超寬因素對重大件半潛運(yùn)輸?shù)挠绊懷芯?/h1>
2019-12-18 02:00:18劉琳琳張美蘭
中國港灣建設(shè) 2019年12期
劉琳琳，張美蘭
（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）
0 引言
隨著海洋工程設(shè)備建造尺寸、重量越來越大，對半潛運(yùn)輸在應(yīng)用需求方面也在增加[1]。半潛運(yùn)輸采用浮裝浮卸方式裝卸貨物[2]，整個運(yùn)輸作業(yè)時間短、效率高及不可分割的整體結(jié)構(gòu)運(yùn)輸優(yōu)勢明顯[3]，使之成為當(dāng)今海上重大件遠(yuǎn)洋運(yùn)輸及海洋工程作業(yè)領(lǐng)域不可或缺的組成部分，越來越多的船企也將目光投入到該運(yùn)輸領(lǐng)域，這使得半潛運(yùn)輸市場競爭日趨激烈[4]。半潛運(yùn)輸要同時滿足安全性及經(jīng)濟(jì)性，綜合重大件的大尺寸及運(yùn)輸船甲板利用率等因素，不可避免遇到貨物超出甲板寬度的情況。本文結(jié)合項目工程實(shí)例，對運(yùn)輸設(shè)計過程中的穩(wěn)性及墩木壓應(yīng)力計算兩方面做了相應(yīng)分析。
1 超寬因素對穩(wěn)性的影響
半潛運(yùn)輸?shù)某瑢捴卮蠹ㄣ@井平臺、鋪管船、船塢、模塊及工程船等[5]，其中大型鉆井平臺的運(yùn)輸，船段、浮船塢分段等往往超寬十幾米到幾十米不等。為了便于分析超寬距離對穩(wěn)性的影響，基于實(shí)際工程項目，選擇了結(jié)構(gòu)寬度不隨自身船長變化的浮船塢分段作為運(yùn)輸對象，采用橫向裝載運(yùn)輸方式（貨物船長與運(yùn)輸船的船長垂直），計算出一系列不同超寬情況下的穩(wěn)性，來研究其影響。
半潛運(yùn)輸船“振華28”從關(guān)島至舟山運(yùn)輸浮船塢的2 個分段?！罢袢A28”船長232 m，型寬42 m，型深13.5 m，設(shè)計吃水9.2 m，載貨甲板面積150 m×42 m。2 個浮船塢分段結(jié)構(gòu)分別長107.45 m、127.75 m，單側(cè)超出甲板的最大寬度是42.875 m，是“振華28”運(yùn)輸史上的最大超寬距離。
1.1 超寬對航行穩(wěn)性的影響
船舶穩(wěn)性通過船舶靜水力曲線計算得到[6]，但在航行船舶處于橫搖大傾角時，貨物的入水會影響原有船舶的靜水力曲線，為了計算準(zhǔn)確，須將貨物模型計及在內(nèi)[7]，即考慮船和貨物整體的靜水力曲線。
對不考慮貨物入水、考慮貨物入水（單邊超寬42.875 m）及單邊超寬5~35 m 情況下的大傾角穩(wěn)性進(jìn)行計算。其中單邊超寬5~35 m 時，重量重心等與實(shí)際項目相同，兩邊超寬相同，貨物寬度不隨自身長度變化，即水線面面積均勻增加。匯總靜穩(wěn)性曲線見圖1。GZ 為靜穩(wěn)性臂，即重力作用線與浮力作用線之間的垂直距離。橫搖角范圍取0°~min（θf，θ2，50°），其中 θf為進(jìn)水角，θ2為風(fēng)壓側(cè)傾力臂和GZ 曲線的第二交叉角。
圖1 超寬因素對靜穩(wěn)性曲線的影響Fig.1 Effect of over width on static stability curve
通過圖中實(shí)際超寬42.875 m 和不計貨物的靜穩(wěn)性曲線的對比可得，計入貨物模型所得到的大傾角穩(wěn)性變好較多；該系列的30°橫搖角對應(yīng)GZ值見圖2，擬合得最大GZ 與貨物超寬距離成二次增長關(guān)系。
圖2 超寬因素對GZ 的影響Fig.2 Effect of over-width on GZ
1.2 貨物入水對下潛/上浮穩(wěn)性的影響
半潛運(yùn)輸船在浮裝浮卸過程中，穩(wěn)性最差狀態(tài)是在甲板剛剛?cè)胨虺鏊藭r船舶的水線面最小，穩(wěn)性最差。超寬貨物（浮體）底部部分入水，回復(fù)力矩增加，入水狀態(tài)見圖3。
圖3 入水狀態(tài)Fig.3 Submerged status
在甲板入水/出水時進(jìn)行穩(wěn)性計算，得到一系列初穩(wěn)性高GM 值，變化趨勢曲線見圖4，該圖表明GM 與貨物超寬距離成二次增長關(guān)系。
圖4 貨物超寬對上浮/下潛穩(wěn)性的影響Fig.4 Effect of over-width on submerged or floating stability
由以上分析得到，貨物浮體超寬對上浮或下潛穩(wěn)性影響較大，所以在半潛運(yùn)輸重力矩非常大的超寬貨物時，計及貨物對穩(wěn)性的影響十分必要。
1.3 實(shí)際工程算例
“振華7”從卡塔爾至英國運(yùn)輸某平臺。“振華7”船長244.5 m，型寬42 m，型深13.5 m，設(shè)計吃水9.2 m，載貨甲板面積167.4 m ×42 m；某平臺總長102.6 m，型寬84.45 m，型深9.45 m，重量22 600 t，重心高度24.72 m。分別按照不計平臺模型及計入模型計算穩(wěn)性，按照IMO 完整穩(wěn)性規(guī)范[8]進(jìn)行校核，結(jié)果見表1。
表1 完整穩(wěn)性規(guī)范校核結(jié)果Table 1 Results of intact stability specification check
由以上實(shí)例得到，當(dāng)運(yùn)輸貨物重量超重、重心很高時，不將超寬貨物計入船舶航行的靜水力分析中，計算結(jié)果不滿足規(guī)范要求，但此時的半潛船是有裕量完成此次運(yùn)輸?shù)?，按照?shí)際情況將貨物和船舶作為整體進(jìn)行靜水力分析，計算結(jié)果滿足規(guī)范要求，這為超重超大超寬的重大件運(yùn)輸提供了運(yùn)輸可行性，同時節(jié)省了調(diào)用更大運(yùn)輸船的費(fèi)用。
2 墩木應(yīng)力分析
半潛運(yùn)輸中，墩墊木作為常用工裝件，在貨物和運(yùn)輸船甲板間起到緩沖作用，同時增大摩擦力以克服航行過程中貨物所受環(huán)境載荷。
在貨物未超寬情況下，通常將貨物看做剛體來計算貨物對墩木的壓力，重力較均勻作用于墩木接觸面。但是超寬貨物在運(yùn)輸船甲板寬度方向跨度大，墩木支撐貨物的區(qū)域狹窄，貨物在自身重力下產(chǎn)生撓度，發(fā)生中拱變形。這導(dǎo)致運(yùn)輸船甲板中間和兩側(cè)墩墊木受力不均，靠近船舷側(cè)的墩木壓力變大，那么將貨物看做剛體計算墩木壓力得到的結(jié)果會與實(shí)際有較大偏差。
針對以上情況，在相同的墩木布置、重量重心、環(huán)境載荷等條件下，通過計算不考慮貨物超寬的墩木應(yīng)力與考慮貨物超寬的墩木應(yīng)力，以“振華28”從關(guān)島至舟山運(yùn)輸浮船塢的項目為例，分析超寬因素對墩木應(yīng)力的影響。
2.1 載荷
載荷包括重大件的自身重力、慣性力及風(fēng)載荷，其中貨物的慣性載荷通過耐波性預(yù)報軟件OCTOPUS 對本航次船舶運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行分析，得到浮船塢分段2 最大加速度為：縱向為0.08g，橫向為0.275g，垂向為0.126g（g=9.81 m/s2）。
2.2 不計超寬因素情況下的墩木應(yīng)力
浮船塢分段2 重8 903 t，自身重心高5.95 m，其墩木布置示意圖見圖5。
圖5 墩木布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of block layout
將運(yùn)輸船、浮船塢分段2 及墩木組當(dāng)做剛體，貨物因橫向、縱向載荷引起的墩木壓力計算中，墩木所受壓應(yīng)力與到剛體質(zhì)心的距離成線性變化，最遠(yuǎn)處墩木應(yīng)力最大，見圖6。
圖6 橫向或縱向力下的墩木應(yīng)力示意圖Fig.6 Stress diagram of blocks under horizontal or longitudinal load
上述算例中，橫向風(fēng)載荷為7.4 t，橫向風(fēng)力矩為155 t·m，縱向風(fēng)載荷為83 t，縱向風(fēng)力矩為1 737 t·m。墩木組面積為168 m2，自身慣性矩Ix=2.96 m4，Iy=3.53 m4。
縱向、橫向及垂向加速度，船塢分段2 的重量及風(fēng)力矩作用到該剛體上。計算得到最遠(yuǎn)端距離質(zhì)心縱向距離23.8 m，距離質(zhì)心的橫向距離為17.15 m，該位置的墩木應(yīng)力值為0.921 MPa。
2.3 計及超寬因素情況下的墩木應(yīng)力
貨物嚴(yán)重超寬時，在舷外重量下，貨物整體發(fā)生較嚴(yán)重的中拱變形，此時貨物不再適合按照剛體假設(shè)處理。利用ANSYS 對“振華28”和浮船塢分段2 進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元建模，其中舷側(cè)外板、底板、艙壁及肋板等結(jié)構(gòu)利用shell 單元建模，骨材利用beam 單元建模，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3。由于墩木受壓不受拉特性，利用spring 單元建模，彈性模量為160 MPa，見圖7。
圖7 船體結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.7 Finite element model of hull
對“振華28”模型船底節(jié)點(diǎn)進(jìn)行x，y，z 向約束；對浮船塢兩端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行x，y 方向約束。載荷與2.2 節(jié)相同。通過以上設(shè)置對船舶、浮船塢及墩木組進(jìn)行有限元分析。
提取墩木spring 單元最大壓力為1.06×106N，該單元橫剖面為0.6 m×0.6 m，得到最大墩木壓應(yīng)力為2.94 MPa，《海上運(yùn)輸指南》許用值為4 MPa，并且“振華28”與浮船塢的結(jié)構(gòu)應(yīng)力也在許用范圍內(nèi)。
2.4 結(jié)果分析
不計超寬因素情況下的墩木壓應(yīng)力為0.921 MPa，計入超寬因素，在相同的載荷環(huán)境下，對運(yùn)輸狀態(tài)進(jìn)行實(shí)際模擬，得到墩木壓應(yīng)力為2.94 MPa，是剛體假定下的3.19 倍。可見，在貨物嚴(yán)重超寬情況下，忽略貨物變形，將貨物看做剛體的求解方式已不適用，計及超寬貨物變形來校核墩木應(yīng)力十分必要，在設(shè)計中必須考慮。
此外，由于船舷兩側(cè)墩木的受力遠(yuǎn)大于貨物的剛體假設(shè)下的情況，在計算分析墩木壓力同時，貨物及運(yùn)輸船的局部強(qiáng)度也需校核，以確保船和貨物的結(jié)構(gòu)安全，設(shè)計時也應(yīng)予以充分考慮。
3 結(jié)語
貨物超寬情況在海上重大件半潛運(yùn)輸領(lǐng)域很普遍，通過以上分析，超寬因素對半潛運(yùn)輸?shù)拇髢A角穩(wěn)性、下潛/上浮穩(wěn)性有影響，超寬距離越大，穩(wěn)性越好。對于運(yùn)輸超重超寬達(dá)極限工況的浮體貨物，計及實(shí)際超寬可增加穩(wěn)性裕量，增加運(yùn)輸可行性。嚴(yán)重超寬貨物在進(jìn)行墩木設(shè)計時，應(yīng)考慮貨物形變對墩木壓力分布的影響，建議采用有限元方法進(jìn)行分析，得到更貼合實(shí)際的結(jié)果。
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劉琳琳，張美蘭
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0 引言
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1 超寬因素對穩(wěn)性的影響
半潛運(yùn)輸?shù)某瑢捴卮蠹ㄣ@井平臺、鋪管船、船塢、模塊及工程船等[5]，其中大型鉆井平臺的運(yùn)輸，船段、浮船塢分段等往往超寬十幾米到幾十米不等。為了便于分析超寬距離對穩(wěn)性的影響，基于實(shí)際工程項目，選擇了結(jié)構(gòu)寬度不隨自身船長變化的浮船塢分段作為運(yùn)輸對象，采用橫向裝載運(yùn)輸方式（貨物船長與運(yùn)輸船的船長垂直），計算出一系列不同超寬情況下的穩(wěn)性，來研究其影響。
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1.1 超寬對航行穩(wěn)性的影響
船舶穩(wěn)性通過船舶靜水力曲線計算得到[6]，但在航行船舶處于橫搖大傾角時，貨物的入水會影響原有船舶的靜水力曲線，為了計算準(zhǔn)確，須將貨物模型計及在內(nèi)[7]，即考慮船和貨物整體的靜水力曲線。
對不考慮貨物入水、考慮貨物入水（單邊超寬42.875 m）及單邊超寬5~35 m 情況下的大傾角穩(wěn)性進(jìn)行計算。其中單邊超寬5~35 m 時，重量重心等與實(shí)際項目相同，兩邊超寬相同，貨物寬度不隨自身長度變化，即水線面面積均勻增加。匯總靜穩(wěn)性曲線見圖1。GZ 為靜穩(wěn)性臂，即重力作用線與浮力作用線之間的垂直距離。橫搖角范圍取0°~min（θf，θ2，50°），其中 θf為進(jìn)水角，θ2為風(fēng)壓側(cè)傾力臂和GZ 曲線的第二交叉角。
圖1 超寬因素對靜穩(wěn)性曲線的影響Fig.1 Effect of over width on static stability curve
通過圖中實(shí)際超寬42.875 m 和不計貨物的靜穩(wěn)性曲線的對比可得，計入貨物模型所得到的大傾角穩(wěn)性變好較多；該系列的30°橫搖角對應(yīng)GZ值見圖2，擬合得最大GZ 與貨物超寬距離成二次增長關(guān)系。
圖2 超寬因素對GZ 的影響Fig.2 Effect of over-width on GZ
1.2 貨物入水對下潛/上浮穩(wěn)性的影響
半潛運(yùn)輸船在浮裝浮卸過程中，穩(wěn)性最差狀態(tài)是在甲板剛剛?cè)胨虺鏊藭r船舶的水線面最小，穩(wěn)性最差。超寬貨物（浮體）底部部分入水，回復(fù)力矩增加，入水狀態(tài)見圖3。
圖3 入水狀態(tài)Fig.3 Submerged status
在甲板入水/出水時進(jìn)行穩(wěn)性計算，得到一系列初穩(wěn)性高GM 值，變化趨勢曲線見圖4，該圖表明GM 與貨物超寬距離成二次增長關(guān)系。
圖4 貨物超寬對上浮/下潛穩(wěn)性的影響Fig.4 Effect of over-width on submerged or floating stability
由以上分析得到，貨物浮體超寬對上浮或下潛穩(wěn)性影響較大，所以在半潛運(yùn)輸重力矩非常大的超寬貨物時，計及貨物對穩(wěn)性的影響十分必要。
1.3 實(shí)際工程算例
“振華7”從卡塔爾至英國運(yùn)輸某平臺。“振華7”船長244.5 m，型寬42 m，型深13.5 m，設(shè)計吃水9.2 m，載貨甲板面積167.4 m ×42 m；某平臺總長102.6 m，型寬84.45 m，型深9.45 m，重量22 600 t，重心高度24.72 m。分別按照不計平臺模型及計入模型計算穩(wěn)性，按照IMO 完整穩(wěn)性規(guī)范[8]進(jìn)行校核，結(jié)果見表1。
表1 完整穩(wěn)性規(guī)范校核結(jié)果Table 1 Results of intact stability specification check
由以上實(shí)例得到，當(dāng)運(yùn)輸貨物重量超重、重心很高時，不將超寬貨物計入船舶航行的靜水力分析中，計算結(jié)果不滿足規(guī)范要求，但此時的半潛船是有裕量完成此次運(yùn)輸?shù)?，按照?shí)際情況將貨物和船舶作為整體進(jìn)行靜水力分析，計算結(jié)果滿足規(guī)范要求，這為超重超大超寬的重大件運(yùn)輸提供了運(yùn)輸可行性，同時節(jié)省了調(diào)用更大運(yùn)輸船的費(fèi)用。
2 墩木應(yīng)力分析
半潛運(yùn)輸中，墩墊木作為常用工裝件，在貨物和運(yùn)輸船甲板間起到緩沖作用，同時增大摩擦力以克服航行過程中貨物所受環(huán)境載荷。
在貨物未超寬情況下，通常將貨物看做剛體來計算貨物對墩木的壓力，重力較均勻作用于墩木接觸面。但是超寬貨物在運(yùn)輸船甲板寬度方向跨度大，墩木支撐貨物的區(qū)域狹窄，貨物在自身重力下產(chǎn)生撓度，發(fā)生中拱變形。這導(dǎo)致運(yùn)輸船甲板中間和兩側(cè)墩墊木受力不均，靠近船舷側(cè)的墩木壓力變大，那么將貨物看做剛體計算墩木壓力得到的結(jié)果會與實(shí)際有較大偏差。
針對以上情況，在相同的墩木布置、重量重心、環(huán)境載荷等條件下，通過計算不考慮貨物超寬的墩木應(yīng)力與考慮貨物超寬的墩木應(yīng)力，以“振華28”從關(guān)島至舟山運(yùn)輸浮船塢的項目為例，分析超寬因素對墩木應(yīng)力的影響。
2.1 載荷
載荷包括重大件的自身重力、慣性力及風(fēng)載荷，其中貨物的慣性載荷通過耐波性預(yù)報軟件OCTOPUS 對本航次船舶運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行分析，得到浮船塢分段2 最大加速度為：縱向為0.08g，橫向為0.275g，垂向為0.126g（g=9.81 m/s2）。
2.2 不計超寬因素情況下的墩木應(yīng)力
浮船塢分段2 重8 903 t，自身重心高5.95 m，其墩木布置示意圖見圖5。
圖5 墩木布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of block layout
將運(yùn)輸船、浮船塢分段2 及墩木組當(dāng)做剛體，貨物因橫向、縱向載荷引起的墩木壓力計算中，墩木所受壓應(yīng)力與到剛體質(zhì)心的距離成線性變化，最遠(yuǎn)處墩木應(yīng)力最大，見圖6。
圖6 橫向或縱向力下的墩木應(yīng)力示意圖Fig.6 Stress diagram of blocks under horizontal or longitudinal load
上述算例中，橫向風(fēng)載荷為7.4 t，橫向風(fēng)力矩為155 t·m，縱向風(fēng)載荷為83 t，縱向風(fēng)力矩為1 737 t·m。墩木組面積為168 m2，自身慣性矩Ix=2.96 m4，Iy=3.53 m4。
縱向、橫向及垂向加速度，船塢分段2 的重量及風(fēng)力矩作用到該剛體上。計算得到最遠(yuǎn)端距離質(zhì)心縱向距離23.8 m，距離質(zhì)心的橫向距離為17.15 m，該位置的墩木應(yīng)力值為0.921 MPa。
2.3 計及超寬因素情況下的墩木應(yīng)力
貨物嚴(yán)重超寬時，在舷外重量下，貨物整體發(fā)生較嚴(yán)重的中拱變形，此時貨物不再適合按照剛體假設(shè)處理。利用ANSYS 對“振華28”和浮船塢分段2 進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元建模，其中舷側(cè)外板、底板、艙壁及肋板等結(jié)構(gòu)利用shell 單元建模，骨材利用beam 單元建模，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3。由于墩木受壓不受拉特性，利用spring 單元建模，彈性模量為160 MPa，見圖7。
圖7 船體結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.7 Finite element model of hull
對“振華28”模型船底節(jié)點(diǎn)進(jìn)行x，y，z 向約束；對浮船塢兩端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行x，y 方向約束。載荷與2.2 節(jié)相同。通過以上設(shè)置對船舶、浮船塢及墩木組進(jìn)行有限元分析。
提取墩木spring 單元最大壓力為1.06×106N，該單元橫剖面為0.6 m×0.6 m，得到最大墩木壓應(yīng)力為2.94 MPa，《海上運(yùn)輸指南》許用值為4 MPa，并且“振華28”與浮船塢的結(jié)構(gòu)應(yīng)力也在許用范圍內(nèi)。
2.4 結(jié)果分析
不計超寬因素情況下的墩木壓應(yīng)力為0.921 MPa，計入超寬因素，在相同的載荷環(huán)境下，對運(yùn)輸狀態(tài)進(jìn)行實(shí)際模擬，得到墩木壓應(yīng)力為2.94 MPa，是剛體假定下的3.19 倍。可見，在貨物嚴(yán)重超寬情況下，忽略貨物變形，將貨物看做剛體的求解方式已不適用，計及超寬貨物變形來校核墩木應(yīng)力十分必要，在設(shè)計中必須考慮。
此外，由于船舷兩側(cè)墩木的受力遠(yuǎn)大于貨物的剛體假設(shè)下的情況，在計算分析墩木壓力同時，貨物及運(yùn)輸船的局部強(qiáng)度也需校核，以確保船和貨物的結(jié)構(gòu)安全，設(shè)計時也應(yīng)予以充分考慮。
3 結(jié)語
貨物超寬情況在海上重大件半潛運(yùn)輸領(lǐng)域很普遍，通過以上分析，超寬因素對半潛運(yùn)輸?shù)拇髢A角穩(wěn)性、下潛/上浮穩(wěn)性有影響，超寬距離越大，穩(wěn)性越好。對于運(yùn)輸超重超寬達(dá)極限工況的浮體貨物，計及實(shí)際超寬可增加穩(wěn)性裕量，增加運(yùn)輸可行性。嚴(yán)重超寬貨物在進(jìn)行墩木設(shè)計時，應(yīng)考慮貨物形變對墩木壓力分布的影響，建議采用有限元方法進(jìn)行分析，得到更貼合實(shí)際的結(jié)果。
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