深水起重鋪管船結(jié)構(gòu)強度分析

汪戰(zhàn)軍 孫雪榮

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011）

0 引 言

起重鋪管船是集海洋結(jié)構(gòu)物吊裝、石油天然氣管道鋪設(shè)于一體的海洋工程裝備。隨著越來越多海上油氣田的開采，起重鋪管船在油氣田開采生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)鏈中具有舉足輕重的作用。它既可以在油氣田開采前期進行導(dǎo)管架等海上結(jié)構(gòu)物的吊裝，又可以在油氣田開采后期進行管道鋪設(shè)，將石油天然氣輸送至陸地進行加工［1］。

本文將闡述深水起重鋪管船結(jié)構(gòu)形式，并對總縱強度和艉部結(jié)構(gòu)強度進行詳細介紹。

1 船型及結(jié)構(gòu)形式

1.1 主要參數(shù)

本文介紹的深水起重鋪管船是一艘電力推進、自航起重的全電焊鋼質(zhì)鋪管船。船艏呈流線型，方形船艉和圓角舭部，船艏設(shè)居住區(qū)及直升飛機平臺，船艉設(shè)置了1臺固定吊4000 t、全回轉(zhuǎn)吊3500 t的大型海洋工程起重機，以及1臺作業(yè)水深3000 m的固定式托管架。該船航行于無限航區(qū)，并可在滿足特定作業(yè)環(huán)境條件的海域進行作業(yè)，主要用于大型海洋工程結(jié)構(gòu)物及設(shè)備的吊裝，石油、天然氣海底輸送管道的鋪設(shè)。其主要參數(shù)如下:

作業(yè)工況和待命工況下的環(huán)境條件見表1。

表1 鋪管、起重作業(yè)工況和待命工況的環(huán)境條件

1.2 船體結(jié)構(gòu)形式

本船設(shè)有雙層連續(xù)甲板，A甲板中后部布置管子堆場及管子傳輸系統(tǒng)，主甲板布置鋪管作業(yè)系統(tǒng)。A甲板下的中后部設(shè)有4道縱艙壁，將艙室劃分為左右舷縱向管子傳輸線，中部為鋪管作業(yè)線。主甲板下設(shè)有2道全船貫穿的連續(xù)邊縱艙壁和7道水密艙壁；根據(jù)功能布置需要，設(shè)有多層局部平臺，邊縱艙壁之間設(shè)有雙層底，邊縱艙壁以外為單底結(jié)構(gòu)。

本船采用抵抗總縱彎曲和屈曲的能力更強的縱骨架式結(jié)構(gòu)（包括主船體、上層建筑和甲板室等）。為了控制板格大小，防止板格屈曲，縱骨間距取650 mm或700 mm；同時，基于主船體艙內(nèi)布置盡可能減少加設(shè)支柱對總體布置空間的影響以及甲板載荷的考慮等因素，甲板強橫梁的腹板高度又不宜太高；而且，為了合理控制船體結(jié)構(gòu)質(zhì)量和減少船廠焊接工作量，每4個肋位設(shè)置由甲板強橫梁、舷側(cè)強肋骨、艙壁垂直桁和底部肋板組成的橫向強框架，以支撐縱向構(gòu)件，并保證船體橫向強度［2］。

考慮到A甲板10 t/m2的結(jié)構(gòu)負載與總縱強度對A甲板縱向構(gòu)件起決定作用，A甲板到主甲板之間的結(jié)構(gòu)（包括A甲板結(jié)構(gòu)）均采用最小屈服極限為355 N/mm2的高強度鋼。另外，本船艉部是高載荷、高應(yīng)力區(qū)，在通過局部加厚板緩解應(yīng)力過分集中的同時，為了提高艉部結(jié)構(gòu)強度和應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)、抗高載荷能力，艉部區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)采用最小屈服極限為355 N/mm2的高強度鋼；其余區(qū)域結(jié)構(gòu)（包括上層建筑、甲板室等）采用屈服極限為235 N/mm2的低碳鋼。

2 船體結(jié)構(gòu)強度分析

2.1 波浪載荷預(yù)報

本船的主尺度比超出船級社規(guī)范的要求，波浪載荷通過直接計算確定。波浪載荷計算借助DNV船級社開發(fā)的SESAM/WADAM和SESAM/POSTRESP程序。建立船體的三維濕表面模型和質(zhì)量模型，按照三維繞輻射勢流理論，計算作用在船體上的流體動力，獲得波浪誘導(dǎo)的船體剖面剪力和彎矩載荷響應(yīng)的傳遞函數(shù)；進而對航行調(diào)遣工況采用北大西洋波浪散布圖進行長期預(yù)報，其概率水平取為10-8；鋪管作業(yè)工況、起重作業(yè)工況和待命工況根據(jù)海況條件進行短期預(yù)報（見表1）。

波浪彎矩和剪力沿船長分布見圖1、圖2。波浪載荷預(yù)報結(jié)果見表2。

圖1 波浪彎矩分布圖

圖2 波浪剪力分布圖

表2 波浪載荷預(yù)報結(jié)果

2.2 船體總縱強度

本船總縱強度分析根據(jù)中國船級社CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》［3］和美國船級社ABS《鋼質(zhì)海船建造與入級規(guī)范》［4］的相關(guān)要求，選取典型的航行調(diào)遣工況、鋪管作業(yè)工況、全回轉(zhuǎn)吊起重作業(yè)工況、艉部固定吊起重作業(yè)工況和待命工況等5個工況，進行總縱彎曲強度、剪切強度和屈曲強度校核。靜水彎矩和剪力沿船長分布見圖3、圖4。

圖3 靜水彎矩分布圖

圖4 靜水剪力分布圖

由于本船的上層建筑布置在艏部，大型海洋工程起重機和托管架布置在艉部，而且起重機和托管架均設(shè)置船體中心線上，船體梁在各裝載工況中均處于中拱狀態(tài)，尤其是在起重作業(yè)和鋪管作業(yè)時，會產(chǎn)生很大的靜水彎矩和靜水剪力。因此，提高鋪管作業(yè)和起重作業(yè)下，船體結(jié)構(gòu)抵抗總縱彎曲和剪切的能力是本船總縱強度設(shè)計的關(guān)鍵。

對于產(chǎn)生很大靜水彎矩和剪力的船舶，設(shè)置全船貫穿的連續(xù)縱艙壁，對提高船體梁的彎曲強度、剪切強度和剛度就顯得尤為重要。

2.3 艉部結(jié)構(gòu)強度

本船艉部起重機作業(yè)時，使船體梁在艉部承受高載荷，產(chǎn)生高應(yīng)力；在艉吊作業(yè)時，船體艉部區(qū)域會產(chǎn)生較大的彎矩和剪力；在全回轉(zhuǎn)吊作業(yè)時，對船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩和剪力外，還會產(chǎn)生較大的扭矩。

起重機基座加強采用能提供足夠均勻承載能力的“井”字形艙壁加強形式，即:艉部整個型寬范圍內(nèi)設(shè)置2道橫向艙壁，以及在起重機筒體中心線兩側(cè)各設(shè)置1道局部縱艙壁，該2道縱艙壁艉部連接至艉封板，艏部過渡為甲板縱桁和旁桁材。此外，在起重機筒體與主要支撐艙壁連接處，采用加厚甲板下局部板格來緩解該處的應(yīng)力集中。

在進行鋪管作業(yè)時，托管架主要承受管線上管子自重（作業(yè)達3000 m時，懸浮管子重約600 t）和環(huán)境載荷。A字架頂部支撐點承受較大的拉力，采用厚板與艉部起重機筒體基座相連接。托管架和底部支撐點承受較大的壓力，與艉部主船體內(nèi)的短縱壁連接，并依次過渡為船底縱桁或縱骨。

艉部結(jié)構(gòu)強度分析借助通用的三維有限元軟件MSC/PATRAN和NASTRAN建立艉部局部有限元模型來完成，模型示意圖見圖5?？紤]到工程實際作業(yè)中，艉部起重機和托管架是單獨作業(yè)，分別施加起重機載荷和托管架對船體的反力進行分析和校核。

圖5 艉部結(jié)構(gòu)有限元模型

典型工況下的起重機筒體加強結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖見圖6。托管架加強結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖見圖7。

圖6 起重機有限元分析應(yīng)力云圖

圖7 托管架有限元分析應(yīng)力云圖

3 結(jié) 論

本文闡述了深水起重鋪管船結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合總縱強度和艉部強度分析，起重鋪管船在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程應(yīng)注意以下幾點:

（1）該類工程船的彎矩和剪力沿船長的分布與常規(guī)運輸船會略有不同，船體總縱強度結(jié)構(gòu)設(shè)計時尤其要注意艉部起重機區(qū)域的剪切強度。

（2）利用該類工程船大量的壓載水艙，在滿足船舶總體性能的前提下，通過對各壓載水艙的裝載配置比較，得出最優(yōu)化的靜水彎矩和剪力，從而降低對總縱強度的要求。

（3）主船體內(nèi)設(shè)艏艉貫穿的連續(xù)縱艙壁，對總縱強度、剛度、局部強度和橫向強度的作用不容忽視。

（4）船體高強度鋼的應(yīng)用會大大提高船體的總體強度能力，減少船體重量，但也直接削弱船體整體剛度。該類工程船中，一般只在高應(yīng)力區(qū)采用高強度鋼，占全船鋼料的20%～30%。

（5）對于起重鋪管船而言，艉部是高載荷、高應(yīng)力區(qū)域，除設(shè)置必要的結(jié)構(gòu)加強型艙壁或高腹板桁材外，局部應(yīng)力集中也需要特別注意，具體可采用加厚板過渡、設(shè)置軟趾肘板等方式緩解應(yīng)力集中。

［1］李含萍，閔兵，康為夏.鋪管船前景及船型開發(fā)［J］.船舶，2009（2）:1-4.

［2］喬國瑞，孫雪榮，周佳.3000 t自航起重船結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度分析［J］.船舶，2011（5）:21-26.

［3］中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范［M］.北京:人民交通出版社.2012.

［4］ABS.Rules for Building and Classing Steel Vessels［S］.2012.