某起重鋪管船航行中的托管架綁扎校核與結(jié)構(gòu)分析

張 偉， 寧 飛

(1.煙臺(tái)打撈局，山東 煙臺(tái) 264012； 2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

某起重鋪管船在上海建造，首航至印尼卡里姆。在航行時(shí)，2節(jié)托管架綁扎在甲板上，1節(jié)托管架固定在艉部鋪管作業(yè)位置，因此需要對(duì)該船進(jìn)行波浪載荷預(yù)報(bào)和托管架綁扎及其結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算。甲板貨物的綁扎系固是航行安全的關(guān)鍵點(diǎn)，一般在運(yùn)輸船的穩(wěn)性等滿(mǎn)足要求的前提下，良好的綁扎是保證海洋結(jié)構(gòu)物安全運(yùn)輸?shù)氖滓獥l件[1]。為保證運(yùn)輸安全，諸如美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)、挪威船級(jí)社(DNV)等在其規(guī)范[2-3]中對(duì)綁扎均有指導(dǎo)性要求。采用MOSES軟件進(jìn)行建模，將計(jì)算得到的環(huán)境參數(shù)導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(Structural Analysis Computer System，SACS)進(jìn)行托管架綁扎校核[4-5]，經(jīng)多次實(shí)踐與計(jì)算印證，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況吻合度較高。

1 計(jì)算模型

該船總長(zhǎng)為199.0 m，型寬為48.6 m，型深為15.0 m，作業(yè)甲板至基線為22.5 m，設(shè)計(jì)吃水為7.5 m，最大吃水為10.6 m，設(shè)計(jì)航速為13 kn，定位系統(tǒng)為DP 3級(jí)。在艉部布置1臺(tái)起重能力為5 000 t的全回轉(zhuǎn)起重機(jī)，適應(yīng)水深為3 000 m。該船航行中的托管架布置如圖1所示。

圖1 某起重鋪管船航行中的托管架布置

為得到該船在運(yùn)載托管架時(shí)的極限環(huán)境條件，應(yīng)對(duì)航行中的極端惡劣氣象海況，為航行安全提供安全預(yù)報(bào)，基于MOSES軟件建立船體模型及船體-托管架模型，如圖2所示。

圖2 基于MOSES軟件建立的船體模型及船體-托管架模型

船體模型是為進(jìn)行靜水力計(jì)算，對(duì)比該船穩(wěn)性計(jì)算書(shū)以確定模型的準(zhǔn)確性。船體模型需要與船體設(shè)計(jì)盡可能一致，且滿(mǎn)足中國(guó)船級(jí)社(CCS)規(guī)范規(guī)定的誤差要求。船體-托管架模型是為進(jìn)行水動(dòng)力分析計(jì)算，按照規(guī)范及船舶設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)計(jì)算船體-托管架的極限運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，得到波浪作用下的船體最大響應(yīng)幅值算子(Response Amplitude Operator，RAO)值[6]。采用SACS對(duì)運(yùn)輸過(guò)程中的托管架進(jìn)行綁扎校核，在MOSES軟件計(jì)算結(jié)果中得到環(huán)境參數(shù)后對(duì)艉部托管架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析[7]。綁扎在甲板上的2節(jié)托管架，在MOSES軟件中計(jì)算運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)可采用等效重量及風(fēng)面積，根據(jù)API規(guī)范，采用模塊法對(duì)有效投影面積進(jìn)行計(jì)算，從而得到相應(yīng)的風(fēng)力系數(shù)[8]。

艉部托管架處于待命(Stand-by)航行狀態(tài)，共4個(gè)鉸點(diǎn)，2個(gè)上鉸點(diǎn)通過(guò)連桿與液壓設(shè)備連接鎖定，2個(gè)下鉸點(diǎn)與艉部鉸鏈結(jié)構(gòu)鉸接。無(wú)論是在航行中還是在鋪管作業(yè)中，下鉸點(diǎn)均為托管架支撐點(diǎn)，是結(jié)構(gòu)分析的重點(diǎn)。艉部托管架模型及鉸點(diǎn)如圖3所示，右圖中的鉸點(diǎn)最終與船上的液壓步進(jìn)器連接，完成與船體的鉸接(SACS等效模型與照片略有區(qū)別)，約束點(diǎn)為上鉸點(diǎn)TOP A/TOP B和下鉸點(diǎn)BOT A/BOT B。

圖3 艉部托管架模型及鉸點(diǎn)示例

2 計(jì)算分析

2.1 波譜函數(shù)

運(yùn)動(dòng)分析采用三維勢(shì)流理論，為獲得船體-托管架運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，在MOSES軟件中設(shè)置單位振幅波，并將每個(gè)波的運(yùn)動(dòng)方程線性化，再結(jié)合不同的范圍，得到近似值的極值。對(duì)于1組相遇波周期，其周期為3～25 s，波向相對(duì)船軸向?yàn)?°～315°。六自由度幅值RAO在計(jì)算時(shí)考慮所有重量組成，即船舶重量、壓載及有定義的貨物，因此將每個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)RAO乘以頻譜平方，再乘以概率因子，即可得到頻譜運(yùn)動(dòng)值。以相同方式，程序針對(duì)每個(gè)結(jié)構(gòu)點(diǎn)的振幅和相位方面的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，計(jì)算設(shè)計(jì)海況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，輸出預(yù)報(bào)結(jié)果。在MOSES軟件中，近海和海灣采用JONSWAP譜，開(kāi)闊海域采用ISSC譜[9]，該船主要航行在南海海域，因此采用ISSC譜進(jìn)行計(jì)算，波譜函數(shù)[10]為

(1)

式中：ω為譜峰角頻率，rad/s；Hs為有義波高；T1為特征周期。

考慮波的不確定性，計(jì)算0°～315°、間隔45°、共8個(gè)方向(0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°)的波浪響應(yīng)值。

2.2 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

船體-托管架運(yùn)動(dòng)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)采用瑞利分布法統(tǒng)計(jì)極值，函數(shù)定義為

(2)

為統(tǒng)計(jì)超出波高總個(gè)數(shù)的1/p個(gè)大波高的統(tǒng)計(jì)極值，對(duì)該函數(shù)進(jìn)行解析，最終表述為

(3)

式中：A1/p為1/p的統(tǒng)計(jì)極值；p為連續(xù)記錄的波高總個(gè)數(shù)。

計(jì)算統(tǒng)計(jì)1/1 000的極值，可表述為A1/1 000=3.72σ。據(jù)此計(jì)算分析，得到RAO計(jì)算值。

波浪信息參考船舶設(shè)計(jì)信息及中國(guó)南海最危險(xiǎn)海區(qū)設(shè)計(jì)參數(shù)，確定最大波高為8.2 m，吃水為10.0 m。在穩(wěn)定分析所確定的航行狀態(tài)下，計(jì)算8個(gè)浪向，通過(guò)時(shí)域分析方法確定艉部托管架RAO曲線，如圖4所示。

圖4 艉部托管架RAO曲線

采用時(shí)域計(jì)算方法，計(jì)算3 h時(shí)長(zhǎng)，提取數(shù)據(jù)整理得到艉部托管架各浪向加速度極值，如表1所示。

3 航行安全評(píng)估

基于確定的航行條件進(jìn)行船舶穩(wěn)性校核，結(jié)果如圖5所示。穩(wěn)性計(jì)算以國(guó)際海事組織(IMO)穩(wěn)性要求為基礎(chǔ)，計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足穩(wěn)性要求；同時(shí)進(jìn)行總縱強(qiáng)度校核，彎矩及剪力均小于許用值，最大彎矩為許用值的62.5%，最大剪力為許用值的63.7%。穩(wěn)性及總縱強(qiáng)度均滿(mǎn)足規(guī)范及航行安全的要求。

圖5 連接點(diǎn)受力結(jié)果

在航行中，無(wú)論是在重量還是在中心高度或貨物價(jià)值方面，托管架均為重點(diǎn)。因此，安全預(yù)報(bào)主要考慮艉部托管架。將表1中的艉部托管架各浪向加速度極值組合疊加放至SACS中，進(jìn)行航行中的結(jié)構(gòu)安全預(yù)報(bào)。需要注意的是：表1中的6個(gè)加速度是艉部鉸鏈點(diǎn)的加速度，采用SACS進(jìn)行計(jì)算時(shí)應(yīng)確定托管架重心點(diǎn)至鉸鏈的相對(duì)位置。該船的相應(yīng)數(shù)據(jù)為：x方向20.8 m，y方向9.8 m，z方向8.7 m。

表1 艉部托管架各浪向加速度幅值

將加速度極值導(dǎo)入SACS中進(jìn)行節(jié)點(diǎn)計(jì)算分析。需要注意的是：艉部托管架在航行時(shí)部分入水，應(yīng)考慮一定的浮力，在計(jì)算時(shí)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。托管架的4個(gè)連接點(diǎn)均為鉸接，在計(jì)算時(shí)需要考慮航行工況下的鉸點(diǎn)受力及托管架內(nèi)部節(jié)點(diǎn)受力。計(jì)算結(jié)果如表2所示。對(duì)比各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)最大許用值，各節(jié)點(diǎn)受力均小于設(shè)計(jì)許用值，滿(mǎn)足規(guī)范及航行安全的要求(TOP A/TOP B僅考慮拉應(yīng)力)。

表2 艉部托管架鉸點(diǎn)受力統(tǒng)計(jì)

圖6 托管架1主要桿件節(jié)點(diǎn)UC值及桿件

4 結(jié) 語(yǔ)

在船舶穩(wěn)性等航行條件得到保證的前提下，有效的綁扎措施及綁扎校核是保證安全運(yùn)輸?shù)氖侄?，且所有的綁扎?jì)算及設(shè)計(jì)均須滿(mǎn)足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。以MOSES軟件及SACS為基礎(chǔ)，對(duì)某起重鋪管船進(jìn)行船舶航行安全預(yù)報(bào)，主要進(jìn)行艉部托管架結(jié)構(gòu)分析，兼顧船舶穩(wěn)性及總縱強(qiáng)度。由計(jì)算結(jié)果可知：艉部托管架主要連桿節(jié)點(diǎn)UC值均小于1，滿(mǎn)足安全要求。相關(guān)計(jì)算為該船航行安全提供數(shù)據(jù)支持，可為其他類(lèi)似船舶的航行運(yùn)輸提供參考。