МОРСКОЕ САМОХОДНОЕ САМОПОДЪЕМНОЕ КРАНОВОЕ СУДНО
MARINE SELF-PROPELLED SELF-ELEVATING CRANE VESSEL

Заявляемое изобретение относится к области судостроения и может быть использовано для создания самоподъемных крановых судов (СПКС), оптимизированных для выполнения строительно-монтажных работ на объектах морской нефтегазодобычи.
Здесь и далее термином «морское самоходное самоподъемное крановое судно» (СПКС) обозначается крановое судно (КС), для поддержания которого во время грузоподъемных операций (в рабочем состоянии) используется принцип опирания на грунт (морское дно) посредством опорно-подъемного устройства (ОПУ) с опорами стержневой или ферменной конструкции.
*{Одним из признанных средств, приспособленным для выполнения грузоподъемных операций в условиях мелководья и значительного волнения, является СПКС. Этот тип судов, в основном, предназначен для установки ветроэнергетических установок в прибрежных районах стран бассейна Северного моря. Сложившийся к настоящему времени архитектурно-конструктивный тип СПКС является оптимальным для использования этих судов в качестве транспортно-крановых (ТКС), когда монтажные единицы (комплекты ветрогенераторов или их опорных оснований) принимаются на борт СПКС, доставляются им в район работ и последовательно монтируются в намеченных точках краном с палубы. После установки и монтажа последнего комплекта судно возвращается в порт под погрузку. Наименьшая возможная глубина постановки СПКС на опоры составляет около 6,5 м, наибольшая - около 60 м. Достигнутая величина максимальной грузоподъемности основного крана СПКС составляет в настоящее время 1500 т.
В настоящее время одним из наиболее рациональных способов строительства объектов на морских нефтегазопромыслах является монтаж предварительно насыщенными крупными строительно-монтажными единицами (блоками). Блоки создаются в береговых условиях, а с началом навигации доставляются к строящемуся объекту транспортными плавсредствами с малой осадкой. КС находится у объекта в течение всего срока строительно-монтажных работ (навигации) и осуществляет монтаж блоков, доставляемых указанными плавсредствами. Такая модель использования КС в отечественной практике получила название «краново-монтажное судно» (KMC), а способ работы КС называют экспедиционным. Таким образом, для эффективной работы СПКС в качестве KMC важно иметь возможность полноценной работы стрелой своего крана как с грузами, находящимися как на собственной палубе, так и на транспортных плавсредствах.}*
Известен целый ряд морских самоходных самоподъемных крановых судов (СПКС), - «self-elevated wind turbine installation unit», предназначенных для установки на море ветроэнергетических установок, использующих указанный выше принцип поддержания в рабочем состоянии.
В частности, известно морское самоходное самоподъемное крановое судно (СПКС), имеющее корпус с судовыми обводами, ОПУ с четырьмя опорами, имеющими порталы и механизмы подъема, а также полноповоротный грузоподъемный кран, поворотная часть которого смонтирована с возможностью вращения вокруг одной из опор (см. судно «Brave Tern» компании Fred. Olsen. Windcarrier - www.windcarrier.com).
Недостатком указанного известного судна-аналога является его оснащение ОПУ с относительно большим количеством опор. Обычно ОПУ таких судов в настоящее время состоит из 4-х (у указанного аналога) или даже 6-ти опор с механизмами подъема и обслуживающими системами, что ведет к увеличению массы опорно-подъемного устройства и усложнению системы управления ОПУ. Это приводит к росту водоизмещения судна и его походной осадки, а также вызывает увеличение стоимости ОПУ и строительной стоимости СПКС в целом.
В связи с тем что указанный известный аналог выполнен с бортовым расположением крана (на кормовой опоре левого борта), его существенным недостатком является практическая невозможность полноценной работы этого крана на оба борта и в корму из-за смещения оси вращения крана к одному из бортов и его достаточно большого удаления от противоположного борта и кормовой оконечности. Это снижает эффективность СПКС ввиду трудности его использования в режиме краново-монтажного судна (KMC) при так называемом экспедиционном способе работы, когда KMC постоянно находится у строящегося объекта, а строительно-монтажные единицы (блоки) доставляются другими плавсредствами.
Кроме того, общим недостатком судна-аналога и других подобных судов является схема ОПУ с бортовым расположением опор на корпусе. В случае необходимости увеличения показателей устойчивости судна на грунте в рабочем состоянии (например, использование крана с увеличенными характеристиками по грузоподъемности и вылету либо расширение эксплуатационных возможностей СПКС по гидрометеоусловиям) необходимо увеличить поперечную базу опор (расстояние между осями опор, измеренное перпендикулярно ДП судна), что приведет к росту ширины судна. Это, в свою очередь, вызовет увеличение буксировочного сопротивления судна и, следовательно, увеличит затраты энергии на движение судна. В случае использования СПКС в акваториях замерзающих морей значительная ширина судна может вызвать трудности при осуществлении ледокольной проводки.
Известны самоподъемные объекты с трехопорными ОПУ (СПБУ), где бортовые опоры с механизмами подъема располагаются на специальных наделках-аутригерах (см. патенты SU 1074955, МПК E02B 17/02; GB 1492817, МПК E02B 17/02) или на специальной объемной конструкции-понтоне, образующей с другой частью корпуса Т-образную в плане конструкцию (см. заявку WO 00/37349, МПК E02B 17/02).
Общим недостатком подобных архитектурно-конструктивных объектов является то, что аутригеры и другие подобные конструкции, являющиеся водоизмещающими, то есть погруженными в воду, существенно увеличивают гидродинамическое сопротивление корпуса, и, следовательно, вызывают рост энергозатрат на его движение и маневрирование.
Известно также морское самоходное самоподъемное крановое судно, содержащее корпус и опорно-подъемное устройство с тремя опорами, имеющими башмаки и порталы с механизмами подъема, причем две из упомянутых опор расположены в кормовой части корпуса, а одна (средняя) - в носовой, а также полноповоротный грузоподъемный кран (см. заявку WO 2010/026555, МПК B63B 35/44 прототип).
Для размещения трехопорного ОПУ, обеспечивающего достаточные для эксплуатации характеристики устойчивости на грунте, в прототипе принята форма корпуса в плане, близкая к треугольной, что дает возможность увеличения поперечной базы ОПУ. Кроме того, прототип имеет пропульсивный комплекс, состоящий из трех поворотных колонок, и полноповоротный кран большой грузоподъемности, установленный в корме между бортовыми опорами на выдвижной консоли (кантилевере) для расширения рабочей зоны крана при грузоподъемных операциях.
Существенным недостатком прототипа является то, что его относительно короткий и широкий корпус имеет гораздо худшие гидродинамические характеристики, чем корпуса СПКС с судовыми обводами. Это влечет за собой увеличение энергозатрат на движение судна, а также ухудшение его мореходных качеств. Таким образом, использование корпуса такой формы приводит к росту мощности, массы и стоимости главной энергетической установки (ГЭУ) и движительно-рулевого комплекса (ДРК), а также накладывает существенные ограничения на гидрометеоусловия при переходе судна.
Кроме того, наличие выдвижной консоли увеличивает массу металлоконструкций корпуса СПКС, что приводит к росту водоизмещения судна порожнем и увеличению его строительной стоимости. Наличие механизмов перемещения выдвижной консоли обуславливает увеличение мощности, массы и стоимости электрооборудования и ГЭУ, что, в свою очередь, также вызывает увеличение водоизмещения порожнем и стоимости СПКС.
Задачей заявляемого изобретения является расширение эксплуатационных возможностей СПКС при использовании в процессе строительства объектов морской нефтегазодобычи в прибрежных мелководных районах, в том числе с ограниченным (как правило, по ледовой обстановке) навигационным периодом. К таким районам, например, относятся акватории у побережья арктических морей России (Печорская губа, Обско-Тазовская губа, Приямальский шельф и др.), располагающие значительными запасами углеводородов. Ледовый период в этих районах, как правило, имеет продолжительность 7,5-9,5 месяцев, в то время как навигационный период длится всего 2,5-4,5 месяца. Подавляющее большинство перспективных нефтегазоносных структур располагается на акваториях с глубинами от 4-6 м до 13-15 м, поэтому выполнение строительно-монтажных работ здесь с помощью обычных водоизмещающих КС не всегда возможно из-за ограничений по осадке в рабочем состоянии. Кроме того, указанные районы отличаются крайне суровыми гидрометеоусловиями с частыми и продолжительными штормами, что существенно сужает «погодное окно» для работы водоизмещающих КС ввиду ограничений по максимально допустимой высоте волны.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение эксплуатационных возможностей СПКС путем обеспечения возможности его использования в качестве KMC при строительстве объектов на морских нефтегазовых месторождениях в прибрежной мелководной зоне при одновременном снижении строительной стоимости.
Указанный технический результат достигается в морском самоходном самоподъемном крановом судне, содержащем корпус и опорно-подъемное устройство с тремя опорами, имеющими башмаки и порталы с механизмами подъема, причем две из упомянутых опор расположены в кормовой части корпуса, а одна (средняя) - в носовой, а также полноповоротный грузоподъемный кран, тем, что упомянутый корпус выполнен с судовыми обводами, причем надводная часть корпуса в корме выполнена с бортовыми наделками-спонсонами, соединенными между собой прочной объемной конструкцией - надстройкой, а в этих бортовых наделках-спонсонах выполнены ниши для размещения башмаков опор, при этом расположенные в кормовой части корпуса две опоры установлены по бортам судна на упомянутых наделках-спонсонах так, что в походном положении башмаки упомянутых опор расположены выше уровня ватерлинии и утоплены в упомянутых нишах в наделках-спонсонах, а средняя опора смонтирована в диаметральной плоскости корпуса судна, причем упомянутый грузоподъемный кран смонтирован с возможностью вращения его поворотной части вокруг средней опоры.
Выполнение надводной части корпуса в корме с бортовыми наделками-спонсонами, позволяет создать необходимую, по условиям устойчивости СПКС на грунте, поперечную базу опор (расстояние между осями бортовых опор), практически не увеличивая ширину корпуса судна, а его подводную часть выполнить с судовыми обводами, наиболее выгодными с гидродинамической точки зрения. Это способствует снижению буксировочного сопротивления и, следовательно, мощности ДРК СПКС как на чистой воде, так и при наличии разреженного (битого) льда. Кроме того, умеренная ширина судна существенно расширяет возможности его проводки за ледоколом и позволяет несколько увеличить время навигации.
Наличие трехопорной схемы ОПУ СПКС при судовых обводах корпуса позволяет при равной подъемной массе корпуса, обеспечить необходимую суммарную жесткость опор при меньшей общей массе опор, чем у СПКС с четырьмя опорами. Наряду с этим уменьшение количества опор приводит к уменьшению количества и массы подъемных механизмов, а также к упрощению системы управления ОПУ, что, в свою очередь, приводит к уменьшению стоимости ОПУ и строительной стоимости судна в целом. Вследствие уменьшения массы ОПУ снижается водоизмещение СПКС и его осадка при переходе, что обеспечивает выход на глубины постановки существенно меньшие, чем у существующих аналогов.
Кроме того, за счет того что упомянутый грузоподъемный кран смонтирован с возможностью вращения его поворотной части вокруг средней опоры, обеспечивается возможность работы стрелы крана с одинаковой величиной вылета грузовой подвески за корпус СПКС на оба борта, а также в нос независимо от положения опор. Это позволяет вести работу не только с грузами, находящимися на собственной грузовой палубе судна, но и грузами, доставляемыми другими плавсредствами (судами, баржами, понтонами - не показаны), что существенно повышает эффективность СПКС как строительно-монтажного средства, например, при сооружении объектов на морских нефтегазопромыслах.
На фиг. 1 изображено заявляемое морское самоходное самоподъемное крановое судно (СПКС) в рабочем состоянии, вид сбоку,
на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1,
на фиг. 3 - заявляемое морское самоходное самоподъемное крановое судно (СПКС) в рабочем состоянии, вид с носа,
на фиг. 4 - то же, вид сверху,
на фиг. 5 - заявляемое СПКС с опорами в походном положении, вид сбоку,
на фиг. 6 - сечение Б-Б фиг. 5.
Заявляемое морское самоходное самоподъемное крановое судно (СПКС) содержит корпус 1 с судовыми обводами и опорно-подъемное устройство с тремя опорами, причем две из них - опоры 2 - расположены в кормовой части корпуса 1, а одна - опора 3 (средняя) - в носовой, а также полноповоротный грузоподъемный кран 4. Опоры 2 имеют башмаки 5 и порталы 6 с механизмами подъема (не показаны). Средняя (носовая) опора 3 также имеет башмак 7 и портал 8 с механизмом подъема (не показан). Для повышения эксплуатационной эффективности надводная часть корпуса 1 в корме выполнена с бортовыми наделками-спонсонами 9, соединенными в горизонтальной плоскости надстройкой 10, к которой конструктивно примыкает ютовая надстройка 11. Жилой модуль 12 с ходовым мостиком установлен на крыше надстройки 10. Бортовые наделки-спонсоны 9 и надстройка 10 образуют пространственную конструкцию, охватывающую корпус 1 и конструктивно опирающуюся на поперечные водонепроницаемые переборки 13 и 14.
При этом в бортовых наделках-спонсонах 9 выполнены ниши 15 для размещения башмаков 5 опор 2. При этом расположенные в кормовой части корпуса опоры 2 установлены по бортам судна на упомянутых наделках-спонсонах 9 так, что в походном положении башмаки 5 опор 2 расположены выше уровня ватерлинии и утоплены в упомянутых нишах 15 в наделках-спонсонах 9, а средняя опора 3 расположена в диаметральной плоскости корпуса 1 судна. Грузоподъемный кран 4 смонтирован с возможностью вращения его поворотной части вокруг средней опоры 3.
Кроме того, корпус 1 содержит в кормовой части отсеки 16, для размещения оборудования главной энергетической установки и электростанции (не показаны), а в носовой части - отсек балластных цистерн 17 и отсек с нишей 18 для башмака 7 средней опоры 3.
Портал 8 с механизмами подъема (не показаны) средней опоры 3 является опорной конструкцией для неподвижной части 19, несущей, в свою очередь, поворотную часть 20 с грузовой стрелой 21 крана 4. Грузоподъемный кран 4 смонтирован с возможностью вращения его поворотной части 20 вокруг средней опоры 3.
На верхней палубе СПКС между надстройкой 10 и порталом 8 средней опоры 3 располагается грузовая площадка 22
Заявляемое судно оборудовано движительно-рулевым комплексом (ДРК) 23 и средствами активного управления (САУ) 24
Заявляемое СПКС прибывает к месту выполнения работ своим ходом при помощи ДРК 23, в качестве которых могут использоваться винторулевые поворотные колонки , крыльчатые движители, пропульсивные комплексы традиционного типа с валопроводами, гребными винтами и рулями и др. При этом на грузовой площадке 22, как правило, находится палубный груз (не показан), например блок-модуль (модули) верхнего строения морской стационарной платформы, подлежащий монтажу в первую очередь.
Подход судна к объекту выполняется так, чтобы в рабочем положении (на опорах) СПКС располагалось бортом к объекту, а район производимых строительно-монтажных работ находился в зоне действия основного грузоподъемного крана 4.
После подхода к объекту производится динамическое позиционирование СПКС на точке производства работ при помощи ДРК 23 и САУ 24. В процессе удержания СПКС своей позиции производится опускание опор 2 и 3 вплоть до касания грунта башмаками 5 и 7, после чего выполняется предварительное нагружение (задавливание) опор 2 и 3 в грунт. При этом для создания нагрузки на среднюю (носовую) опору 3 осуществляется прием жидкого балласта в цистерны, находящиеся в отсеке 17. По окончании задавливания опор 2 и 3 производится подъем корпуса 1 для создания необходимого вертикального клиренса.
После подъема корпуса СПКС 1 на необходимую высоту, производится выгрузка (монтаж) палубного груза (не показан) основным грузоподъемным краном 4 с грузовой площадки 22. В случае использования судна в качестве KMC выгрузка и монтаж блок-модулей (не показаны) производится с плавсредств (судов, барж) (не показаны), подходящих к СПКС со стороны свободного борта. При необходимости разгрузка блок-модулей (не показаны) с плавсредства может быть выполнена на грузовую площадку 22 СПКС.
Для снятия СПКС с места выполнения краново-монтажных работ стрела 21 грузоподъемного крана 4 укладывается в походное положение. Затем корпус судна 1 с помощью механизмов подъема (не показаны) опор 2 и 3 опускается на воду, после чего производится выдергивание башмаков опор 5 и 7 из грунта с последующим подъемом опор 2 и 3 в походное положение. В походном положении башмаки 5 опор 2 должны размещаться в нишах 15 наделок-спонсонов 9, а башмак 7 носовой опоры 3 должен быть втянут в нишу 18 в носовой части корпуса 1.
После закрепления опор 2 и 3 с башмаками 5 и 7 в походном положении СПКС может выполнять переход к новому месту производства работ при помощи ДРК 23.
При выборе главных размерений корпуса 1 (длины, ширины, высоты борта) следует учитывать требования к обеспечению остойчивости судна при его переходе в установленном районе плавания с грузом (не показан) на грузовой площадке 22 верхней палубы.
Характерной особенностью архитектурно-компоновочной схемы заявляемого СПКС является размещение наиболее тяжелого оборудования (энергетической установки, силового электрооборудования, вспомогательных механизмов и т.п.) в отсеках 16, расположенных в кормовой части корпуса 1. Кроме того, в кормовой части судна располагается жилой модуль 12 с постами управления, а также механизмами и устройствами, обеспечивающими жизнедеятельность персонала (ВПП для вертолета, спасательное устройство и т.п.). Вследствие этого положение центра тяжести СПКС порожнем по длине смещается в корму и, таким образом, происходит перераспределение статической нагрузки от массы судна при стоянке на опорах в сторону бортовых (кормовых) опор 2. Таким образом, происходит некоторая разгрузка носовой опоры 3, которая в рабочем состоянии воспринимает значительные нагрузки от массы крана 4, а также от грузового момента, создаваемого стрелой крана 21 с поднимаемым грузом (не показан).
Предварительное нагружение (задавливание) средней (носовой) опоры 3 производится за счет приема забортной воды в балластные цистерны, размещаемые в отсеках 17 носовой части корпуса судна 1. Задавливание бортовых (кормовых) опор 2 может производиться массой корпуса 1 СПКС.
Расстояние между осями ботовых опор 2, необходимое для обеспечения безопасной от опрокидывания стоянки СПКС, обеспечивается размещением данных опор с их башмаками 5 и порталами подъемных механизмов 6 на надводных бортовых наделках-спонсонах 9. Это дает возможность существенно уменьшить ширину корпуса 1 и значительно увеличить вылет стрелы крана 21 за борт, по сравнению с прототипом.
Бортовые наделки-спонсоны 9 и соединяющая их поперечная надстройка 10 образуют единую пространственную конструкцию, охватывающую корпус 1 со стороны верхней палубы и опирающуюся на поперечные водонепроницаемые переборки 13 и 14. Сформированная таким образом конструкция служит для передачи части статической нагрузки от массы судна в поднятом положении на бортовые (кормовые) опоры 2.
Внутренний объем надстройки 10 утилизируется путем размещения в нем различных вспомогательных устройств и систем.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет существенно расширить эксплуатационных возможности СПКС путем обеспечения возможности его использования в качестве KMC при строительстве объектов на морских нефтегазовых месторождениях в прибрежной мелководной зоне при одновременном снижении строительной стоимости.