潛水支持船減壓艙和船艏舷側加強結構設計

董晨霞

(天海融合防務裝備技術股份有限公司，上海 201612)

0 引言

近年來，海上油氣資源開發(fā)向更深海域發(fā)展，高規(guī)格的深水船舶需求日益增加。飽和潛水支持船作為海洋工程支持船舶中的高端裝備，能夠為潛水人員創(chuàng)造適宜的工作環(huán)境，使其在高壓強條件下完成水下安裝、檢查和維修等作業(yè)。該船型廣泛應用于海底施工作業(yè)、水下資源勘探、搜救作業(yè)等領域，具有廣闊的市場前景。

飽和潛水系統(tǒng)由減壓艙、氦氧混合氣體儲存罐、氣體凈化系統(tǒng)、潛水鐘、潛水鐘回收釋放系統(tǒng)、生命支持系統(tǒng)、應急逃生系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。減壓艙作為飽和潛水系統(tǒng)中的一個特殊設備，工作人員下潛工作前后均需在減壓艙內加減壓或等待下批工作安排。為了保證減壓艙的正常使用，其下端的加強結構除必須滿足規(guī)范強度要求外，還應滿足額外的變形量要求。本文以設置單套潛水設備的船型二為例，選取減壓艙下端的加強結構基于規(guī)范的要求和設備使用的要求對其設計進行闡述，船型一的雙套潛水設備中的每套減壓艙的加強結構設計與船型二同理。

另外，基于DNA船級社對于潛水支持船艏舷側結構的要求不同于CCS船級社和ABS船級社，本文選取入級DNV船級社的船型一作為研究對象，對其船首舷側結構設計的不同要求進行闡述。

1 兩種船型的介紹

1.1 船型一

(1)主尺度：總長124 m，型寬24 m，設計吃水6.5 m，型深10.2 m。

(2)主要設備：設有2臺艉部全回轉推進器、2臺艏部伸縮式推進器和2臺艏部管道式側推；1臺主吊機、1臺副吊機；固定式24人雙鐘300 m水深飽和潛水系統(tǒng)以及空氣潛水作業(yè)系統(tǒng)。

(3)結構形式：雙底、雙殼，兩層連續(xù)甲板，船艏設有長艏樓和五層甲板室及一個直升機平臺。

(4)入級船級社：CCS/DNV。

1.2 船型二

(1)主尺度：總長93.6 m，型寬23 m，設計吃水6.0 m，型深8.6 m。

(2)主要設備：設有2臺艉部全回轉推進器、1臺艏部折翼式推進器和2臺艏部管道式側推；1臺主吊機、1臺副吊機； 固定式12人單鐘300 m水深飽和潛水系統(tǒng)以及空氣潛水作業(yè)系統(tǒng)。

(3)結構形式：雙底、雙殼，兩層連續(xù)甲板，船艏設有長艏樓和三層甲板室及一個直升機平臺。

(4)入級船級社：ABS。

2 減壓艙基座及下端加強結構設計

船型一和船型二每套潛水設備各配有3個減壓艙，減壓艙之間通過連接管路連接。由于減壓艙內部有一定的壓強，為防止氣體泄漏造成艙室內壓強的變化，因而對連接管與設備的密封性要求比較高?；跍p壓艙之間對接精度要求高，且船體變形不能影響對接精度，因而對減壓艙下的支撐結構提出了比較高的要求，以保證在航行過程中不論中拱狀態(tài)或中垂狀態(tài)下任意一個減壓艙和鄰近減壓艙的下支撐結構之間的相對變形量最大不能超過1 mm?？紤]到減壓艙的上述要求，必須對該區(qū)域結構采取加強、加密處理措施，即在設備下方增加了強構件及支柱等主要支撐結構，并進行一系列的強度和變形分析來保證達到上述要求。

2.1 減壓艙基座及下端加強結構強度分析

對減壓艙基座及下端加強結構采用三維有限元模型進行強度分析時，為減小邊界條件對模型計算結果的影響，所取邊界距離評估目標保留一定的距離。模型縱向范圍選取了減壓室前后各半個艙室；橫向范圍選取了從左舷到右舷；垂向范圍選取了船底到平臺甲板以上約2 400 mm的范圍(減壓艙放置在平臺甲板上)。模型中涵蓋了該范圍內的所有板、縱、橫強框架、縱骨等構件。模型中網(wǎng)格大小約為1/2的骨材間距。模型中縱骨、強構件面板、支柱、扶強材采用梁單元，其余構件采用板單元。模型示意圖如圖1所示，減壓艙與基座及下端加強結構連接示意圖如圖2所示。

圖1 模型示意圖

圖2 減壓艙與基座及下端加強結構連接示意圖

2.1.1模型載荷

根據(jù)ABS規(guī)范第5篇第5章，設計載荷應不小于下述值：

垂向載荷PV=0.102(x-L/70)W

縱向載荷PL=橫向載荷PT=0.5W

式中：x為系數(shù)，實取x=15；L為結構船長，L=87.35 m;W為設備重量，W=2 551 N(選取最重的減壓艙)。

經(jīng)計算，PV=3 578 N，PL=PT=1 276 N。

2.1.2邊界條件

邊界條件考慮了線位移約束<0,0,0>，角位移約束<0,0,0>。邊界示意如圖3所示。

圖3 邊界示意圖

2.1.3許用應力

板單元和梁單元相當應力σe=0.7Y，板單元剪應力τ=0.4Y。

式中：Y為材料屈服應力，普通鋼取235 MPa。

經(jīng)計算，σe=164.5 MPa，τ=94 MPa。

2.1.4校核結果

板單元的相當應力最大值為47.5 MPa<σe; 板單元剪應力最大值為25.4 MPa<τ；梁單元相當應力最大值為39.1 MPa<σe。

2.2 減壓艙基座及下端加強結構變形分析

減壓艙基座及下端加強結構采用三維有限元模型對其變形進行分析。模型縱向范圍選取了減壓室前后各半個艙室；橫向范圍選取了從左舷到右舷；垂向范圍選取了船底到主甲板。模型中涵蓋了該范圍內的所有板、縱橫強框架、縱骨等構件。模型中網(wǎng)格大小約為1個骨材間距。模型中縱骨、強構件面板、支柱、扶強材采用梁單元，其余構件采用板單元。

2.2.1模型載荷

2.2.1.1舷外水壓力

舷外水壓力考慮了船舶的結構吃水高度的舷外載荷，其示意圖如圖4所示。

圖4 舷外載荷示意圖

2.2.1.2設備載荷

減壓艙的重量分別為236、236、255 kN。模型加載中考慮了1.5倍的載荷系數(shù)，其示意圖如圖5所示。

圖5 設備載荷示意圖

2.2.1.3重量分布

有限元模型中重量分布考慮了核算區(qū)域的所有設備、鋼結構、舾裝設備、壓載水、油水等重量。

2.2.1.4邊界彎矩

考慮到船舶在航行過程中，船體產(chǎn)生的總縱彎曲對設備底座區(qū)域的變形量有一定的影響，模型中模擬了該區(qū)域許用的中拱和中垂合成彎矩。

2.2.2邊界條件

邊界條件考慮了尾端線位移約束<0,0,0>，角位移約束<0,-,->；首端線位移約束<-,0,0>，角位移約束<0,-,0>。0表示約束，-代表放開(不約束)。其示意圖如圖6所示。

圖6 邊界條件示意圖

2.2.3計算結果

選取了減壓艙下每個鞍板與基座連接區(qū)域的中點位置作為考核點，分別命名為P1，P2，P3，M1，M2，M3，S1，S2，S3，考核點示意如圖7所示。計算后考核點的絕對位移數(shù)值分別見表1和表2。

圖7 考核點示意圖

從表1和表2可以看出，不論在中拱狀態(tài)還是中垂狀態(tài)，單個減壓艙基座上表面與減壓艙底座連接區(qū)域之間臨近點的相對位移最大值為0.31 mm，小于變形量不能超過<1 mm要求。

表1中拱狀態(tài)下考核點的位移值mm

中拱狀態(tài)1絕對位移2絕對位移3絕對位移最大相對位移XP0.31500.30700.2880M0.38700.38400.3670S0.35900.35900.35900.0790YP0.09330.10600.1440M0.03880.04390.0535S0.03150.04240.06030.0905ZP9.94009.72009.4400M9.63009.5009.3300S9.64009.49009.25000.3100

表2中垂狀態(tài)下考核點的位移值mm

中垂狀態(tài)1絕對位移2絕對位移3絕對位移最大相對位移XP0.10300.08660.0847M0.13800.11700.1120S0.09490.09490.09480.0431YP0.02350.02960.0498M0.04160.03960.0375S0.07940.06430.03980.0378ZP6.83006.75006.6100M6.75006.73006.5800S6.85006.83006.79000.2100

3 船艏舷側結構設計

考慮到不同船級社對船艏部舷側結構的設計要求有所不同，比如挪威船級社(DNV)要求自艏垂線起向后0.1L(L指結構船長)之間與夏季載重線以上的區(qū)域要考慮波浪對艏部舷側結構的砰擊，需要對上述區(qū)域的構件進行加強，而中國船級社(CCS)和美國船級社(ABS)對潛水支持船的船艏舷側結構沒有上述要求。需要考核的砰擊示意圖如圖8所示?；谏鲜龅膮^(qū)別，本文按照DNV船級社的要求對該區(qū)域的舷側外板的板厚要求進行計算與分析，以體現(xiàn)不同要求對應的不同取值。

3.1 艏部砰擊壓力的計算

按DNV規(guī)范第3篇第1章要求，對艏部砰擊壓力Ps1進行計算。

選取垂向范圍：主甲板至第一甲板間；縱向范圍：Fr154周邊區(qū)域。

式中：C為系數(shù)，C=1.0；Cf為系數(shù)，Cf=0.71；β為水線和縱軸的夾角系數(shù)，β=0.7；V為航速，V=14.5 kn；

L′為結構船長，L′=117.32 m。

經(jīng)計算，Ps1=304.86 MPa。

3.2 外板厚度的核算

按DNV規(guī)范第3篇第1章要求，艏部受波浪砰擊區(qū)域外板厚度t1不小于下式計算所得之值：

式中：ka為系數(shù)，ka=1；σf為材料屈服應力,σf=235 MPa；s為扶強材間距，s=0.748 m。

經(jīng)計算，t1=11.79 mm。

3.3 船艏舷側結構比較

按DNV、CCS和ABS規(guī)范要求的距艏垂線0.1L區(qū)域構件示意圖分別如圖9、圖10所示。

通過圖9、圖10對比發(fā)現(xiàn)，按DNV規(guī)范計算的舷側構件規(guī)格要大于按CCS和ABS規(guī)范計算的舷側構件規(guī)格。

hd—夏季載重線到上甲板線之間的垂向距離；α1, α2—考核

面到夏季載重線和上甲板線的距離，如果α1,α2差異比較大，還需要增加考核面；β—水線和縱軸的夾角。

圖8 需考核的砰擊區(qū)域示意

圖9 按DNV規(guī)范要求的距艏垂線0.1 L′

圖10 按CCS和ABS規(guī)范要求的距艏垂線0.1 L′

4 結語

(1)進行潛水支持船減壓艙加強結構設計時，應注意減壓艙區(qū)域變形量的特殊要求，采用局部結構加強并結合三維有限元分析手段校核該區(qū)域的變形量，以滿足設備的使用要求；為減壓艙提供壓縮空氣的氦氧混合氣體儲存罐頂部構件選取時要考慮到空氣罐頂部有連接管路，要預留一定的空間。

(2)潛水支持船艏舷側結構的設計應注意不同船級社對于該類型船艏舷側結構的不同要求，要重點區(qū)分入級符號，便于對相對應的結構進行核查，同時設計時可以考慮減小艏部外飄的程度或加密骨架，以達到比較經(jīng)濟的目的。

參考文獻：

[1] 中國船級社.鋼質海船入級規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2015.

[2] 中國造船工程學會，中國船舶工業(yè)集團公司，中國船舶重工集團公司.船舶設計實用手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.