半潛船計算壓頭選取方法研究

張潤華,　王　媛,　潘忠兵,　郭建軍

(中國船級社上海分社，上海 200135)

半潛船計算壓頭選取方法研究

張潤華,王媛,潘忠兵,郭建軍

(中國船級社上海分社，上海 200135)

摘要:考慮到半潛船的沉浮作業(yè)特點和結(jié)構(gòu)形式與普通甲板運輸船有所不同，針對半潛船特性重點分析了局部強度校核中計算壓頭h的選取方法，以及沉浮曲線的使用缺陷。通過對實船局部強度的計算結(jié)果進行對比分析，并參考挪威船級社的規(guī)范要求，討論適合于半潛船船體構(gòu)件局部強度計算壓頭的選取方法，為半潛船提供較為準(zhǔn)確的局部強度評估方法，以利于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

關(guān)鍵詞:半潛船;局部強度;計算壓頭;沉浮作業(yè)

0引言

隨著海洋能源開發(fā)活動日益頻繁，用于海洋開發(fā)設(shè)備調(diào)遣和海上救撈的特種船舶的市場前景廣闊。在當(dāng)前船舶市場不景氣的環(huán)境下，海工市場卻在日益壯大，特種船舶將成為船舶市場的新亮點[1]。

半潛船作為裝運大型海工設(shè)施的特種船舶，商業(yè)價值較高,在向大型化方向發(fā)展的同時，對其結(jié)構(gòu)安全性有著很高的要求[2]。

中國船級社《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》2012年規(guī)范[3](以下簡稱2012鋼規(guī))給出了半潛船局部強度的校核方法。其中，船體局部強度的校核主要依賴于計算壓頭h的選取，但h的選取方法沒有完全反映半潛船沉浮作業(yè)的特點和多層壓載艙的設(shè)計特點，且2012鋼規(guī)要求提供的沉浮曲線也無法準(zhǔn)確反映半潛船在沉浮作業(yè)過程中各壓載艙所承受的最大壓差。

通過研究半潛船壓載艙實際承受載荷的類型和沉浮曲線在h選取中的作用，對比不同船級社的半潛船規(guī)范要求，并以38 000 DWT半潛船(布置圖見圖1，主尺度見表1)和5 000 DWT半潛駁(布置圖見圖2，主尺度見表2)為例進行實船計算及結(jié)果分析，提出了適合中國船級社半潛船規(guī)范局部強度計算方法的改進意見，為未來半潛船規(guī)范內(nèi)容的修訂提供技術(shù)支持。

圖1　某38 000 DWT半潛船總布置圖

表1　某38 000 DWT半潛船主尺度以及主要參數(shù)

表2　某5 000 DWT半潛駁主尺度以及主要參數(shù)

1壓載艙載荷介紹

半潛船主甲板以下布置有大量壓載水艙，以實現(xiàn)半潛船的上浮與下潛。壓載艙的h的選取主要取決于排壓載方式，目前常見的壓載方式有壓載水泵、靜水(重力)壓力、壓縮空氣3種，各有利弊(見表3)。

表3　半潛船壓載方式的比較

一般而言，由壓縮空氣排放法確定的最大設(shè)計壓力為壓縮空氣壓力與壓載艙深度之和，再把設(shè)計壓力換算成相當(dāng)?shù)乃畨侯^。其他確定壓載水艙的最大壓力(或計算壓頭)的排壓載方式則是按照2012鋼規(guī)的要求,根據(jù)艙頂與空氣管伸出高度(深艙要求)或可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外水壓差確定。

2沉浮曲線介紹[4]

半潛船的工作原理是利用自身排水量的變化來抬舉貨物，使貨物被安全地運送到目的地，和浮船塢工作原理十分相似，因此半潛船規(guī)范也引入“沉浮曲線”作為船體結(jié)構(gòu)設(shè)計參考。沉浮曲線(見圖3)可以直觀地反映船舶排水量和壓載水量在船舶沉浮過程中隨吃水的變化情況，其不僅是對常規(guī)的靜水力曲線圖的補充和完善，還反映了各狀態(tài)下的內(nèi)外水壓差以及干舷等吃水變化情況(見圖3)。

圖2　某5 000 DWT半潛駁總布置圖

3h的選取方法分析

h的選取直接影響半潛船局部構(gòu)件的尺寸，是決定半潛船的設(shè)計重量的關(guān)鍵因素之一。2012鋼規(guī)要求半潛船局部強度計算應(yīng)分別按照航行工況和沉浮作業(yè)工況進行校核，不同工況下h的選取方法不同。

3.1航行工況

2012鋼規(guī)要求航行工況下的h應(yīng)按深艙選取，由于半潛船沉浮作業(yè)的特殊性，壓載艙空氣管一般都高出艏樓甲板，遠遠高于舉升甲板，如果所有壓載艙結(jié)構(gòu)都按照深艙要求設(shè)計,會增加船體結(jié)構(gòu)的重量。

注：曲線A為船排水量隨吃水的變化曲線；曲線B為空船重量加壓載水重量隨載水深度的變化曲線；曲線C為空船重量加貨物重量再加上壓載水重量隨載水深度的變化曲線；曲線D為船排水量加貨物排水量隨吃水的變化曲線(起點在A曲線到達浮箱甲板上墊木高度時的位置)。

圖3某半潛船沉浮曲線

為利于半潛船在航行狀態(tài)和沉浮作業(yè)時調(diào)整縱傾，將壓載水艙在高度方向分上、中、下3層(見圖1)，重心高度差異明顯，可根據(jù)貨物重心高度的不同靈活選用不同高度的壓載水艙，以達到既保證穩(wěn)性又不產(chǎn)生劇烈搖擺的目標(biāo)。部分壓載艙和艉浮箱僅在半潛船沉浮作業(yè)時才會被使用，船舶航行過程中均為空艙。表4總結(jié)了某38 000 DWT半潛船(該船主尺度及主要參數(shù)見表1)各航行工況下使用壓載艙的情況，從表4可以看出，舉升甲板下的最上層壓載艙的除了壓載艙WB7WUP和WB7WUS外，其他壓載艙在航行工況下并沒有被使用過，包括船艏部分壓載艙和艉浮箱。因此,這些空艙周界的板材在半潛船航行過程中不承受壓載水壓力。

3.2沉浮作業(yè)工況

根據(jù)2012鋼規(guī)的要求，半潛船沉浮作業(yè)工況下h的選取主要考慮壓載艙可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外水壓差或壓縮空氣的相當(dāng)計算壓頭(見表5)。當(dāng)半潛船的排壓載方式是壓縮空氣時，h為確定值。這里重點討論用最大內(nèi)外水壓差作為計算壓頭的選取辦法。

如表5第1項所示，若半潛船不采用壓縮空氣排壓載水，則其外側(cè)圍壁結(jié)構(gòu)位置的最大內(nèi)外壓差應(yīng)從沉浮曲線中讀出。圖3為某半潛船的沉浮曲線，兩條陰影曲線分別表示空船沉浮工況下的內(nèi)外水壓差和載貨量4 000 t沉浮工況下的內(nèi)外水壓差?？紤]到半潛船裝載的特定貨物為沉箱，在沉浮作業(yè)過程中沉箱的排水量計入該船總排水量，則從此沉浮曲線中得到該半潛船在沉浮作業(yè)時的壓載艙外圍壁承受的最大內(nèi)外水壓差為9.2 m。

上述普通沉浮曲線僅能反映平均壓載水深和外部吃水的變化，無法反映半潛船每個壓載艙內(nèi)外水壓差的變化，也就不能準(zhǔn)確校核每個壓載艙周界板材的局部強度。雖然沉浮曲線中最大內(nèi)外水壓差為9.2 m，但從該船沉浮操作手冊中讀出的相關(guān)數(shù)據(jù)表明部分壓載艙圍壁所承受的壓差≥9.2 m(見表6)。

因此,為了使半潛船的結(jié)構(gòu)設(shè)計更加優(yōu)化合理，h的選取應(yīng)根據(jù)實際情況分析，具體選取方法為：

(1) 依據(jù)壓載艙的實際用途校核局部強度;

(2) 在沉浮操作手冊中讀取各壓載艙準(zhǔn)確的最大壓差作為h。

表4　某半潛船各航行工況下壓載艙配載總結(jié)表

表5　2012鋼規(guī)半潛船沉浮作業(yè)工況下h的選取方法

表6　某半潛船沉浮工況內(nèi)外水壓差比較表

4實船計算結(jié)果對比

目前挪威船級社和中國船級社的相關(guān)規(guī)范都有針對半潛船局部強度校核的具體規(guī)定。以某半潛船和某半潛駁為例，根據(jù)2012鋼規(guī)的要求和挪威船級社半潛船規(guī)范Local strength的要求，分別對兩船在沉浮作業(yè)工況下使用的壓載艙周界板格進行局部強度校核，通過對計算結(jié)果進行分析比較，證明研究結(jié)果的合理性。實船計算結(jié)果內(nèi)容見表7和表8。

表7　某半潛駁塔樓圍壁板局部強度計算結(jié)果對比

表8　某半潛船艉浮箱圍壁板局部強度計算結(jié)果對比

圖4　某半潛駁塔樓圍壁板厚度計算值對比圖

圖5　某半潛船艉浮箱圍壁板厚計算值對比圖

h選取計算板厚對比最大壓差/m深艙壓頭/m兩者計算結(jié)果平均偏離值/%某半潛駁1017.628某半潛船1113.012

由以上圖表中的數(shù)據(jù)可知：

(1) 艉浮箱或塔樓的圍壁板厚度按深艙要求的計算值要大于按內(nèi)外壓差作為計算壓頭的計算值，半潛駁塔樓圍壁板最為明顯(見圖4);

(2) 用內(nèi)外最大壓差作為壓頭的計算結(jié)果與挪威船級社規(guī)范較為接近;

(3) 對于沉浮作業(yè)中必須使用的壓載艙,可按最大內(nèi)外壓差作為h，但必須在操作手冊中寫明;

(4) 如所有壓載艙均按深艙要求設(shè)計，可能會大大增加結(jié)構(gòu)重量(見表9)。

5結(jié)語

通過對半潛船計算壓頭的選取方法進行討論以及對實船計算的結(jié)果進行對比分析，得到以下結(jié)論：

1) 由于半潛船沉浮曲線反映的是內(nèi)部壓載艙的平均壓載水深度和外部吃水差，若以最大內(nèi)外水壓差作為計算壓頭，則依據(jù)沉浮曲線選取計算壓頭不能準(zhǔn)確反映每個壓載艙周界所承受的最大壓差，也不利于大型半潛船船體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

2) 為了使參照2012鋼規(guī)要求設(shè)計的半潛船能更好地體現(xiàn)其船型特點，應(yīng)按照半潛船航行工況和沉浮作業(yè)工況中每個壓載艙的實際用途及周界構(gòu)件所承受的載荷組合校核船體結(jié)構(gòu)局部強度。

3) 設(shè)計方可提供各個壓載艙的設(shè)計壓頭，并說明設(shè)計壓頭的選取依據(jù)，然后按照給出的設(shè)計壓頭確定板材尺寸。當(dāng)給出的設(shè)計壓頭小于極限內(nèi)外水壓差(最大深沉-壓載艙艙底高度)時，需要在完工的裝載手冊和操作手冊中說明對應(yīng)壓載艙的最大內(nèi)外水壓差，并據(jù)此限制沉浮裝載工況。比如在操作手冊中寫明：該壓載艙不允許在沉浮時排空，即不允許出現(xiàn)最大壓差超過設(shè)計壓頭的情況。

參考文獻：

[1]王立峰.半潛船及其在海洋運輸業(yè)中的作用與發(fā)展前景[J].中國港灣建設(shè),2011(5): 75-79.

[2]遲少艷,楊青. 38 000 噸級自航半潛船結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 上海造船, 2011(4): 17-20.

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

[4]董韓揚. 浮船塢的沉浮曲線圖[J]. 造船技術(shù)，1999(1)：28-29.

收稿日期：2014-10-15

基金項目：中國船級社上海分社科技項目“半潛船規(guī)范適用性研究”(SHKY13-02)

作者簡介：張潤華(1985—)，男，碩士，工程師，主要從事船體審圖工作。

文章編號：1674-5949(2015)01-013-07

中圖分類號：U674.941

文獻標(biāo)志碼：A

Choice of Pressure Head in Designing Submersible Ships

ZhangRunhua，WangYuan，PanZhongbing，GuoJianjun

(China Classification Society，Shanghai 200135，China)

Abstract:This paper focuses on chosing the pressure head in local structural strength check of the semi-submersible ship, which can work in submerged condition at times, therefore, has special structural features making the merging curve difficult to use. The appropriate value of the pressure head is chosen through analyzing calculated data of real ships according to the rules for semi-submersible vessels by CCS and DNV.

Key words:semi-submersible vessel; local structural strengths; pressure head, merging