差、抗风能力低等特点的货物,这种运输方式在二十世纪60年代得以实现并发展。

湿拖——用拖船直接拖带有自浮能力的货物

干拖——用货物装在驳船上再拖带的方式

二十世纪70 年代初,随着越来越多超大尺度或超重货物的出现,这些货物的装卸变得越来越困难。由于干拖具有较多的优越性,于是工程师们开始设计专门的可下潜的驳船,一种方式是通过压载水的输入和排出实现驳船的下潜与上浮,使其装货甲板紧靠在码头上并与码头平齐,货物通过专门的轨道滑移上船;运输到目的地之后,货物同样通过专门的轨道滑移到码头上。另外一种方式是驳船输入压载水,把装货甲板潜入水中,以便将所要承运的特定货物“浮进”驳船的装货甲板上,驳船上浮后固定特定货物完成货物的装载,然后采用拖船拖带的方式将装载了特定货物的驳船拖航到目的地后,驳船通过输入压载水使装货甲板潜入水中,所运输的特定货物依靠自身浮力漂浮,拖船将“漂浮”的特定货物拖离驳船的装货甲板后至指定位置,最终完成货物的运输。这样的驳船称半潜驳船。

尽管利用半潜驳船的方式运输不具有自浮能力的货物或具有自浮能力的货物相比直接拖带航速更快、更安全,但仍然受到气候及海况条件的严重限制,拖航作业水域只能限于在近海、沿海、港口水域及内河,若遇上恶劣天气还是比较危险;另外,拖航速度还是不能满足用户的需求,于是具有自航能力的半潜船便应运而生。

三、半潜船的今生

半潜船是在上述类似的半潜驳船上安装动力推进系统,使其具有自航能力。半潜船的货物装船程序和卸船程序与半潜驳船一样。由于半潜船的操纵更加灵活、装卸货物更加方便,装卸货物的能力更加强大,在业内还有“海上叉车”的称谓。为了满足不同货物的装卸需求,半潜船的船型也在发生着变化,从早期的只能在半潜船的左右舷移进移出货物发展为后来的既可以在左右舷移进移出货物,又可以在船尾平移装卸货物;现在新造的船还可在船首平移装卸货物。现代半潜船除了具有自航能力外,还具有燃油舱大、续航时间长、抗风浪能力和航行水域等大于湿拖或干拖,航速更快带来的是运输周期更短,在远洋及近海的重大件货物运输中能够给船货双方带来更大的经济利益,因此发展迅速。

货物(军舰)只能在半潜船的左或右移进移出

货物能在半潜船的左右和船尾移进移出

货物可在半潜船的左右和船首尾移进移出

现代大型半潜船以1979年制造的“SUPER SERVANT 1”轮为标志。该半潜船由日本住友重工为欧洲的WIJSMULLER公司建造,总长139.91米、船宽32.31米,吃水8.51米,载重量14310吨,最大下潜吃水可达15米。

世界上第一艘自航式半潜船“SUPER SERVANT 1”轮

因为半潜船所需装载货物的特殊性,使得半潜船相比一般运输船在船型上有其独特之处,船宽比相对小一些,可提供大面积装货甲板的特定要求;考虑到吃水的限制、良好的船舶回转性能和更高的船位精度,半潜船通常都采用双推进器和双船首侧推的动力装置,还有配备动力定位的要求;半潜船主要通过输入和压缩空气系统排出压载水,从而控制船舶的下潜和上浮,用于装卸相应的货物,因此管系较一般船舶复杂,压缩空气系统功率强大;由于所运大件货物的多样性,每次营运前还应对半潜船进行适当的改造,包括配备专门的固定、绑扎设备;装货甲板的强度大于一般运输船舶等。
根据半潜船的承载能力,一般分为以下五类:

O型:载重量大于8万吨。现今世界只有两艘,即“新光华”轮和“DOCKWISE VANGUARD”轮。“DOCKWISE VANGUARD”轮总长275米、型宽70米、型深15.5米,载重量11.7万吨,船速14节。该船的造价约2.4亿美元,系目前全球最大半潜船,可运输浮式生产储油卸油装置(FPSO)等大型海洋设备。由于该船的上层建筑采用类似航空母舰的驾驶台设计,具有全通甲板、无艏艉楼的结构布置,左舷3个浮箱和右舷1个浮箱又可以移动等,因此可以运输超过半潜船长度和宽度的货物。为了揽接更大尺寸的货物运输,进一步提高市场竞争力,道克维斯航运公司在五个月前还是对下水只有三年多的“DOCKWISE VANGUARD”轮进行了加宽改装,大连中远船务工程有限公司承接了这项繁杂的加宽、管系改装和涂装等工程,用了近4000吨钢结构的新制和吊装。改装后,该轮宽度增加到86米,甲板面积增大到18900米2。

等待装货的“DOCKWISE VANGUARD”轮

“DOCKWISE VANGUARD”轮装了一艘长245米、重约60000吨的FPSO从鹿特丹成功运至印尼

“DOCKWISE VANGUARD”轮装了超过船宽的货物

Ⅰ型:载重量5万~7.5万吨。这类型船通常船宽50~63米,船长190~225米。1999年台湾高雄船厂为道克维斯航运公司建造了“BLACK MARLIN”轮,该船总长217.8米、船宽42.0米,型深13.3米、吃水10.11米,最大下潜吃水23.33米,甲板面积178.2×42米2,载重量5.7万吨,船速13节。2000年建造的“BLUE MARLIN”轮是“BLACK MARLIN”轮的姐妹船,后来经过韩国现代重工尾浦造船厂为期3个月的改造,甲板面积达 178.2×63.0米2,载重量升至 7.6万吨,成为当时世界上最大的半潜船。

系泊中的“BLACK MARLIN”轮。比较下图的“BLUE MARLIN”轮,可看到加宽的甲板

“BLUE MARLIN”轮装载大型石油钻井平台在航行中

我国的“祥云口”“祥瑞口”“光华口”轮等也属于此型半潜船,他们的总长216.7米、船宽43米,型深13米,装货甲板长178米、宽43米,甲板面积超过1个标准足球场的面积,载重量5万吨。

“祥云口”轮装货前

“祥云口”轮在甲板上放置墩木

“祥云口”轮下潜

“希望7号”平台移入“祥云口”轮甲板上方后上浮(平台主体直径60米、底部直径74.3米,吃水7.5米,重量约22615吨)

Ⅱ型:载重量3万~5万吨。我国拥有量比较多,如“夏之远6”轮,该船长195.2米、宽41.5米,载重量3.8万吨,最大下潜深度23米。曾经两次在意大利装载过巴拿马运河扩建工程的新船闸,横跨欧洲、地中海和大西洋,经过近六千多海里的航行后运抵巴拿马。在第二航次运输的4扇闸门中,有2扇闸门主体长度58.465米、高度为32.65米、宽度10米,各重达4232吨。另外还有“振华22”轮、“振华28”轮等,不过部分是旧船改造而来的,成本较低。

“夏之远6”轮装载的新巴拿马运河船闸

:载重量1万~3万吨。我国拥有量也比较多,如2002年我国建成的第一艘半潜船“泰安口”轮,该船长156米、宽32.26米,型深10米、吃水7.50米,船速14节,总载重量17550吨。2004年,投入营运一年多的“泰安口”轮还进行了技术改造,船宽由32.2米增加到36米,载重量由1.8万吨增加到20620吨。

“泰安口”轮装载超大型深海石油开采设备前往美国,该设备最大宽98米、高度38米

Ⅳ型:载重小于1万吨的半潜船。该类型船比较多,不再赘述。

四、半潜船的未来

目前,载重量大、功能强的半潜船的建造技术基本上由道克维斯航运公司掌握,但我国造船业发展较快,已经成为半潜船建造市场中非常有力的竞争者。随着2010年后半潜船“华海龙”轮和“海洋石油278”轮等的成功建成,国内中国船舶工业集团公司第七〇八研究所、上海船舶设计研究院等相关船舶设计单位已经掌握核心技术,具有半潜船设计能力,我国迈进了先进半潜船设计的国家行列。现在,我国已经掌握5万吨级以上高端半潜船的设计、制造技术,先后有30余艘半潜船、半潜驳船建造或改造完成,其中高端半潜船有十余艘。因此在制造领域,我国已经成为世界上最大的半潜船制造国家。在运输领域,道克维斯航运公司约占50%的份额,我国已经成为世界上第二大半潜船运输国家。随着我国造船业、制造业的发展,部分高技术和高附加值船舶的分段、大型钢结构、港口吊机甚至石油平台的主要构件等越来越多地在我国制造,这必将为半潜船提供工作舞台。半潜船还可在军事用途发挥重要作用,如在战场上抢修或运回受损伤的舰船、潜艇,远距离投放登陆部队等。目前,西方军事强国都有一定数量的军用半潜船或征用民用半潜船作为登陆部队的基地,远距离运送中小型登陆舰和军事装备,实现安全、快速登陆的目的。另外,随着我国海洋能源的开发、航道疏浚、大型机电设备运输以及国防建设的需要,半潜船在我国也有广阔的市场需求,可以深信,半潜船必将大有发展。半潜船在水下设备维修方面有望突破,可实现水下设备的现场维修,而非必须运回陆上修理。半潜船还可作为海上救助打捞、油气田作业船只或装置的补给等多种海上作业,还可在电缆铺设、水下安装、卷筒铺设、海底深挖和其他作业等发挥作用。拥有多种功能模块的多功能半潜船将成为发展方向,以满足未来海工市场的需求。目前半潜船市场大型化成发展趋势,然而单纯扩大船舶的载重吨位并非创新,船型、功能的创新才是关键。

无论是具有自浮能力、适合湿拖的货物运输,还是不具有自浮能力、需要干拖的货物运输,相比较用半潜船都是最佳、最快、最安全和最高效的方案。据了解,“DOCKWISE VANGUARD”轮的运输能力已经让人叹为观止,但是道克维斯航运公司并不满足于此,该公司已经表示将制造在尺度和运力方面都超过“DOCKWISE VANGUARD”轮的新半潜船,保持半潜船运输市场的“老大”地位。但是,我国船舶制造业在崛起,竞争有方兴未艾之势。

上面简单介绍了半潜船的前世、今生和未来,其实半潜船的整个装船、航行和卸船过程比普通货船要复杂很多,受载前,需要经过多次模拟的配载试验和计算,船舶的稳性必须符合要求;下潜前需要提前做好各项准备工作,除了在装货甲板合适位置上放置墩木外,还要准备专门的固定、绑扎器材;装卸船时必须对水域的流速、流向及其变化十分清楚;航行中除了密切关注风浪等天气的变化及时躲避外,更需要克服瞭望盲区大、只能小角度用舵等。目前,国内外相关的教材、指南类书籍缺乏,相关的参考文献较少,包括引航员在内的航海人任重道远。