導(dǎo)管架拖航強度分析研究

徐 峰，王江宏，劉洪濤

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

導(dǎo)管架建造完畢之后需要使用駁船拖航至預(yù)定安裝地點，拖航過程中駁船和導(dǎo)管架在風(fēng)浪流的作用下會產(chǎn)生六個自由度的運動：橫搖、縱搖、艏搖、橫蕩、縱蕩和升沉，這些運動會引起導(dǎo)管架產(chǎn)生相應(yīng)的慣性力，而慣性力又與導(dǎo)管架自身重力疊加，進(jìn)而對導(dǎo)管架強度造成影響[1-2]。

常規(guī)做法中，對導(dǎo)管架在重力及慣性力作用下的影響是同步完成的，計算中導(dǎo)管架拖航固定件會承受較大的重力豎向力。而在導(dǎo)管架實際的建造過程中，拖航固定件往往是在導(dǎo)管架整體建造完畢后焊接，導(dǎo)管架自身的重力其實全部由預(yù)先設(shè)置在導(dǎo)管架底部的墊堆承受。這就導(dǎo)致了傳統(tǒng)計算方法與結(jié)構(gòu)實際受力情況并不完全吻合。

1 拖航分析流程

拖航分析可以劃分為三個步驟：第一步，導(dǎo)管架在其自身重力作用下進(jìn)行預(yù)加載分析；第二步，對導(dǎo)管架在慣性力作用下進(jìn)行預(yù)加載分析；第三步，將前兩步預(yù)加載分析的結(jié)果組合并進(jìn)行強度分析得到實際拖航過程中導(dǎo)管架強度分析的結(jié)果。

1.1 重力預(yù)加載

在拖航過程中導(dǎo)管架的重力主要由其底部的墊堆承受，導(dǎo)管架腿側(cè)固定件sea-fastening的豎向支撐作用不明顯，因此在重力預(yù)加載的SACS模型中，sea-fastening上不需要添加任何約束。模擬導(dǎo)管架腿底部墊堆時，由于導(dǎo)管架與墊堆一般通過添加筋板的形式連接，認(rèn)為墊堆不能承受導(dǎo)管架的拉力，故將墊堆本身設(shè)置成只能承壓的GAP單元，其靠甲板一端設(shè)置為鉸接[3-4]。

（1） 計算模型。用于進(jìn)行拖航分析的SACS結(jié)構(gòu)模型與吊裝模型相似，因此吊繩不必模擬；由于淺水導(dǎo)管架海上安裝時一般通過吊裝實現(xiàn)，吊繩、卡環(huán)等吊裝設(shè)備會事先放置在導(dǎo)管架頂水平層，因此，需要把吊裝設(shè)備的重量添加到模型中。

（2）重力預(yù)加載。重力預(yù)加載中，導(dǎo)管架的重量包括模擬構(gòu)件的重量與非模擬構(gòu)件的重量。非模擬構(gòu)件的重量以荷載的形式添加到模型中。

1.2 慣性力加載

與重力預(yù)加載不同，慣性力加載時，認(rèn)為sea-fastening起到了支撐導(dǎo)管架水平力的作用，而對導(dǎo)管架重力豎向分力的支撐作用貢獻(xiàn)不大，這也是進(jìn)行拖航分析時，將重力與慣性力的加載分離開單獨計算的主要原因。因此，需要在計算模型中將sea-fastening底端進(jìn)行鉸接，然后約束墊堆底端的垂直向（Z向）位移（001000）。

1.2.1 加速度計算

導(dǎo)管架加速度的計算一般有兩種方式。

一種是在船舶六個自由度方向的運動規(guī)律已知或者可以做簡化處理的情況下，可以將六個自由度方向的加速度人工推導(dǎo)出來，作為計算導(dǎo)管架慣性力的依據(jù)。Nobel Denton規(guī)則明確指出了在拖航過程中如何將船舶的各項運動作簡化考慮。

另外一種是，當(dāng)船舶在波浪作用下的運動規(guī)律不能做簡化考慮的時候，可以在MOSES軟件中將船舶與導(dǎo)管架的各項數(shù)據(jù)輸入，由軟件計算其各個方向的加速度。

1.2.2 慣性力計算

裝載導(dǎo)管架的船舶在波浪作用下將產(chǎn)生三個方向的平動（橫蕩、縱蕩、升沉）和三個方向的轉(zhuǎn)動（橫搖、縱搖和艏搖），從而使其裝載的導(dǎo)管架產(chǎn)生與加速度方向相反的慣性力[5-9]，如圖1所示。

圖1 加速度與相應(yīng)的慣性力示意

結(jié)構(gòu)物沿x方向總的慣性力Fx（由平動慣性力、切向慣性力和法向慣性力組成）為：

式中：m為結(jié)構(gòu)物質(zhì)量，ax為結(jié)構(gòu)物平動加速度沿x方向的分量；w為結(jié)構(gòu)物旋轉(zhuǎn)角速度；為結(jié)構(gòu)物旋轉(zhuǎn)角加速度；α為結(jié)構(gòu)物旋轉(zhuǎn)角度；r為結(jié)構(gòu)物旋轉(zhuǎn)半徑。

同樣可以得到結(jié)構(gòu)物沿y軸和z軸方向的慣性力，拖航分析中的慣性力計算由SACS軟件完成。

1.3 桿件強度及節(jié)點沖剪校核

在完成重力及慣性力的預(yù)加載以后，將兩步預(yù)加載的結(jié)果組合在一起，隨后進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強度分析。此組合過程及強度分析過程均可通過SACS軟件實現(xiàn)。拖航分析時，一般取1.33倍的許用應(yīng)力放大系數(shù)，隨后從結(jié)果中查看結(jié)構(gòu)的桿件和節(jié)點是否遭到破壞[10-12]，根據(jù)計算結(jié)果采取合理的措施使結(jié)構(gòu)滿足運輸過程的安全要求。

2 計算實例

前面部分闡述了導(dǎo)管架拖航強度分析優(yōu)化做法的整個過程及理論依據(jù)，下面就以某項目導(dǎo)管架拖航分析為例詳細(xì)說明。

2.1 導(dǎo)管架數(shù)據(jù)

導(dǎo)管架為4腿、雙斜，斜度均為1∶10，有4個水平層，總高度為33.85 m，導(dǎo)管架最頂端腿間距為12.15 m×12.15m，最底端腿間距為18.93 m×18.93 m，主腿直徑為1 067 mm，拖航質(zhì)量為473 t。在軟件中建立導(dǎo)管架的模型，模擬了主要的構(gòu)件；其余非模擬構(gòu)件，如陽極塊、蒙乃爾合金涂層、防沉板、吊點、吊繩及卡環(huán)、走道、格柵以及扶手以荷載的形式模擬，在計算中兩部分重量均取了1.10的放大系數(shù)。導(dǎo)管架的拖航模型示意見圖2。

圖2 導(dǎo)管架的拖航模型

2.2 拖航船舶及拖航布置

項目運輸船擬定為HYSY225，船長153.2 m，船寬38 m，型深9 m，空船質(zhì)量10 539.6 t，空船橫搖、縱搖和首搖的回轉(zhuǎn)半徑分別為12.16 m、44.428 m和44.428 m。取船舶縱向長度的中間、橫向?qū)挾鹊闹虚g、距船底部60%型深處作為船舶的運動中心。導(dǎo)管架的拖航布置示意如圖3所示。

圖3 導(dǎo)管架拖航布置示意

2.3 導(dǎo)管架墊堆和拖航固定件的模擬

查看拖航布置圖，導(dǎo)管架下部放有鋼樁，由于導(dǎo)管架底層距導(dǎo)管架最底部為1.25 m，為滿足要求，將下方墊堆的高度模擬為3 m。

拖航固定件連接在導(dǎo)管架腿底端與甲板之間，每根腿上連接兩個，拖航固定件靠甲板的端點距腿底端橫向、縱向均為1.5 m，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)管架墊堆和拖航固定件的模擬示意

2.4 導(dǎo)管架各向加速度的計算及工況組合

導(dǎo)管架拖航分析時，采用Nobel Denton規(guī)則，船舶運動的規(guī)律按以下考慮：

橫搖——幅值為20°，周期為10 s；

艏搖——幅值為12.5°，周期為10 s；

垂蕩——±0.2 g。

橫搖和艏搖不應(yīng)考慮同時發(fā)生，工況組合按照如下八種考慮：

重力（G）±橫搖（R）±垂蕩（H）；

重力（G）±艏搖（P）±垂蕩（H）。

垂蕩被認(rèn)為始終作用于整體坐標(biāo)系的豎直方向。

根據(jù)以上船舶的運動規(guī)律，將其在最危險位置各方向的加速度求出，可以計算出各工況組合下導(dǎo)管架慣性力的大小。下面選取其中一種工況組合（G+R+H）分析導(dǎo)管架各向加速度的算法。

計算導(dǎo)管架加速度時，需要考慮4部分的加速度作用：其一，導(dǎo)管架重力在整體坐標(biāo)系中產(chǎn)生的-Z方向加速度，大小為g；其二，垂蕩產(chǎn)生在整體坐標(biāo)系中的-Z方向加速度，大小為0.2 g；其三，橫搖產(chǎn)生繞X軸轉(zhuǎn)向Y軸正向的轉(zhuǎn)動角加速度Ry；其四，為了抵消第一步重力預(yù)加載的結(jié)果，添加沿SACS坐標(biāo)系+Z方向的加速度g。

導(dǎo)管架加速度推導(dǎo)過程示意如圖5所示，工況（G+R+H）各向加速度具體計算過程如下：

圖5 導(dǎo)管架加速度計算示意（優(yōu)化做法）

（1）線加速度（水平方向）：

垂蕩分解：-0.2 g× sin20°=-0.068 g；

重力分解：-1.0 g× sin20°=-0.342 g；

水平方向總計：-0.068 g-0.342 g=-0.410 g。

（2）線加速度（豎直方向）：

垂蕩分解：-0.2 g× cos20°=-0.188 g；

重力分解：-g×cos20°=-0.940 g；

抵消重力用加速度：g；

豎直方向總計：-0.188g-0.940g+g=-0.128g。

（3） 角加速度（橫搖）：

Ry=7.896°/s2。

用同樣的方法可以算得其他幾種工況組合下導(dǎo)管架各向加速度的大小。

2.5 計算結(jié)果及比較

如果對該導(dǎo)管架拖航采用常規(guī)做法進(jìn)行計算，即不將重力與慣性力分開單獨計算，而是采用一步完成的方式進(jìn)行，其加速度計算示意如圖6所示。常規(guī)做法與優(yōu)化做法（將重力與慣性力分開單獨計算）的計算結(jié)果對比如表1所示。

圖6 導(dǎo)管架加速度計算示意（常規(guī)做法）

表1 兩種計算方法結(jié)果對比

對比兩種計算方法的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)主結(jié)構(gòu)桿件UC值相差不大，而裝船固定的UC值相差較大，其原因在于傳統(tǒng)計算方法中，裝船固定會承受較大的重力豎向分力的作用。

由此可以看出：將重力與慣性力分別加載可以有效防止裝船固定承受較大的重力豎向分力，計算結(jié)果更加符合拖航實際。

3 結(jié)論

（1）在導(dǎo)管架實際建造過程中，拖航固定件往往是在導(dǎo)管架整體建造完畢后焊接，導(dǎo)管架自身重力其實全部由預(yù)先設(shè)置在導(dǎo)管架底部的墊堆承受。

（2）常規(guī)做法中，對導(dǎo)管架在重力及慣性力作用下的影響是同步完成的，計算中導(dǎo)管架拖航固定件會承受較大的重力豎向力，這與實際受力情況不符。

（3）本文介紹的一種導(dǎo)管架拖航強度分析的優(yōu)化做法，將拖航分析中的重力加載和慣性力加載分別進(jìn)行，在重力加載中，拖航固定件起不到支撐重力的作用，可使裝船固定受力更加符合實際，對類似的結(jié)構(gòu)物拖航強度分析具有一定的參考價值。