管道挖溝動力定位工程船結構設計

喬國瑞

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

管道挖溝動力定位工程船“海洋石油295”（以下簡稱為本船）為一艘海工特種作業(yè)工程船，主要用于海底管道挖溝作業(yè)、膨脹彎安裝作業(yè)、清管試壓支持作業(yè)、海管維搶修作業(yè)、潛水作業(yè)、ROV支持等，由海洋石油工程股份有限公司投資、中國船舶及海洋工程設計研究院（MARIC）、中船黃埔文沖船廠建造，擁有中國船級社（CCS）和挪威船級社（DNV）雙重認證。本船是我國首艘自主設計建造、擁有自主知識產(chǎn)權的最新型動力定位挖溝工程船，在滿足國內海管挖溝市場的同時，也可進軍國際市場，它的投入使用填補了國內空白。

本船功能需求較多，相應的設備較多且特殊，對船體結構在結構布置、船體強度、船體振動及結構質量控制等方面需進行綜合平衡，達到滿足功能要求及結構優(yōu)化的目的，以下就結合功能對本船橫剖面、總縱強度、首尾導纜結構設計、主要設備加強及振動評估等設計要點進行介紹。

1 船型概述

本船為一艘流線型船首、方形船尾、設有艏樓、采用全電力推進、具備DP-2 級動力定位的海底管道挖溝工程船，滿足B 級冰區(qū)要求。主要參數(shù)如下：

根據(jù)如下作業(yè)功能，本船配置了相應設備，并配置3 個首側推和2 個尾部全回轉推進器以滿足DP-2 要求，另外配置抗橫傾水艙和減搖水艙。主要作業(yè)功能及配置：

（1）海底管道挖溝作業(yè)（首部拖曳或尾部拖曳）：配備首部拖曳絞車、導纜器、首柱拖纜槽、尾部可拆式門吊、吊放絞車、牽引絞車、尾部拖曳絞車、升降式液壓擋銷、100 t 折臂吊、遙控機器人（ROV）、空氣潛水裝置、挖溝機（自行式挖溝機、淺水射流挖溝機、深水挖溝機）等，最大作業(yè)水深100 m/300 m。

（2）海底埋纜（首部拖曳）：配備埋纜機、電纜盤、ROV、門吊等，最大作業(yè)水深100 m。

（3）膨脹彎安裝：搭載空氣潛水裝置、折臂吊等，作業(yè)水深60 m。

（4）其他：清管試壓支持、潛水作業(yè)、ROV支持等。飽和潛水作業(yè)水深200 m。

總布置側視圖如圖1 所示。

圖1 總布置側視圖

2 典型橫剖面設計

2.1 船體結構布局及骨架系統(tǒng)

本船船體結構型式采用了混合骨架型式。從滿足船體梁總縱彎曲強度、屈曲強度及控制結構質量的需要，離船體梁橫剖面中和軸較遠的主甲板、船底板、內底板及船底桁材采用縱骨架式。因本船主尺度并不大，計算船長小于90 m，可不必校核船體梁屈曲強度［1］。由于本船均為中拱工況（見圖3），船體梁彎曲時，船底板、內底板及底部桁材采用縱骨架式，有利于滿足屈曲要求。本船船舯0.5L范圍內左右舷各設一道連續(xù)邊縱艙壁，船體梁剪切強度也易滿足，因此考慮舷側和邊縱壁采用橫骨架式結構，該型式建造工藝較為簡單，橫向強度較好，但橫骨架式稍重（比縱骨架式重約7 t）。典型剖面見下頁圖2。

圖2 典型橫剖面

2.2 強力甲板設計

本船主甲板為強力甲板，中后部為作業(yè)區(qū)甲板，作業(yè)面積約900 m2，甲板設計載荷為10 t/m2。若按照中國船級社規(guī)范第2 章計算，甲板縱骨的剖面模數(shù)需不小于354 cm3，縱骨需取HP240×11，支撐縱骨的強橫梁高度也相應增大，對于設備艙室的層高也會有一定的影響。經(jīng)與上海規(guī)范所和廣州審圖中心討論，甲板構件可參照規(guī)范“駁船”部分載貨甲板的要求進行校核，縱骨的剖面模數(shù)需不小于137 cm3，綜合考慮甲板載荷及甲板設備布置情況、強橫梁腹板高度等因素，甲板縱骨實取HP220×10，強橫梁腹板高500 mm。甲板縱骨質量較HP240×11 減輕了約7 t。

3 總縱強度

本船作業(yè)功能較多，各航行和作業(yè)工況（包括拖曳挖溝、自行挖溝、A 架吊放、折臂吊作業(yè)、拖曳埋纜等）下的船體總縱強度需滿足船級社的要求?？偪v強度校核方法按CCS 規(guī)范［1］，船體梁遭受靜水載荷和波浪載荷，其中波浪載荷因本船尺度比不滿足規(guī)范要求，需采用直接預報方法，直接預報采用DNV 船級社開發(fā)的SESAM/WADAM 和SESAM/POSTRESP 程序，長期海況取北大西洋波浪散布圖，概率水平取10-8，并根據(jù)CCS 規(guī)范對該直接預報值進行非線性修正，得到波浪彎矩MW和波浪剪力FW。直接計算結果與規(guī)范計算值比較見表1。

表1 波浪彎矩和剪力直接計算極值與規(guī)范值比較

根據(jù)船體結構布置、各工況靜水彎矩和剪力分布情況及船級社規(guī)范的要求等確定全船計算剖面位置，通過BV 船級社Mars 軟件計算各計算剖面的剖面模數(shù)WC及單位剪力作用下的剪應力τ0。根據(jù)各工況靜水彎矩和剪力分布情況，初步得到靜水彎矩和剪力包絡線即許用靜水彎矩見下頁圖3 和圖4，以此作為設計靜水載荷進行總縱強度校核，具體校核方法和公式見CCS 規(guī)范。

根據(jù)船級社規(guī)范，對船體梁彎曲強度和剪切強度進行校核，均滿足船級社要求。但由于尾部布置全回轉推進器而使得船尾底部線型上抬明顯（見圖1），且底部為單底，造成尾部剖面模數(shù)和慣性矩都下降明顯，該區(qū)域的總縱彎曲強度裕量較小。首部側推區(qū)域由于船底為橫骨架式且線型變化較大，總縱彎曲強度裕量也較小。

通過表1 及下頁圖3 可知，按直接計算的波浪彎矩和設計靜水彎矩的總彎矩比按規(guī)范計算的波浪彎矩和靜水彎矩的總彎矩增加了13.8%，這對于結構質量控制顯然不太有利。

對于屈曲強度，雖然船級社規(guī)范不作要求，但由于舷側和縱壁采用橫骨架式，對屈曲強度不利，因此參照船級社規(guī)范進行屈曲校核，考慮在機艙區(qū)連續(xù)縱壁下端靠近內底板處增加局部防屈曲筋，使其滿足屈曲強度；而輔設備艙區(qū)域邊縱壁下端為減搖水艙開孔，則不必考慮加強筋。

圖3 各工況下的靜水彎矩與許用靜水彎矩

圖4 各工況靜水剪力與許用靜水剪力

4 首部拖纜作業(yè)和尾部拖纜作業(yè)結構設計

本船具備首部拖曳作業(yè)和尾部拖曳作業(yè)兩種作業(yè)形式。首部作業(yè)方式是通過艏樓上的首部拖曳絞車、四滾柱導纜器、艏柱拖纜槽以懸鏈線形狀牽引挖溝機進行淺水拖曳作業(yè)（最大作業(yè)水深100 m）。尾部作業(yè)方式是通過位于主甲板中部的拖曳絞車、尾部升降式液壓擋銷、尾部圓形尾封板以懸鏈線形狀牽引挖溝機進行深水拖曳作業(yè)（最大作業(yè)水深300 m）。 其中，凹形艏柱拖纜槽和導纜圓尾是本船首尾拖曳作業(yè)系統(tǒng)的重要組成部分，且并無類似船舶設計可作借鑒，這也是本船結構設計的創(chuàng)新之處。

4.1 凹形艏柱拖纜槽

首部拖曳作業(yè)系統(tǒng)中，由于布置需要，拖曳絞車只能布置在艏樓甲板上，鋼絲繩經(jīng)導向裝置導向船底，設計過程中考慮過幾種導向方案：

（1）首柱下端設導向滑輪；

（2）首部艙內設方形通道至船底，船底設導向滑輪；

（3）利用首柱作為導向裝置。

前兩種方案均需在水面以下設置導纜滾輪，維修不方便，方案（2）方形通道也會影響首部布置及空間；方案（3）不需維護，缺點是需特別定制艏柱。綜合考慮之下決定采用特殊艏柱導纜型式。

為滿足淺水拖曳挖溝作業(yè)需要，考慮拖曳鋼絲繩從艏樓沿艏柱向后下方拖曳，艏柱板線型尖瘦，為保證強度、剛度，拖纜槽采用凹槽型鑄鋼型式，鋼絲繩從凹槽穿過，凹槽設置若干擋筋以防鋼絲繩滑出槽外。艏柱設計還需注意以下幾點：

（1）鑄鋼件線型應與首部線型一致，由于艏柱處線型尖瘦，拖纜槽需盡量做??；

（2）應考慮拖纜槽與外板及艏柱水平加強肘板的連接，外側與外板對接，后端與艏柱水平加強肘板對接；

（3）雖然線型尖瘦，但凹槽大小還需滿足拖纜索具套環(huán)尺寸要求；

（4）從鑄造工藝考慮，鑄鋼件的厚度也不能太薄。 因此凹形艏柱拖纜槽最終為內外雙曲面型式，典型截面見下頁圖5，其線型復雜，鑄造難度大，精度也有一定要求。

4.2 導纜圓尾設計（尾部拖纜作業(yè)）

尾部拖纜作業(yè)，拖曳絞車布置在主甲板中部，鋼絲繩需經(jīng)尾部導向船外進行拖曳作業(yè)。尾部結構設計過程中，也考慮過兩種導向裝置方案：

（1）船尾段設置滾筒，如一些拖船上有所應用；

（2）船尾設計成圓尾（封板）型式，以代替圓滾筒。

圖5 凹形首柱拖纜槽典型剖面

前者滾筒方案，滾筒與結構連接較為復雜，由于本船干舷小，滾筒的下部會處于液面以下，對艙室的密性也帶來一些影響，維護也不太方便；后者圓尾設計，則不存在滾筒方案的缺點，且由于尾部拖曳作業(yè)的特點，拖纜時鋼絲繩基本不會與圓尾縱向摩擦，主要是會產(chǎn)生橫向摩擦，因此在圓尾前部甲板設置一升降式液壓擋銷用以限制鋼絲繩的橫向滑移，另外在滑移區(qū)域適當設置防磨材料，可以減少摩擦對鋼絲繩的影響。綜合考慮后，決定采用圓尾設計導纜型式。

為保證導纜圓尾的強度，參考尾滾筒的設計特點［2］，圓尾部分的甲板、尾封板局部加厚；甲板、船底板均為縱骨架式，圓弧尾封板扶強材垂向布置，并與甲板縱骨和船底縱骨相連，此外在圓弧部分增設橫向加強筋。圓尾結構如圖6 所示。

圖6 導纜圓尾結構（CL）

5 主要設備加強

本船裝備諸多作業(yè)相關的設備，如可拆式門型吊架、100 t 折臂吊、吊放絞車、拖曳絞車、導纜器、升降式液壓擋銷等，這些設備的加強各有特點，根據(jù)設備布置、設備資料結合結構布置情況對其進行結構加強，加強結構強度校核采用通用有限元計算分析軟件MSC/PATRAN/NASTRAN 進行直接計算。載荷由設備商提供，強度衡準按船級社規(guī)范。

5.1 尾部可拆式門型吊架

主甲板尾部設有一可拆式門架，起吊能力100 t，用于首部拖纜作業(yè)或尾部拖纜作業(yè)時收放挖溝機或埋纜機。門架與船體連接型式并非常規(guī)的獨立底座連接，而是采用直接通過螺栓鉆進主甲板的型式，該型式對甲板面積影響較小，拆除后作業(yè)甲板也比較平整，但這種連接型式存在一些難題和風險：

（1）以甲板作為基座面板，對甲板的精度（平面度、粗糙度）、強度和剛度要求較高；

（2）為保證主甲板的密性，螺栓不穿透甲板，甲板板需特別加厚，內螺紋攻孔工藝要求和精度要求很高，螺孔數(shù)量多（100 多個）且較為密集，若某一螺栓孔攻孔失敗或不滿足要求，整塊甲板都可能報廢；

表2 各工況應力計算結果MPa

（3）由于螺孔密集，下加強結構布置空間也比較緊張。門吊底腳處的主甲板板厚取100 mm，并與主甲板正常厚度逐漸過渡，厚板的削斜加工工藝要求也很高。由于底座甲板加工工藝和精度的要求高，船廠無法加工，只能委托第三方進行加工。對尾部甲板及加強結構強度進行校核，計算結果見表2，典型工況應力分布見下頁圖7。由于門架底座甲板下面是全回轉推進器，支柱布置受限，甲板縱桁跨距較大，縱桁和強梁端部處支撐艙壁正應力和剪切應力均較大。

圖7 LC1工況下加強結構Von Mises應力分布

5.2 折臂吊基座

主甲板尾部右舷設有一折臂式海工起重機，起吊能力100 t×15 m，帶主動波浪補償功能。根據(jù)起重機筒體直徑及甲板下面縱橫艙壁位置，考慮甲板上吊機加強基座采用方轉圓過渡筒體型式，即“天圓地方”型式，甲板處底座為5.4 m×4.2 m，上面為3 593 mm 的圓筒體，過渡底座高4 m，在圓變方接頭處設置水平環(huán)材，在過渡底座設置垂直筋，以改善應力水平［3］。過渡筒體作為一獨立艙室使用，筒體板上開設鋼質門、百葉窗等，基座甲板下為油艙，還需考慮做電纜通道及檢修空間。對基座加強結構進行強度分析，計算結果見表3。

表3 各工況最大應力計算結果MPa

典型工況應力云圖見圖8，高應力區(qū)域主要在圓變方接頭處以及圓變方過渡基座四角處，圓變方過渡基座的四平面區(qū)域應力較低，因此將門、窗、電纜等開孔設在這些應力水平較低處。

其他一些設備，如動力定位系統(tǒng)（尾部兩臺2 500 kW 全回轉推進器、首部3 臺800 kW 側推器）、錨泊設備、系泊設備、直升機平臺等加強和強度校核就不一一介紹了。

圖8 橫吊工況基座筒體Von Mises應力分布

6 船體振動

本船設備眾多，包括一些對船體振動控制不利的激勵源，如尾部2 臺全回轉推進器、首部3 臺側推器、機艙內4 臺主柴油發(fā)電機組和1 臺輔柴油發(fā)電機組、首樓內1 臺應急發(fā)電機組。由于本船生活區(qū)位于首部，且機艙位于生活區(qū)之下，這樣6 臺發(fā)電機組及3 臺側推器對生活區(qū)的振動影響更為直接。為保證居住舒適性，對本船的全船自由振動、生活區(qū)甲板局部自由振動進行分析。

6.1 全船自由振動分析

主要激勵源頻率如表4 所示。

表4 主要激勵源頻率Hz

計算工況選取4 種航行、作業(yè)典型工況。

衡準參照《船上振動控制指南》要求，采用有限元整船分析計算時，船體1～3 階固有頻率應與激勵頻率分別錯開±8%～±10%、±10%～±12%和±12%～±15%。［4］

各工況下船體梁自由振動固有頻率見表5。

表5 各工況船體梁自由振動固有頻率Hz

通過表4 和表5 可知，船體自振頻率與全回轉舵槳葉頻、首側推葉頻以及主發(fā)、輔發(fā)和應發(fā)的激振頻率錯開比例均符合要求，但與全回轉舵槳軸頻、首側推軸頻錯開比例較小，存在共振風險，因此需進行強迫振動分析，見6.3 節(jié)。

6.2 生活區(qū)甲板局部振動分析

根據(jù)《船上振動控制指南》要求，生活區(qū)甲板的自振頻率應與激勵頻率錯開±10%～±15%。通過計算，生活區(qū)七層甲板局部振動頻率與激勵頻率錯開比例均可滿足要求，個別區(qū)域不滿足時，可通過增加或增大甲板桁材使其滿足要求。

6.3 強迫振動分析

強迫振動分析選取兩種航行、作業(yè)典型工況。強迫振動衡準參照ISO 6954（2000E），采用所有頻率下權重值的均方根值RMS 來評價船體振動，具體計算方法及評價值參見ISO 6954（2000E）。全回轉舵槳、首側推由螺旋槳空泡引起的葉頻脈動壓力根據(jù)《船上振動控制指南》相應公式計算；主發(fā)、輔發(fā)激勵載荷由設備商提供。通過計算，船體結構振動相應的最大加速度RMS 值為51 mm/s2，小于214 mm/s2；最大峰值速度RMS 值為1.42 mm/s，小于3 mm/s，均滿足ISO 6954（2000E）的要求。

6.4 減振措施

根據(jù)本船激勵源情況及振動評估，采取了一些措施進行防振減振：

（1）對全回轉舵槳、首側推、各發(fā)電機組等主要激勵源的基座處進行結構加強，提高板架剛度，改變板架的固有頻率；

（2）對上述設備及空調等基座桁材、橫隔板、橫肘板的腹板敷設高性能阻尼材料；

（3）機艙因船東僅允許設4 個支柱，支柱處甲板設置箱型梁以提高甲板板架剛度，對生活樓后端壁以及煙囪端部也作了有效支撐；

（4）對于較大的甲板板架，如無法設置支柱，則考慮增加或加大甲板縱桁或強橫梁；

（5）對于較重的雷達桅處甲板，調整甲板下艙壁與雷達桅柱對齊，并對艙壁進行加強。

7 結 語

本文對國內首艘管道挖溝動力定位工程船的結構設計要點進行了梳理，限于篇幅，結構設計如機艙支柱及甲板支撐構件設計、減搖水艙設計、全回轉推進器加強、首側推加強、重量重心控制等內容無法一一介紹。本船在試航及實船作業(yè)中，船東對結構設計、重量控制、振動情況等方面均很滿意。本文中的一些設計理念、結論，可以為類似的海工特種作業(yè)船舶的結構設計提供一些借鑒參考。