中水浮拱浮力艙的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

呂東等

摘要： 針對(duì)淺水動(dòng)態(tài)柔性管/纜系統(tǒng)的附件——中水浮拱的浮力艙，介紹其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能等，并給出其基本參數(shù)；用ANSYS分析浮力艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，得到壁厚變化對(duì)浮力艙的強(qiáng)度和質(zhì)量影響的一般規(guī)律；研究浮力艙在破艙后對(duì)中水浮拱整體功能的影響；總結(jié)內(nèi)部隔板與外艙體連接處的倒角半徑和浮力艙應(yīng)力變化曲線，給出最佳倒角半徑范圍.研究結(jié)果可以提高中水浮拱的安全可靠性和設(shè)計(jì)水平.

關(guān)鍵詞： 中水浮拱； 浮力艙； 結(jié)構(gòu)分析； 強(qiáng)度； 壁厚； 倒角半徑； ANSYS

中圖分類號(hào)： TE 53；TB 115.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract： As to the buoyancy tanks of middle water arch which is the accessory of the dynamic flexible pipe/cable system used in the shallow water， the structure features and functions are introduced and the basic parameters are given； the structural strength of the buoyancy tanks is analyzed by ANSYS， and the general rule of the effect of wall thickness change on the strength and mass of buoyancy tanks is obtained； the effect of buoyancy tank damage on the overall functionality of middle water arch is studied； the curve of buoyancy tank stress and chamfering radius of the connection between internal baffle plate and outer hull is summarized and the scope of the best chamfering radius is given. The research results can improve the safety and reliability and the design level of the middle water arch.

Key words： middle water arch； buoyancy tank； structure analysis； strength； wall thickness； chamfering radium； ANSYS

引言

海洋動(dòng)態(tài)柔性管/纜在海上油氣田開(kāi)采系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用，作為連接平臺(tái)與海底采油設(shè)備的橋梁，其對(duì)環(huán)境載荷和浮體運(yùn)動(dòng)載荷等有嚴(yán)格的安全要求.對(duì)于淺水柔性管/纜的鋪設(shè)，廣泛采取LazyS型線型布置（見(jiàn)圖1），主要依靠中水浮拱保持立管形態(tài).這種線型布置可以有效減小管/纜的上部懸掛張力，并且解耦上部浮體結(jié)構(gòu)與海底管道系統(tǒng)之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，使其在水中擁有良好的順應(yīng)性，有效提高管/纜的使用壽命.[1]

1—上懸鏈線纜段； 2—下懸鏈線纜段； 3—中水浮拱纜段； 4—浮體； 5—中水浮拱； 6—系鏈； 7—重力基座； 8—海床； 9—海平面

中水浮拱是海洋工程中的浮力裝備，見(jiàn)圖2.中水浮拱由錨鏈與海床上的重力塊連接，用于支撐海洋動(dòng)態(tài)柔性管/纜，使其滿足LazyS型線型布置.[2]中水浮拱主要由曲面拱槽和浮力艙2個(gè)基本部件組成.前者用于支撐柔性管/纜，后者是中水浮拱的浮力來(lái)源.浮力艙是其中最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)，中水浮拱是否滿足功能要求主要取決于浮力艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理.為設(shè)計(jì)適合某動(dòng)態(tài)柔性管/纜系統(tǒng)的中水浮拱，需要考慮裝備的應(yīng)用水深、動(dòng)態(tài)柔性管/纜的凈浮力要求以及某些特殊情況，對(duì)浮力艙排水體積、壁厚和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，并對(duì)所設(shè)計(jì)的浮力艙的凈浮力要求、強(qiáng)度要求和特殊情況下的破艙影響進(jìn)行詳細(xì)校核.

（a）

1.2中水浮拱浮力艙基本參數(shù)

浮力艙主要用來(lái)提供浮力，其設(shè)計(jì)參照壓力容器規(guī)范第VIII卷[4].為保證中水浮拱在服役階段能夠安全可靠地工作，一般將浮力艙劃分為若干艙室，可以避免在特殊情況下因浮力艙的破損而導(dǎo)致中水浮拱整體失效沉沒(méi)的風(fēng)險(xiǎn)[56]，并且分艙隔板也有加強(qiáng)浮力艙強(qiáng)度的作用.

浮力艙的設(shè)計(jì)要素主要有浮力艙凈浮力、浮力艙總體積、浮力艙基本尺寸和浮力艙分艙數(shù)目等.根據(jù)所給動(dòng)態(tài)柔性管/纜的詳細(xì)信息和柔性管/纜系統(tǒng)的各段長(zhǎng)度，用相關(guān)軟件可以分析得到保持LazyS型線型布置的凈浮力為39.3 t，而中水浮拱的浮力基本由浮力艙提供，所以認(rèn)為浮力艙所需提供的凈浮力為39.3 t，從而得到擁有雙浮力艙的中水浮拱單個(gè)浮力艙所需提供的凈浮力為19.7 t.考慮到會(huì)有破艙的極限情況出現(xiàn)，需要一定的浮力裕量，所以單個(gè)浮力艙所需提供的凈浮力為 23.5 t.根據(jù)阿基米德定律F浮=G排=ρ液·g·V排液可以得到單個(gè)浮力艙（以下簡(jiǎn)稱浮力艙）排水體積為28.4 m3.假定浮力艙的質(zhì)量為5.6 t，參照壓力容器規(guī)范第VIII卷和動(dòng)態(tài)柔性管/纜等相關(guān)信息及參考文獻(xiàn)，最終給出浮力艙的基本參數(shù)[79]見(jiàn)表2.

2.1分析內(nèi)容

中水浮拱置于距離海平面-58 m的深度，主要受海水壓力、海水動(dòng)力[10]、內(nèi)部充氣壓力和本身重力等作用，為使中水浮拱在應(yīng)用過(guò)程中滿足功能和強(qiáng)度要求，確保在使用壽命內(nèi)不出現(xiàn)嚴(yán)重事故，須對(duì)其進(jìn)行功能和強(qiáng)度校核.中水浮拱浮力艙的校核分析主要有：浮力艙壁厚變化對(duì)強(qiáng)度和質(zhì)量的影響分析、艙室破損情況下浮力艙的功能分析和強(qiáng)度分析及其對(duì)整體的影響.

2.2浮力艙壁厚對(duì)強(qiáng)度和質(zhì)量的影響

中水浮拱浮力艙的強(qiáng)度分析主要采用ANSYS建模分析，有限元模型為簡(jiǎn)易模型，見(jiàn)圖3，包含外壓力艙與內(nèi)部分艙隔板.

（a）完整模型（b）橫切剖面圖

（1）浮力艙的應(yīng)力隨艙壁厚度的增大而呈現(xiàn)非線性減小，從壁厚為5 mm開(kāi)始，減小的趨勢(shì)逐漸降低，最后趨于穩(wěn)定.

（2）浮力艙的質(zhì)量隨艙壁厚度的變大而呈現(xiàn)線性增大.

因此，增大壁厚雖然能夠增大浮力艙的強(qiáng)度，但是自身質(zhì)量也相應(yīng)增大，使其所提供的凈浮力下降；減小壁厚能夠提高浮力艙的浮力性能，卻會(huì)使其承壓能力降低.由此，根據(jù)上述規(guī)律進(jìn)行艙壁厚度的合理選擇.根據(jù)規(guī)范[4]和動(dòng)態(tài)柔性管/纜的凈浮力要求可知初步給定的壁厚參數(shù)符合要求.

2.3中水浮拱浮力艙的艙室破損分析

2.3.1破損1個(gè)艙室

中水浮拱是提供浮力的裝置，如果中水浮拱的浮力艙由于某種原因破損，導(dǎo)致艙室進(jìn)水，那么中水浮拱系統(tǒng)所提供的凈浮力可能無(wú)法滿足動(dòng)態(tài)柔性管/纜系統(tǒng)的要求，進(jìn)而導(dǎo)致整體沉沒(méi)，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)造成非常嚴(yán)重的事故，因此對(duì)中水浮拱浮力艙進(jìn)行破艙分析是一項(xiàng)很有意義的工作.

浮力艙4個(gè)艙室的設(shè)計(jì)容積相等.根據(jù)浮力艙的基本設(shè)計(jì)參數(shù)可知，在破損一個(gè)艙室后雙浮力艙式中水浮拱的凈浮力為39.7 t，滿足保持LazyS型線型布置的凈浮力要求.

假設(shè)浮力艙端部艙室破損，ANSYS模型可以將端部艙室去掉，視為水壓直接作用在破損艙室內(nèi)部隔板處.端部艙室破損模型和應(yīng)力分布見(jiàn)圖6.

由圖6可知，在端部艙室破損后隔板與艙體連接邊緣應(yīng)力值達(dá)到647.786 MPa，遠(yuǎn)大于材料的許用應(yīng)力值，是因?yàn)楦舭迮c艙體連接處轉(zhuǎn)角為90°，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象.為阻止浮力艙在破損1個(gè)艙室后繼續(xù)造成破艙效應(yīng)而使中水浮拱整體遭到破壞，需要在內(nèi)部

由圖7可知，修改倒角半徑后的浮力艙應(yīng)力值為340.07 MPa，小于材料的許用應(yīng)力值，滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求.內(nèi)部隔板與外艙體的倒角半徑?jīng)Q定隔板在承受靜水壓力時(shí)應(yīng)力集中程度，倒角半徑過(guò)小不能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，倒角半徑過(guò)大會(huì)增加浮力艙自身質(zhì)量，因此得到一個(gè)合適的倒角半徑大小非常重要，在端部破損情況下承受靜水壓力時(shí)應(yīng)力倒角半徑曲線見(jiàn)圖8.

3結(jié)論

針對(duì)應(yīng)用于淺水動(dòng)態(tài)柔性管/纜系統(tǒng)的中水浮拱浮力艙的結(jié)構(gòu)展開(kāi)研究，給出浮力艙結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)，研究中水浮拱的浮力艙壁厚對(duì)強(qiáng)度和質(zhì)量的變化規(guī)律，浮力艙破艙對(duì)整體性能和強(qiáng)度的影響，以及內(nèi)部隔板和外艙體連接處的倒角對(duì)浮力艙強(qiáng)度的變化規(guī)律，主要得到以下結(jié)論.

（1）在中水浮拱浮力艙基本外形尺寸確定的情況下，浮力艙的壁厚對(duì)其強(qiáng)度和質(zhì)量起決定性的作用.在同樣工作水深處，隨著壁厚的增大，浮力艙的強(qiáng)度將顯著增大，自身應(yīng)力呈現(xiàn)非線性減?。粡哪潮诤駭?shù)值開(kāi)始，減小的趨勢(shì)逐漸降低，最后趨于穩(wěn)定.隨著壁厚的增大，浮力艙的質(zhì)量線性增加.在對(duì)浮力艙進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮浮力艙的自身強(qiáng)度，又要考慮其凈浮力要求，壁厚的選擇對(duì)中水浮拱整體性能產(chǎn)生很大的影響.

（2）中水浮拱的作用是產(chǎn)生一定的浮力，浮力艙的破損會(huì)使其凈浮力降低，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)造成非常嚴(yán)重的影響.在破損1個(gè)艙室的情況下，凈浮力仍然滿足要求，如果搶修及時(shí)則不會(huì)對(duì)管/纜等生產(chǎn)系統(tǒng)造成過(guò)大傷害；當(dāng)2個(gè)艙室破損時(shí)，凈浮力損失25%，不能夠滿足設(shè)計(jì)要求，中水浮拱會(huì)整體沉沒(méi).

（3）內(nèi)部隔板與外艙體之間如果不采用倒角連接，在艙室破損水壓直接作用于隔板上時(shí)，將會(huì)在連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而繼續(xù)擴(kuò)大破艙效應(yīng).最大應(yīng)力隨著倒角半徑的逐漸增大而呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，但是同樣會(huì)增加自身的質(zhì)量.選擇合適的倒角半徑會(huì)相應(yīng)提高中水浮拱的整體性能.參考文獻(xiàn)：

[1]孫麗萍， 周佳， 王佳琦. 深水柔性立管的緩波型布置及參數(shù)敏感性分析[J]. 中國(guó)海洋平臺(tái)， 2011， 26（3）： 3742.

SUN Liping， ZHOU Jia， WANG Jiaqi. Lazy wave configuration and parameter sensitivity analysis of deepwater flexible riser[J]. China Offshore Platform， 2011， 26（3）： 3742.

[2]劉小艷. 面向目標(biāo)油田的動(dòng)態(tài)管纜線型設(shè)計(jì)與分析[D].大連： 大連理工大學(xué)， 2012： 2022.

[3]陳金龍. 海洋動(dòng)態(tài)臍帶纜的整體設(shè)計(jì)與分析[D]. 大連： 大連理工大學(xué)， 2011： 3132.

[4]ASME. 鍋爐和壓力容器規(guī)范： 第VIII卷： 第一冊(cè)： 壓力容器[S]. 1986.

[5]康莊， 賈魯生， 孫麗萍， 等. 深水塔式立管頂部浮力筒設(shè)計(jì)分析方法[J]. 中國(guó)造船， 2011， 52（4）： 118128.

KANG Zhuang， JIA Lusheng， SUN Liping， et al. Design and analysis methodology of single line offset riser buoyancy can[J]. Shipbuilding China， 2011， 52（4）： 118128.

[6]劉佳寧. 自由站立式立管浮力筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工程大學(xué)， 2011.

[7]董大勤， 袁鳳隱. 壓力容器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2005： 183308.

[8]孫儒榮. 外壓圓筒的計(jì)算圖表[J]. 化工設(shè)備設(shè)計(jì)， 1981， 18（2）： 110.

SUN Rurong. Calculation chart of cylinder under external pressure[J]. Chem Equipment Des， 1981， 18（2）： 110.

[9]黃澤淦. 外壓球殼和凸形封頭的計(jì)算圖表[J]. 化工設(shè)備設(shè)計(jì)， 1981， 18（6）： 18.

HUANG Zegan. Calculation charts of spherical shell under external pressure and convex head[J]. Chem Equipment Des， 1981， 18（6）： 18.

[10]COLIN R， BERTRAND V. Hydrodynamic loading on middle water arch structures[C]//Proc ASME 2011 30th Int Conf Ocean， Offshore & Arctic Eng. Netherlands： 2011.（編輯武曉英）

2.2浮力艙壁厚對(duì)強(qiáng)度和質(zhì)量的影響

中水浮拱浮力艙的強(qiáng)度分析主要采用ANSYS建模分析，有限元模型為簡(jiǎn)易模型，見(jiàn)圖3，包含外壓力艙與內(nèi)部分艙隔板.

（a）完整模型（b）橫切剖面圖

（1）浮力艙的應(yīng)力隨艙壁厚度的增大而呈現(xiàn)非線性減小，從壁厚為5 mm開(kāi)始，減小的趨勢(shì)逐漸降低，最后趨于穩(wěn)定.

（2）浮力艙的質(zhì)量隨艙壁厚度的變大而呈現(xiàn)線性增大.

因此，增大壁厚雖然能夠增大浮力艙的強(qiáng)度，但是自身質(zhì)量也相應(yīng)增大，使其所提供的凈浮力下降；減小壁厚能夠提高浮力艙的浮力性能，卻會(huì)使其承壓能力降低.由此，根據(jù)上述規(guī)律進(jìn)行艙壁厚度的合理選擇.根據(jù)規(guī)范[4]和動(dòng)態(tài)柔性管/纜的凈浮力要求可知初步給定的壁厚參數(shù)符合要求.

2.3中水浮拱浮力艙的艙室破損分析

2.3.1破損1個(gè)艙室

中水浮拱是提供浮力的裝置，如果中水浮拱的浮力艙由于某種原因破損，導(dǎo)致艙室進(jìn)水，那么中水浮拱系統(tǒng)所提供的凈浮力可能無(wú)法滿足動(dòng)態(tài)柔性管/纜系統(tǒng)的要求，進(jìn)而導(dǎo)致整體沉沒(méi)，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)造成非常嚴(yán)重的事故，因此對(duì)中水浮拱浮力艙進(jìn)行破艙分析是一項(xiàng)很有意義的工作.

浮力艙4個(gè)艙室的設(shè)計(jì)容積相等.根據(jù)浮力艙的基本設(shè)計(jì)參數(shù)可知，在破損一個(gè)艙室后雙浮力艙式中水浮拱的凈浮力為39.7 t，滿足保持LazyS型線型布置的凈浮力要求.

假設(shè)浮力艙端部艙室破損，ANSYS模型可以將端部艙室去掉，視為水壓直接作用在破損艙室內(nèi)部隔板處.端部艙室破損模型和應(yīng)力分布見(jiàn)圖6.

由圖6可知，在端部艙室破損后隔板與艙體連接邊緣應(yīng)力值達(dá)到647.786 MPa，遠(yuǎn)大于材料的許用應(yīng)力值，是因?yàn)楦舭迮c艙體連接處轉(zhuǎn)角為90°，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象.為阻止浮力艙在破損1個(gè)艙室后繼續(xù)造成破艙效應(yīng)而使中水浮拱整體遭到破壞，需要在內(nèi)部

由圖7可知，修改倒角半徑后的浮力艙應(yīng)力值為340.07 MPa，小于材料的許用應(yīng)力值，滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求.內(nèi)部隔板與外艙體的倒角半徑?jīng)Q定隔板在承受靜水壓力時(shí)應(yīng)力集中程度，倒角半徑過(guò)小不能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，倒角半徑過(guò)大會(huì)增加浮力艙自身質(zhì)量，因此得到一個(gè)合適的倒角半徑大小非常重要，在端部破損情況下承受靜水壓力時(shí)應(yīng)力倒角半徑曲線見(jiàn)圖8.

3結(jié)論

針對(duì)應(yīng)用于淺水動(dòng)態(tài)柔性管/纜系統(tǒng)的中水浮拱浮力艙的結(jié)構(gòu)展開(kāi)研究，給出浮力艙結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)，研究中水浮拱的浮力艙壁厚對(duì)強(qiáng)度和質(zhì)量的變化規(guī)律，浮力艙破艙對(duì)整體性能和強(qiáng)度的影響，以及內(nèi)部隔板和外艙體連接處的倒角對(duì)浮力艙強(qiáng)度的變化規(guī)律，主要得到以下結(jié)論.

（1）在中水浮拱浮力艙基本外形尺寸確定的情況下，浮力艙的壁厚對(duì)其強(qiáng)度和質(zhì)量起決定性的作用.在同樣工作水深處，隨著壁厚的增大，浮力艙的強(qiáng)度將顯著增大，自身應(yīng)力呈現(xiàn)非線性減??；從某壁厚數(shù)值開(kāi)始，減小的趨勢(shì)逐漸降低，最后趨于穩(wěn)定.隨著壁厚的增大，浮力艙的質(zhì)量線性增加.在對(duì)浮力艙進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮浮力艙的自身強(qiáng)度，又要考慮其凈浮力要求，壁厚的選擇對(duì)中水浮拱整體性能產(chǎn)生很大的影響.

（2）中水浮拱的作用是產(chǎn)生一定的浮力，浮力艙的破損會(huì)使其凈浮力降低，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)造成非常嚴(yán)重的影響.在破損1個(gè)艙室的情況下，凈浮力仍然滿足要求，如果搶修及時(shí)則不會(huì)對(duì)管/纜等生產(chǎn)系統(tǒng)造成過(guò)大傷害；當(dāng)2個(gè)艙室破損時(shí)，凈浮力損失25%，不能夠滿足設(shè)計(jì)要求，中水浮拱會(huì)整體沉沒(méi).

（3）內(nèi)部隔板與外艙體之間如果不采用倒角連接，在艙室破損水壓直接作用于隔板上時(shí)，將會(huì)在連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而繼續(xù)擴(kuò)大破艙效應(yīng).最大應(yīng)力隨著倒角半徑的逐漸增大而呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，但是同樣會(huì)增加自身的質(zhì)量.選擇合適的倒角半徑會(huì)相應(yīng)提高中水浮拱的整體性能.參考文獻(xiàn)：

[1]孫麗萍， 周佳， 王佳琦. 深水柔性立管的緩波型布置及參數(shù)敏感性分析[J]. 中國(guó)海洋平臺(tái)， 2011， 26（3）： 3742.

SUN Liping， ZHOU Jia， WANG Jiaqi. Lazy wave configuration and parameter sensitivity analysis of deepwater flexible riser[J]. China Offshore Platform， 2011， 26（3）： 3742.

[2]劉小艷. 面向目標(biāo)油田的動(dòng)態(tài)管纜線型設(shè)計(jì)與分析[D].大連： 大連理工大學(xué)， 2012： 2022.

[3]陳金龍. 海洋動(dòng)態(tài)臍帶纜的整體設(shè)計(jì)與分析[D]. 大連： 大連理工大學(xué)， 2011： 3132.

[4]ASME. 鍋爐和壓力容器規(guī)范： 第VIII卷： 第一冊(cè)： 壓力容器[S]. 1986.

[5]康莊， 賈魯生， 孫麗萍， 等. 深水塔式立管頂部浮力筒設(shè)計(jì)分析方法[J]. 中國(guó)造船， 2011， 52（4）： 118128.

KANG Zhuang， JIA Lusheng， SUN Liping， et al. Design and analysis methodology of single line offset riser buoyancy can[J]. Shipbuilding China， 2011， 52（4）： 118128.

[6]劉佳寧. 自由站立式立管浮力筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工程大學(xué)， 2011.

[7]董大勤， 袁鳳隱. 壓力容器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2005： 183308.

[8]孫儒榮. 外壓圓筒的計(jì)算圖表[J]. 化工設(shè)備設(shè)計(jì)， 1981， 18（2）： 110.

SUN Rurong. Calculation chart of cylinder under external pressure[J]. Chem Equipment Des， 1981， 18（2）： 110.

[9]黃澤淦. 外壓球殼和凸形封頭的計(jì)算圖表[J]. 化工設(shè)備設(shè)計(jì)， 1981， 18（6）： 18.

HUANG Zegan. Calculation charts of spherical shell under external pressure and convex head[J]. Chem Equipment Des， 1981， 18（6）： 18.

[10]COLIN R， BERTRAND V. Hydrodynamic loading on middle water arch structures[C]//Proc ASME 2011 30th Int Conf Ocean， Offshore & Arctic Eng. Netherlands： 2011.（編輯武曉英）

2.2浮力艙壁厚對(duì)強(qiáng)度和質(zhì)量的影響

中水浮拱浮力艙的強(qiáng)度分析主要采用ANSYS建模分析，有限元模型為簡(jiǎn)易模型，見(jiàn)圖3，包含外壓力艙與內(nèi)部分艙隔板.

（a）完整模型（b）橫切剖面圖

（1）浮力艙的應(yīng)力隨艙壁厚度的增大而呈現(xiàn)非線性減小，從壁厚為5 mm開(kāi)始，減小的趨勢(shì)逐漸降低，最后趨于穩(wěn)定.

（2）浮力艙的質(zhì)量隨艙壁厚度的變大而呈現(xiàn)線性增大.

因此，增大壁厚雖然能夠增大浮力艙的強(qiáng)度，但是自身質(zhì)量也相應(yīng)增大，使其所提供的凈浮力下降；減小壁厚能夠提高浮力艙的浮力性能，卻會(huì)使其承壓能力降低.由此，根據(jù)上述規(guī)律進(jìn)行艙壁厚度的合理選擇.根據(jù)規(guī)范[4]和動(dòng)態(tài)柔性管/纜的凈浮力要求可知初步給定的壁厚參數(shù)符合要求.

2.3中水浮拱浮力艙的艙室破損分析

2.3.1破損1個(gè)艙室

中水浮拱是提供浮力的裝置，如果中水浮拱的浮力艙由于某種原因破損，導(dǎo)致艙室進(jìn)水，那么中水浮拱系統(tǒng)所提供的凈浮力可能無(wú)法滿足動(dòng)態(tài)柔性管/纜系統(tǒng)的要求，進(jìn)而導(dǎo)致整體沉沒(méi)，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)造成非常嚴(yán)重的事故，因此對(duì)中水浮拱浮力艙進(jìn)行破艙分析是一項(xiàng)很有意義的工作.

浮力艙4個(gè)艙室的設(shè)計(jì)容積相等.根據(jù)浮力艙的基本設(shè)計(jì)參數(shù)可知，在破損一個(gè)艙室后雙浮力艙式中水浮拱的凈浮力為39.7 t，滿足保持LazyS型線型布置的凈浮力要求.

假設(shè)浮力艙端部艙室破損，ANSYS模型可以將端部艙室去掉，視為水壓直接作用在破損艙室內(nèi)部隔板處.端部艙室破損模型和應(yīng)力分布見(jiàn)圖6.

由圖6可知，在端部艙室破損后隔板與艙體連接邊緣應(yīng)力值達(dá)到647.786 MPa，遠(yuǎn)大于材料的許用應(yīng)力值，是因?yàn)楦舭迮c艙體連接處轉(zhuǎn)角為90°，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象.為阻止浮力艙在破損1個(gè)艙室后繼續(xù)造成破艙效應(yīng)而使中水浮拱整體遭到破壞，需要在內(nèi)部

由圖7可知，修改倒角半徑后的浮力艙應(yīng)力值為340.07 MPa，小于材料的許用應(yīng)力值，滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求.內(nèi)部隔板與外艙體的倒角半徑?jīng)Q定隔板在承受靜水壓力時(shí)應(yīng)力集中程度，倒角半徑過(guò)小不能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，倒角半徑過(guò)大會(huì)增加浮力艙自身質(zhì)量，因此得到一個(gè)合適的倒角半徑大小非常重要，在端部破損情況下承受靜水壓力時(shí)應(yīng)力倒角半徑曲線見(jiàn)圖8.

3結(jié)論

針對(duì)應(yīng)用于淺水動(dòng)態(tài)柔性管/纜系統(tǒng)的中水浮拱浮力艙的結(jié)構(gòu)展開(kāi)研究，給出浮力艙結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)，研究中水浮拱的浮力艙壁厚對(duì)強(qiáng)度和質(zhì)量的變化規(guī)律，浮力艙破艙對(duì)整體性能和強(qiáng)度的影響，以及內(nèi)部隔板和外艙體連接處的倒角對(duì)浮力艙強(qiáng)度的變化規(guī)律，主要得到以下結(jié)論.

（1）在中水浮拱浮力艙基本外形尺寸確定的情況下，浮力艙的壁厚對(duì)其強(qiáng)度和質(zhì)量起決定性的作用.在同樣工作水深處，隨著壁厚的增大，浮力艙的強(qiáng)度將顯著增大，自身應(yīng)力呈現(xiàn)非線性減??；從某壁厚數(shù)值開(kāi)始，減小的趨勢(shì)逐漸降低，最后趨于穩(wěn)定.隨著壁厚的增大，浮力艙的質(zhì)量線性增加.在對(duì)浮力艙進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮浮力艙的自身強(qiáng)度，又要考慮其凈浮力要求，壁厚的選擇對(duì)中水浮拱整體性能產(chǎn)生很大的影響.

（2）中水浮拱的作用是產(chǎn)生一定的浮力，浮力艙的破損會(huì)使其凈浮力降低，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)造成非常嚴(yán)重的影響.在破損1個(gè)艙室的情況下，凈浮力仍然滿足要求，如果搶修及時(shí)則不會(huì)對(duì)管/纜等生產(chǎn)系統(tǒng)造成過(guò)大傷害；當(dāng)2個(gè)艙室破損時(shí)，凈浮力損失25%，不能夠滿足設(shè)計(jì)要求，中水浮拱會(huì)整體沉沒(méi).

（3）內(nèi)部隔板與外艙體之間如果不采用倒角連接，在艙室破損水壓直接作用于隔板上時(shí)，將會(huì)在連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而繼續(xù)擴(kuò)大破艙效應(yīng).最大應(yīng)力隨著倒角半徑的逐漸增大而呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，但是同樣會(huì)增加自身的質(zhì)量.選擇合適的倒角半徑會(huì)相應(yīng)提高中水浮拱的整體性能.參考文獻(xiàn)：

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