半潛式起重船結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

吳 迪， 姜 蘇， 吳翠江

(中集來福士海洋工程有限公司 研發(fā)部， 山東 煙臺 264670)

0 引 言

近年來，隨著海洋油氣開發(fā)、平臺拆解、風(fēng)電安裝運維和海難救助等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，大型起重船的設(shè)計和建造得到了業(yè)界廣泛關(guān)注。半潛式起重船(Semi-Submersible Crane Vessel，SSCV) 具有自航、半潛和重型吊載等功能，目前全球正在運營的SSCV數(shù)量較少，且大多是在20世紀90年代以前建造的。由于建造和運營的成本較高、建造的技術(shù)難度較大，近年此類型船很少建造。荷蘭油氣工程承包商HMC (Heerema Marine Contractors)的“Sleipnir”號SSCV于2019年交付，該船長220 m，寬102 m，排水量為27萬t，配備有2臺10 000 t全回轉(zhuǎn)起重機。該船2019年完成了15 300 t重模塊的吊裝任務(wù)，2020年在挪威北海地區(qū)成功移除了重達8 100 t的平臺導(dǎo)管架，2次作業(yè)均創(chuàng)下了當時的單次吊載重量世界紀錄。此后，該船又安全移除并運輸了超過43 900 t重的海上基礎(chǔ)設(shè)施。中國招商重工為挪威OHT(Offshore Heavy Transport)公司建造的“Alfa Lift”號SSCV于2021年交付，該船可載貨甲板的長度為148 m，總載重量達4.8萬t，配備有起重能力達3 000 t的起重機，主甲板可下潛至水下15 m。

從功能上看，SSCV是常規(guī)的半潛船與起重船的結(jié)合體，具有船寬大、型深小、壓載艙多、穩(wěn)性和操作性好等特點，其主尺度、艙室設(shè)置、設(shè)備布置和操作模式與常規(guī)的貨物運輸船有很大區(qū)別。目前，該類型船的結(jié)構(gòu)設(shè)計還沒有完備的母型船資料可供參考，需在設(shè)計過程中針對具體問題作具體分析。

1 船舶概況

本文以某SSCV為研究對象，其布置類似于半潛船，采用三島式型式。艏部設(shè)置艏樓和生活樓，艉部設(shè)置艉浮箱。全回轉(zhuǎn)重吊的最大起重能力為5 000 t，對應(yīng)的最大回轉(zhuǎn)半徑為36 m。為方便進行風(fēng)電安裝作業(yè)和減少對甲板裝貨面積的占用量，重吊布置在左舷靠近艉部的位置，船舶下潛時重吊的基座可兼作浮箱。該船設(shè)置有較多的壓載艙，既能保證有足夠的下潛能力，又能控制重吊作業(yè)時的浮態(tài)。全船布置有11道水密橫艙壁和4道水密縱艙壁。該船的主尺度和總布置圖分別見表1和圖1。

表1 目標船主尺度

a) 側(cè)視圖

該船入級挪威船級社(Det Norske Veritas，DNV)，與結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)的船級符號為：DNV GL★ 1A, Crane vessel, Semi-submersible heavy transport vessel, Strengthened(DK), Ice(1C), DAT(-20 ℃)。

該船主要有航行、重吊作業(yè)和半潛作業(yè)等3種操作模式，各操作模式對應(yīng)的設(shè)計海況見表2。

表2 目標船各操作模式對應(yīng)的設(shè)計海況

2 船體結(jié)構(gòu)概況

與常規(guī)半潛船的作業(yè)特點[1]類似，SSCV要做到能潛能浮。保持浮力與重力的平衡是整船設(shè)計的重點。若空船重量過輕，則達不到預(yù)定的下潛深度；若空船重量過重，則達不到要求的載重量。船體結(jié)構(gòu)重量占空船重量的比例通常很高。因此，在船型方案論證階段準確估算船體結(jié)構(gòu)重量并在設(shè)計過程中進行跟蹤和控制是非常必要的，以確保船體結(jié)構(gòu)重量保持在設(shè)定值附近。

2.1 中橫剖面

合理設(shè)計船體中橫剖面是使結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足船舶總縱強度和船舶功能實施要求的基礎(chǔ)。中橫剖面上構(gòu)件的布置既要考慮到結(jié)構(gòu)功能的合理性，又要保證結(jié)構(gòu)形式簡單、施工方便，同時還要滿足船體強度和剛度的要求。因此，在設(shè)計船體中橫剖面時，應(yīng)綜合考慮載荷(包括設(shè)計靜水彎矩、波浪彎矩和局部載荷)、骨架及骨材形式選取、骨材間距和材料選擇等因素。

SSCV的船型比較特殊，典型的中橫剖面示意見圖2。主甲板下方2 400 mm處設(shè)置有一層非水密的中間甲板(高度為距基線13 600 mm，即13 600 ABL，其余位置高度格式與此相同)，方便檢修人員在該平臺上對主甲板的下表面進行檢修和補漆等操作；同時，雙層結(jié)構(gòu)的甲板板架具有較好的結(jié)構(gòu)強度和剛度，滿足甲板載荷的設(shè)計要求。左舷距中17 600 mm的縱艙壁旁中間甲板下方設(shè)置有一條通道，可從船尾通行至船首機械處所。該船的壓載艙較多，采用集中透氣的方法，左右舷各設(shè)置1個集中透氣通道。由于壓載管路及相關(guān)設(shè)備較多，左、中、右各布置1個管弄，高度為3 200 mm。管弄周界的船體結(jié)構(gòu)采用外翻的形式，以保證內(nèi)部壓載管路的布置和操作空間滿足要求。為保證內(nèi)底結(jié)構(gòu)強度的連續(xù)性，管弄頂部逐漸傾斜過渡至內(nèi)底板(高度為2 400 mm)。

圖2 典型的SSCV中橫剖面示意

2.2 甲板載荷

該船主甲板的局部設(shè)計載荷如下：

1) 均布載荷為30 t/m2；

2) 橫縱艙壁處線載荷為300 t/m；

3) 橫縱強框架處線載荷為100 t/m。

對于甲板載荷作用下的船體結(jié)構(gòu)強度而言，除了按船級社規(guī)范的要求對甲板板厚和甲板縱骨剖面模數(shù)進行校核以外，還應(yīng)采用有限元計算的方法對甲板板架的強度進行校核。由于需要經(jīng)常進行焊接和氣刨等操作，主甲板額外增加2 mm的厚度。

2.3 骨架形式和骨材間距

該船的型寬B與型深D的比值B/D很大，對船體梁的總強度不利。為滿足規(guī)范的要求，除了舷側(cè)冰帶區(qū)域和艏尖艙以外，船體結(jié)構(gòu)均采用縱骨架形式。強框間距的設(shè)置應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)重量、施工成本和結(jié)構(gòu)強度三者之間的平衡。每3檔肋位設(shè)置1個橫向強框，間距為2 400 mm。

由于該船的船體結(jié)構(gòu)承受的局部載荷很大，例如30 t/m2的甲板均布載荷、下潛至最大水深25 m時舷外海水對船體結(jié)構(gòu)的壓力、設(shè)置在高處的溢流管(該高度超過最大下潛深度)導(dǎo)致的較大的液艙內(nèi)部壓力等，因此船體結(jié)構(gòu)的板厚較厚，屈曲承載能力較強，采用較大的骨材間距(800 mm)既方便施工并減少焊接工作量，又不會因板格較寬而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的屈曲承載能力不足。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意的問題

3.1 設(shè)計溫度對結(jié)構(gòu)鋼級的影響

根據(jù)DNV規(guī)范的要求，若船舶在溫度小于-10 ℃的區(qū)域作業(yè)，則必須選擇強制性入級符號DAT(xx)，括號內(nèi)的“xx”為對應(yīng)的環(huán)境溫度，本文所述SSCV對應(yīng)的環(huán)境溫度為-20 ℃。船體結(jié)構(gòu)鋼級應(yīng)滿足文獻[2]中的相關(guān)要求(Part 6, Chapter 6, Section 5, 2.2)。表3為該船船中0.4L(L為規(guī)范船長)內(nèi)典型位置處結(jié)構(gòu)鋼級選用情況及其與正常氣溫下要求的鋼級對比。

3.2 波浪載荷

SSCV在重吊作業(yè)模式下對穩(wěn)性的要求較高，因此該類型船對船寬的要求比常規(guī)的半潛船高。本文所述SSCV的主尺度比(L/B=4.1，B/D=3.5)遠超過船級社規(guī)范中給出的主尺度比的適用范圍(L/B>5.0,B/D<2.5)，航行模式和作業(yè)模式下的波浪載荷都需采用預(yù)報的方法計算[2]。采用DNV的Sesam/HydroD軟件，選取裝載手冊中典型的航行工況和重吊作業(yè)工況進行預(yù)報。對于航行工況，采用北大西洋波浪散布圖進行長期預(yù)報[3]，波浪譜選用P-M譜。超越概率取10-8，該數(shù)值大致對應(yīng)于20 a一遇波浪的超越概率設(shè)計值。在計算船體疲勞載荷(垂向彎矩和水平彎矩)時，超越概率取10-2。對于重吊作業(yè)工況，采用短期預(yù)報的方式，波浪譜采用JONSWAP譜[4]。具體的波浪載荷預(yù)報過程和預(yù)報結(jié)果見文獻[5]。

表4為各種典型工況下的垂向彎矩峰值預(yù)報結(jié)果與規(guī)范值對比。將航行工況(超越概率為10-8)下預(yù)報得到的波浪彎矩的峰值與規(guī)范值(詳見文獻[2]中的Part 3, Chapter 4, Section 4, 3)相對比，結(jié)果見表4。從表4中可看出，航行工況(超越概率為10-8)下的最大彎矩預(yù)報值約為規(guī)范值的1.4倍，重吊作業(yè)工況下的波浪彎矩預(yù)報峰值為航行工況(超越概率為10-8)下的波浪彎矩預(yù)報峰值的15%，進一步驗證了對于此類超尺度比的SSCV的波浪載荷而言，采用規(guī)范中的經(jīng)驗公式無法滿足設(shè)計要求，必須采用直接計算的方法進行計算。

表4 各種典型工況下的垂向波浪彎矩預(yù)報結(jié)果與規(guī)范值對比

3.3 縱骨疲勞計算

結(jié)合第3.2節(jié)中計算得到的航行工況下的波浪彎矩(對應(yīng)超越概率為10-2)，采用簡化應(yīng)力分析方法和DNV的規(guī)范計算軟件Nautics Hull對縱向骨材與肋板或強框架的端部連接處的疲勞壽命進行計算。疲勞設(shè)計壽命取為25 a，海況環(huán)境取全球海況環(huán)境，對應(yīng)的環(huán)境系數(shù)fe=0.8。常規(guī)貨船由于經(jīng)常在惡劣的海況下航行，其海況環(huán)境通常取北大西洋海況環(huán)境，對應(yīng)的環(huán)境系數(shù)fe=1.0。船舶航行時的時間因子f0=0.85(不包括裝卸貨、維修等花費的時間)。疲勞計算的典型工況取滿載航行和壓載航行2種工況，時間比α均為0.5。

計算結(jié)果顯示，該船的船底縱骨與非水密肋板連接處的疲勞壽命不滿足規(guī)范的要求，需將船底縱骨與非水密肋板連接處的肘板改為軟趾形式，具體見表5。

表5 船底縱骨與非水密肋板處連接原始設(shè)計與修改后設(shè)計的疲勞壽命對比

3.4 吊機基座

布置在左舷靠近艉部的重型起重機的自重約為5 000 t，最大吊重為5 000 t。重吊的基座結(jié)構(gòu)設(shè)計為從上至下由圓形逐漸過渡為方形。方形的四周外圍壁結(jié)構(gòu)與甲板下方的橫縱艙壁和舷側(cè)外板對齊。采用這種方式的好處是利用現(xiàn)有的艙壁作為加強結(jié)構(gòu)，能減少額外增加加強結(jié)構(gòu)對甲板下艙室布置的影響。由于本文所述SSCV的半潛功能對壓載水量的需求很大，基座的方形部分的內(nèi)側(cè)四周設(shè)計為壓載艙。因此，基座的方形部分實際上是雙殼結(jié)構(gòu)。相對于單殼結(jié)構(gòu)來說，雙層結(jié)構(gòu)具有較好的強度和剛度。

3.5 有限元分析

不同于散貨船、油船和集裝箱船等常規(guī)貨船，SSCV的有限元分析沒有標準的有限元計算指南可供參考。目前各船級社的規(guī)范對SSCV的規(guī)定和描述都比較籠統(tǒng)且不完善。文獻[7]和文獻[8]給出了典型半潛船的有限元計算方法。對于本文所述SSCV來說，在對其開展有限元計算時，應(yīng)著重評估以下幾個方面的內(nèi)容。

1) 航行模式：除了著重評估總縱強度以外，還應(yīng)評估各種甲板載荷作用下的結(jié)構(gòu)強度。計算載荷考慮船體梁彎矩、甲板載荷、舷外水壓力和壓載水壓力等?？紤]壓載艙內(nèi)不同的裝載工況，并與各種甲板載荷相組合，共得到26種工況。

2) 半潛作業(yè)模式：著重評估與舷外水交界的甲板板架、舷側(cè)板架和底部板架的強度，共3種工況。

3) 重吊作業(yè)模式：著重評估起重設(shè)備的基座和甲板下加強結(jié)構(gòu)的強度。在基座與吊機的連接面處施加吊機以吊重為5 000 t、回轉(zhuǎn)半徑為36 m作業(yè)時的最大支反力(由吊機廠商提供)，吊臂每旋轉(zhuǎn)45°為1種工況，共8種工況。重吊基座和甲板下加強結(jié)構(gòu)有限元模型見圖3。

a) 顯示主甲板、船底板和基座外圍壁

該船采用三艙段方法對航行模式和半潛作業(yè)模式進行有限元分析，有限元模型和典型計算工況分別見圖4和圖5。

a) 甲板橫艙壁及外板板厚

a) 航行模式典型甲板均布載荷工況

對該船的三艙段有限元分析結(jié)果進行匯總，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，屈服強度不滿足規(guī)范要求的情況較多，屈曲強度不滿足規(guī)范要求的情況較少，進一步驗證了第2.3節(jié)中提到的增大骨材間距對于該船的結(jié)構(gòu)強度、重量和施工建造而言是有好處的。根據(jù)有限元計算結(jié)果，需進行結(jié)構(gòu)加強的典型位置見圖6。

a) 水密橫艙壁合成應(yīng)力(下潛工況)

該船的吊機基座及甲板下加強有限元計算結(jié)果顯示，基座底部與主甲板連接處的過渡大肘板有很明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，需進一步通過細化網(wǎng)格的有限元評估該處的結(jié)構(gòu)強度。圖7為吊機在吊重為5 000 t、回轉(zhuǎn)半徑為36 m的工況下作業(yè)時吊臂朝向船首時的重吊基座有限元分析合成應(yīng)力計算結(jié)果。

a) 外板

4 結(jié) 語

本文介紹了某SSCV的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點和強度分析方法，歸納了在對該類型船進行結(jié)構(gòu)設(shè)計分析過程中需考慮的關(guān)鍵問題：

1) 該類型船的寬度通常很大，主尺度比不滿足規(guī)范的適用要求，航行工況和重吊作業(yè)工況下的波浪載荷均需采用直接計算方法預(yù)報。對于該船來說，預(yù)報得到的航行工況下的最大彎矩約為規(guī)范值的1.4倍，重吊作業(yè)工況下的波浪彎矩預(yù)報峰值為航行工況下的15%。

2) 重吊的基座和加強結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)考慮對甲板下艙室布置的影響。

3) SSCV的有限元分析沒有標準的有限元計算指南可供參考。在對該類型船進行有限元計算時，應(yīng)著重評估其在航行工況和各種作業(yè)工況下的總強度和局部強度。有限元計算結(jié)果顯示，屈服強度不滿足規(guī)范要求的情況較多。增大骨材間距對于該船的結(jié)構(gòu)設(shè)計而言是有好處的。

該船目前還處于設(shè)計階段，文中提到的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和相關(guān)結(jié)論已得到DNV的認可，可供同類型船的結(jié)構(gòu)設(shè)計參考。