非對稱無橫撐半潛式起重平臺下水方案強度評估

張 坤，孔國照，李少澤

（招商局重工江蘇有限公司，江蘇 海門 226100）

0 引 言

近年來，隨著石油價格的下降和鉆井需求的減少，海洋油氣開采企業(yè)投資的速度開始放緩，海上鉆井平臺市場開始面臨產(chǎn)能過剩的問題。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)前全球有7 000多個海工平臺，其中有1 000多個4 000 t以上的老舊平臺需拆解，半潛式起重平臺（Semi-Submersible Crane Vessel, SSCV）作為開展老舊平臺拆解作業(yè)所需的重要海洋工程裝備，具有良好的移動性能，能適應(yīng)嚴(yán)峻的海況條件，可在水深較深的海域作業(yè)[1]，因此SSCV具有廣闊的市場前景。

平臺下水是整個平臺全生命周期內(nèi)很重要的一個環(huán)節(jié)，是對其結(jié)構(gòu)強度進行第一次檢驗的關(guān)鍵時刻，采取的下水方案不合理或得到的計算數(shù)據(jù)不精確，都會導(dǎo)致平臺自身及其承載的結(jié)構(gòu)受損，甚至導(dǎo)致平臺下水失敗。因此，正確評估各種下水方案，準(zhǔn)確分析與結(jié)構(gòu)受力有關(guān)的各種數(shù)據(jù)，選擇合理的下水方式，是平臺下水前必須完成的工作。

1 SSCV概述

本文的研究對象為某SSCV的1號船與2號船。每艘船均采用非對稱無橫撐結(jié)構(gòu)形式，左右浮筒一大一小；配備2臺重型起重機，總起重能力可達(dá)4400t。每艘船可容納750人，采用DP-3船舶動力定位系統(tǒng)，用于在深水中移除海底平臺結(jié)構(gòu)及系泊設(shè)備，并可用于拆卸、裝配和拖帶海上鉆井平臺。圖1為平臺展示圖。

1.1 SSCV結(jié)構(gòu)主要參數(shù)說明

該SSCV入級美國船級社（American Bureau of Shipping, ABS）[2]，其主要參數(shù)為：總長 137.75m；型寬81.00m；主甲板距基線高度42.80m；結(jié)構(gòu)吃水30.00m；最大作業(yè)吃水26.40m；作業(yè)吃水20.00m；自存吃水17.00m；拖帶吃水10.50m；排水量（水深20m）49750t。

圖1 平臺展示圖

1.2 平臺下水主要難點和解決方案

根據(jù)下水原理，海洋平臺下水方法主要有重力式下水、漂浮式下水和機械化下水等3種，此外還有氣囊下水和水墊下水等[3]。漂浮式下水相比其他下水方式更安全，但若操縱過程中有疏忽，也易引發(fā)事故，給企業(yè)帶來嚴(yán)重?fù)p失。因此，已有很多學(xué)者對船舶出塢的安全性進行分析。例如，龔玉玲等[4]對基于風(fēng)險優(yōu)先數(shù)的漂浮式下水安全評估技術(shù)進行了研究，建立了風(fēng)險優(yōu)先數(shù)評估模型，由此判斷船舶下水的危險程度，提前篩查、排除隱患，確保船舶安全出塢。本文所述SSCV是在干船塢建造的，采用漂移式下水方法，除了正確計算漂移時SSCV的浮態(tài)，調(diào)配好艙內(nèi)的壓載水以外，難點是船塢內(nèi)的水深不足以使SSCV獨自安全漂移出塢，如何提供額外的舉力使SSCV安全出塢，是在制訂下水方案時要解決的關(guān)鍵問題。

SSCV 1號船與2號船是同一類型船，采取不同的下水方案，通過對SSCV采取的2種下水方案和結(jié)構(gòu)強度進行評估，為以后類似項目的開展提供借鑒，得到既安全又經(jīng)濟的下水方案。

2 SSCV 1號船下水方案設(shè)計及強度評估

2.1 下水方案1

SSCV 1號船的額外舉力是由3艘駁船相互疊加提供的（單艘駁船高度不夠，因此采用3艘駁船疊加的方式實現(xiàn)對SSCV的支撐），最上層駁船設(shè)置立柱模塊和枕木。提供額外舉力的3艘駁船分別為駁船1（128.0m×40.0m×7.5m）、駁船2（85.0m×32.0m×7.5m）和駁船3（82.0m×28.0m×7.6m）。駁船疊加示意見圖2。

圖2 駁船疊加示意

下水方案1流程：駁船疊加，依次吊到最大舉力駁船上，船塢內(nèi)放水，開塢門，拖曳駁船進塢，關(guān)塢門，塢內(nèi)排水至7.5m，駁船開始進入SSCV下方指定位置，塢內(nèi)放水直至枕木與底板開始接觸，同時調(diào)整駁船的壓載水，使其在上浮過程中提供約86000kN的凈浮力，SSCV 1號船開始起浮直至達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，確認(rèn)之后往塢口拖曳，同時開塢門，拖到指定停泊區(qū)域，最后使駁船壓載下潛并調(diào)整SSCV 1號船的壓載狀態(tài)，保證其在整個分離過程中不會出現(xiàn)過大傾斜。至此，完成SSCV 1號船整個下水過程。

2.2 主船體結(jié)構(gòu)有限元模型與加載

主要分析SSCV 1號船下水時主船體的結(jié)構(gòu)強度。建立船體結(jié)構(gòu)的有限元模型，模型范圍為14.3m以上的船體結(jié)構(gòu)。圖3為主船體結(jié)構(gòu)有限元模型。

模型邊界條件采用自由邊界條件，支反力與自重實現(xiàn)自由平衡。3艘駁船疊加提供的舉力為86000kN，考慮到存在不確定的環(huán)境因素，在計算分析中，模型施加在枕木上的反頂力保守取為129000kN（安全系數(shù)取為1.5），將支撐力平均施加在與枕木接觸的船體結(jié)構(gòu)底板上，方向垂直向上。

圖3 主船體結(jié)構(gòu)有限元模型

2.3 主船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力評估

通過計算分析可知，在枕木與SSCV 1號船主船體結(jié)構(gòu)接觸的區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力峰值，存在高應(yīng)力的區(qū)域為縱向肋位P6～S3和橫向肋位FR13～FR42，其中最大馮氏應(yīng)力為161.1MPa（見圖4），出現(xiàn)在滑道與船體結(jié)構(gòu)接觸的縱向肋板上的開孔附近（P6處），強度滿足ABS規(guī)范的要求。但是，仍需對滑道與船體結(jié)構(gòu)接觸的所有肋板上的開孔進行封堵，避免對開孔附近結(jié)構(gòu)造成破壞。對承受最大壓應(yīng)力的板格進行屈曲分析，最大UC值為0.83，強度滿足ABS相關(guān)規(guī)范的要求。

圖4 SSCV1號船相關(guān)船體結(jié)構(gòu)最大馮氏應(yīng)力圖

3 SSCV 2號船下水方案設(shè)計及強度評估

3.1 下水方案2

SSCV 2號船的額外舉力是由駁船提供的，駁船上方安裝有支撐工裝，支撐工裝由箱梁模塊、高塔架模塊、箱梁立柱模塊和枕木組成。駁船及其支撐工裝示意見圖5。

圖5 駁船及其支撐工裝示意

下水方案2流程：船塢內(nèi)放水，開塢門，拖曳駁船進塢，關(guān)塢門，塢內(nèi)排水至7.5m，駁船開始進入平臺下方指定位置，塢內(nèi)放水至支撐工裝頂端枕木與底板開始接觸，同時調(diào)整駁船的壓載水，使其在上浮過程中提供約49000kN的凈浮力，SSCV 2號船開始起浮直至達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，確認(rèn)之后往塢口拖曳，同時開塢門，拖到指定停泊區(qū)域，最后使駁船壓載下潛并使SSCV 2號船壓載起浮，保證其在整個分離過程中不會出現(xiàn)過大傾斜。至此，完成SSCV預(yù)算2號船整個下水過程。

3.2 主船體結(jié)構(gòu)有限元模型與加載

主要分析SSCV 2號船下水時主船體的結(jié)構(gòu)強度及其下方自制舉托工裝的結(jié)構(gòu)強度。考慮駁船與自制工裝一起托舉SSCV 2號船的整體穩(wěn)定性，建立整個船體結(jié)構(gòu)的有限元模型。模型邊界條件仍采用自由邊界條件。駁船與舉托工裝提供的舉力為49000kN，考慮到存在不確定的環(huán)境因素，在計算分析過程中，模型施加在枕木上的反頂力保守取為73500kN，將該反頂力平均施加在與枕木接觸的船體結(jié)構(gòu)底板上。此外，由于防傾拉桿大部會因受壓受彎而失穩(wěn)，在計算中防傾拉桿按失效處理，未模擬。計算分2部分進行，即船體結(jié)構(gòu)強度分析和工裝結(jié)構(gòu)強度分析。圖6為船體及相關(guān)結(jié)構(gòu)有限元模型。

圖6 船體及相關(guān)結(jié)構(gòu)有限元模型

模型邊界條件仍采用自由邊界條件。計算分2部分進行，即船體結(jié)構(gòu)強度分析和工裝結(jié)構(gòu)強度分析?？紤]駁船和自制工裝托舉的SSCV 2號船的整體穩(wěn)定性，計算中除了考慮垂向駁船提供的托舉力以外，還需考慮橫向載荷和縱向載荷，自制工裝的載荷與作用在船底板上的載荷方向相反，文中未作展示。此外，由于防傾拉桿大部會因受壓受彎而失穩(wěn)，計算中防傾拉桿按失效處理，未模擬。作用在船底板上的具體載荷方向見表1，載荷數(shù)值大小如下：

1) 垂向7350kN（駁船提供49000kN托力，計算中考慮環(huán)境不確定因素，取安全系數(shù)為1.5）；

2) 橫向2450kN（極限吃水差1m，作用在枕木頂部的橫向載荷為垂向載荷的1.2%，計算中取5%托力作為橫向載荷）；

3) 縱向400kN（2倍駁船拖航阻力，駁船拖航阻力為175kN，計算中拖航阻力取200kN）。

表1 下水方案2載荷列表

3.3 主船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力評估

通過計算分析可知，在枕木與SSCV 2號船的主船體結(jié)構(gòu)接觸的區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力峰值，存在高應(yīng)力的區(qū)域為縱向肋位P6～S3和橫向肋位FR25～FR35，其中最大馮氏應(yīng)力為146.4MPa（見圖7），出現(xiàn)在枕木與船體結(jié)構(gòu)接觸的縱向肋板上（縱向肋位S3處），強度滿足ABS規(guī)范的要求[2]。對承受最大壓應(yīng)力的板格進行屈曲分析，強度滿足ABS規(guī)范的要求。通過甲板駁兩端施加載荷總計24000kN，甲板駁整體變形趨于平緩，自制工裝結(jié)構(gòu)屈服和屈曲情況明顯改善，強度滿足ABS規(guī)范的要求。

圖7 SSCV2號船相關(guān)船體結(jié)構(gòu)最大馮氏應(yīng)力圖

4 結(jié) 語

通過對上述2種下水方案的結(jié)構(gòu)強度進行評估，可得到這2種下水方案的優(yōu)劣對比見表2。

表2 2種下水方案優(yōu)劣對比

對結(jié)構(gòu)強度進行分析比較得出：方案1采用3艘駁船相互疊加的方式提供較大舉托力，下水過程中的穩(wěn)定性較強，但因為是外租駁船，下水成本較高；方案2采用的駁船與船廠自制工裝組合提供的舉托力雖然有限，但下水成本較低。2種下水方案都是通過一定的方式提供額外托舉力，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在枕木支撐船體底部的艙壁處，應(yīng)力值都小于許用應(yīng)力值，主船體結(jié)構(gòu)強度滿足規(guī)范的要求。方案2還有很大的研究空間，后續(xù)可完善該方案，提高自制工裝對整船的支撐強度和整體穩(wěn)定性的保障，為后續(xù)采用類似下水方案提供數(shù)據(jù)支撐，得到既安全又經(jīng)濟的平臺下水方案。