連續(xù)滑靴裝船設(shè)計(jì)技術(shù)

尹漢軍， 蔡元浪， 王曉蕾， 梅華東

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

連續(xù)滑靴裝船設(shè)計(jì)技術(shù)

尹漢軍， 蔡元浪， 王曉蕾， 梅華東

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

海洋平臺(tái)的裝船分析是平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算的重點(diǎn)，特別是當(dāng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式特殊時(shí)，安裝工況可能是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制性工況。該文中上部組塊加支撐模塊，總重約3.2萬噸，平臺(tái)尺寸和重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常規(guī)平臺(tái)的規(guī)模。新的裝船模式采用連續(xù)滑靴支撐組塊，在裝船分析過程中，如何準(zhǔn)確模擬上部組塊實(shí)際承受的荷載和邊界條件是結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵，已完成的裝船計(jì)算分析為今后的類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

大型組塊；裝船設(shè)計(jì)；連續(xù)滑靴；DSF模塊

0 引言

使用連續(xù)滑靴裝船與獨(dú)立式滑靴有較大不同，連續(xù)滑靴根據(jù)實(shí)際桿件設(shè)置可以布置較多支撐點(diǎn)，傳力也較均勻；獨(dú)立滑靴的支撐點(diǎn)較分散，主要在主軸線上，滑靴獨(dú)立支撐主腿，傳力明確。該文以某超大型組塊裝船分析為例，重點(diǎn)研究了連續(xù)滑靴在裝船各工況下的受力特點(diǎn)。計(jì)算分析過程使用國(guó)際通用的海洋工程分析軟件SACS，分析過程中采用新的邊界處理方法和工況計(jì)算，最大程度的模擬組塊實(shí)際作業(yè)工程中可能經(jīng)歷的受力狀態(tài)，分析結(jié)果表明，整個(gè)結(jié)構(gòu)在裝船過程中是安全的。

1 組塊裝船設(shè)計(jì)技術(shù)

組塊裝船前施工過程大致分如下幾個(gè)步驟:組塊采用高位建造，建造完成后下放至支持模塊DSF進(jìn)行對(duì)接，做好臨時(shí)連接后，進(jìn)行拖拉裝船。由于組塊的尺寸大、重量重，為準(zhǔn)確模擬組塊整個(gè)裝船過程，有許多特殊的技術(shù)處理在軟件計(jì)算中得到應(yīng)用。

圖1 DSF結(jié)構(gòu)模型

1.1 連續(xù)滑靴及支撐點(diǎn)模擬

圖2 支撐結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

DSF(DECK SUPPORT FRAME)設(shè)置10個(gè)DSU(DECK SUPPORT UNIT)支撐組塊，DSF下設(shè)置22個(gè)支撐點(diǎn)。DSF結(jié)構(gòu)及組塊整體裝船結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

DSF作為支持模塊，為整個(gè)組塊提供裝船支撐作用，DSF本身為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，由上下水平梁、斜撐組成。在裝船過程中，下部水平梁直接與枕木連接，水平梁加枕木從DSF首端一直延續(xù)到尾端，構(gòu)成一對(duì)整體滑靴。

DSF支撐剛度計(jì)算模型如圖2所示，斜支撐為一傾斜懸臂圓管，受豎向強(qiáng)制位移，滑靴上的水平梁簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁。

根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，斜撐受軸向力、垂直力及相應(yīng)變形為：

Δl=Flsocφ/EA vB=Fl3sinφ/3EI

斜撐直徑2 500 mm，壁厚90 mm，長(zhǎng)6 829 mm，彈性模量取2.01×1011Pa,傾斜角度44.6°。軸向變形與彎曲變形比值為：

Δl/vB=3Icosφ/Al2sinφ=0.0468

斜撐以彎曲變形為主，另外，水平梁長(zhǎng)31 m,為B2 000×1 800×40×60的雙腹板箱型梁?？缰袕澢鷦偠葹椋?/p>

根據(jù)斜撐的變形關(guān)系及水平梁的彎曲剛度，DSF支撐點(diǎn)的垂向變形剛度為3 745.0 kN/mm。輔軸上的斜撐為914 mm×45 mm圓管，長(zhǎng)7 485 mm，水平梁跨距14 m，垂向變形剛度為937.3 kN/mm，約為主軸斜撐剛度的1/4。

1.2 DSF與組塊連接模擬

在組塊下放至DSF上后，焊接擋塊、肘板，使組塊與DSF進(jìn)行連接。

對(duì)連接的DSU桿件進(jìn)行釋放處理，桿件兩端六位數(shù)表示桿件端部的六個(gè)自由度(X,Y,Z, RX,RY,RZ)，“0”表示該方向傳遞內(nèi)力，“1”表示該方向釋放，不傳遞該方向內(nèi)力。

裝船工況考慮組塊高位建造，在下放至DSF模塊上時(shí)，結(jié)構(gòu)已經(jīng)在重力作用下完成變形，各個(gè)支撐點(diǎn)也是一種自由狀態(tài)，與DSF完成接觸后，水平力釋放完畢。此時(shí)DSF與組塊的筋板連接主要應(yīng)考慮拖拉力的傳遞問題?；谶@個(gè)考慮，把10個(gè)DSU彎矩全釋放，把其中一個(gè)腿保持XYZ方向約束，其余的DSU單元都只承擔(dān)軸向力，使模型的邊界條件盡可能符合實(shí)際情況。

1.3 裝船工況設(shè)置

圖3 支撐點(diǎn)頂升10 mm工況

根據(jù)組塊裝船實(shí)際過程，組塊與DSF在拖拉過程中將分別承受滑道不平產(chǎn)生的支撐點(diǎn)失效工況(單排失效)；碼頭滑道與駁船滑道高差大引起主支撐點(diǎn)失效和相連支撐點(diǎn)失效(雙排失效)；駁船在碼頭的升沉運(yùn)動(dòng)；駁船的橫搖運(yùn)動(dòng)。DSU與組塊按鉸接處理(僅傳遞力，不傳遞彎矩)； 25 mm計(jì)算部分主要對(duì)上船的支點(diǎn)進(jìn)行頂升和下沉25 mm處理，模擬裝船時(shí)駁船與碼頭的高差； 10 mm計(jì)算部分主要對(duì)上船的支點(diǎn)進(jìn)行左右頂升和下沉10 mm處理，模擬裝船時(shí)駁船左右舷的高差(如圖3所示)；在US01(U01，U02組合)～US11(U21，U22組合)工況中，模擬滑道不平整工況。

1.4 裝船工況組合

工況基本組合見表1、表2，DRY為組塊所有干重：

表1 單排失效組合表

單排失效工況示意圖如圖4所示：

圖4 單排失效工況

組合工況失效節(jié)點(diǎn)號(hào)基本荷載工況荷載系數(shù)LL013，4，5，6DRYF1．00LL025，6，7，8DRYF1．00LL037，8，9，10DRYF1．00LL049，10，11，12DRYF1．00LL0511，12，13，14DRYF1．00LL0613，14，15，16DRYF1．00LL0715，16，17，18DRYF1．00LL0817，18，19，20DRYF1．00

雙排失效工況示意圖如圖5所示：

圖5 雙排失效工況

2 計(jì)算校核結(jié)果

根據(jù)上述工況組合，應(yīng)用帶GAP單元的靜力分析方法，得到DSF和組塊桿件規(guī)范校核結(jié)果，所有組別的桿件中，應(yīng)力最大的組為U5J，最大應(yīng)力為0.98，發(fā)生在DN08工況下，說明組塊在裝船工況下是安全的，計(jì)算通過。表3是大于0.90的桿件信息。

表3 桿件校核結(jié)果

輔軸支撐點(diǎn)反力“跟隨”效應(yīng)見表4：

表4 桿件校核結(jié)果

由表4可以看出，輔軸支撐點(diǎn)反力受相鄰主軸頂升影響較大，前后主軸頂升時(shí)，其反力都降為“0”，即處于懸空狀態(tài)，對(duì)于輔軸支撐節(jié)點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜趸幚?，這樣才能使連續(xù)滑靴裝船設(shè)計(jì)跟接近實(shí)際情況。

3 結(jié)語

在超大型組塊的裝船分析中，對(duì)上部結(jié)構(gòu)的裝船工況的關(guān)鍵參數(shù)需要進(jìn)行特定處理和設(shè)置。組塊與支持模塊DSF分體建造，對(duì)接過程將發(fā)生傳力轉(zhuǎn)移、內(nèi)力重分布，局部桿件的邊界設(shè)置不同，對(duì)裝船分析結(jié)果有較大影響。

該文中的DSF結(jié)構(gòu)充當(dāng)了組塊滑靴的作用，這種超長(zhǎng)、連續(xù)滑靴在滑道上、滑道與駁船上運(yùn)行是一種連續(xù)過程，與分體式滑靴各階段受力明確不同，連續(xù)滑靴可能產(chǎn)生單排、相鄰多排支撐點(diǎn)懸空狀態(tài)，為此，除考慮常規(guī)裝船工況外，對(duì)連續(xù)滑靴明確支撐點(diǎn)，特別是主次支撐點(diǎn)區(qū)分是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題。在該項(xiàng)目的裝船分析中，根據(jù)支撐點(diǎn)的垂向變形剛度對(duì)支撐點(diǎn)進(jìn)行了分類，最后的支撐反力表明，該分類是合理有效的，得到了較可信的反力結(jié)果。此外，滑靴在滑道上沒有側(cè)向約束，橫向的彈簧處理也非常關(guān)鍵，這也是連續(xù)滑靴計(jì)算分析的另一特點(diǎn)。

[1] American Petroleum Institute. API recommended practice 2A-WSD (RP2A-WSD) [S].Twenty-First Edition, 2000.

[2] American Institute of Steel Construction (AISC).Specification for Structural Steel Buildings - Allowable Stress Design and Plastic Design[S].2005.

Continuous Shoe Loadout Design Technique

YIN Han-jun, CAI Yuan-lang, WANG Xiao-lei, MEI Hua-dong

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd， Tianjin 300452, China)

Loadout analysis is the important part in topside structural design, the installation load case is the control case in structural design especially when the topsides structure type is unnormal. In this paper, the total weight of topsides and DSF(DECK SUPPORT FRAME) is 32000 ton, the size and weight all exceed normal condition. Continuous shoe was used in loadout, in the analysis, the key parts of structural design is how to deal with the continuous skid in practice and set the structural boundary. The loadout analysis results were provided a method for large scale topsides installation design.

large scale topsides； loadout design； continuous shoe； DSF module

2013-09-02

尹漢軍(1973-)，男，高級(jí)工程師。

1001-4500(2014)03-0012-05

P75

A