一種非對(duì)稱半潛式起重平臺(tái)有無(wú)橫撐方案對(duì)比

郭勤靜，徐立新，王金光，劉建成，陸海東，Indra Datta

(1.招商局工業(yè)集團(tuán)有限公司 研發(fā)中心，廣東 深圳 518067；2.招商局海洋裝備研究院有限公司，廣東 深圳 518067；3.招商局集團(tuán)海洋工程技術(shù)中心，江蘇 南通 226116)

0 引 言

世界海洋油氣資源的勘探與開(kāi)發(fā)已經(jīng)走向深海多年，許多服役多年的平臺(tái)逐漸老化，大型平臺(tái)的回收及運(yùn)輸市場(chǎng)潛力巨大，設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)具有超大起重能力和大模塊運(yùn)輸功能的半潛式起重平臺(tái)逐漸占據(jù)平臺(tái)安裝拆卸運(yùn)輸市場(chǎng)的份額。在這種超重型起重、拆解、大模塊運(yùn)輸功能需求下，對(duì)于有無(wú)橫撐，特別是無(wú)橫撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新船型，整個(gè)船體結(jié)構(gòu)的總體強(qiáng)度能否滿足世界范圍內(nèi)包括北海、巴倫支海、墨西哥灣等海域及冰區(qū)等的要求，變得格外重要。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)橫撐結(jié)構(gòu)已有一些具體研究及工程應(yīng)用[1-8]。從這些文獻(xiàn)可以看出，有無(wú)橫撐設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在市場(chǎng)中有著不同的競(jìng)爭(zhēng)力。

所設(shè)計(jì)的船型基于某超重型半潛式起重生活平臺(tái)，將2個(gè)12 500 t起重機(jī)平行布置于大浮筒上方對(duì)應(yīng)的甲板盒一側(cè)，計(jì)劃采用非對(duì)稱浮筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，考慮25 000 t聯(lián)合起吊，需要對(duì)船型設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)際分析。從無(wú)橫撐與有橫撐兩種船型出發(fā)，探討設(shè)計(jì)有無(wú)橫撐選擇的多種影響因素。然后從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，基于同一個(gè)總體質(zhì)量模型，對(duì)無(wú)橫撐與有橫撐方案的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析對(duì)比，進(jìn)而對(duì)該船型是否設(shè)計(jì)橫撐提供一定的量化參考依據(jù)，便于半潛式起重平臺(tái)船型開(kāi)發(fā)及優(yōu)化。

1 設(shè)計(jì)有無(wú)橫撐結(jié)構(gòu)考慮因素

主要從商務(wù)、設(shè)計(jì)、建造、風(fēng)險(xiǎn)等4個(gè)方面進(jìn)行考慮：

(1)商務(wù)方面。從市場(chǎng)上看，超重型無(wú)橫撐船型更新穎，對(duì)目標(biāo)客戶吸引力大；從資本支出上，無(wú)橫撐船型超大的上部連接處弧形板材料級(jí)別高，焊接工藝難度大，材料與建造成本更高；從運(yùn)營(yíng)成本上，無(wú)橫撐船型在相同航速下DP功率消耗更低，在同等功率下航速更快、操作性更佳、運(yùn)營(yíng)成本更低。

(2)設(shè)計(jì)方面。從穩(wěn)性設(shè)計(jì)上，相對(duì)于25 000 t起重船船體總重來(lái)說(shuō)，有無(wú)橫撐結(jié)構(gòu)引起整船重量重心的差別較小，影響較小；從運(yùn)動(dòng)氣隙和砰擊上，有橫撐船型存在橫撐砰擊問(wèn)題，且有橫撐阻尼更大，抨擊分析計(jì)算難度大；從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，有橫撐船型涉及橫撐的布置、橫撐連接處設(shè)計(jì)和強(qiáng)度疲勞分析，有無(wú)橫撐船型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率需要詳細(xì)對(duì)比。

(3)建造方面。從施工建造設(shè)備、碼頭深度、船塢條件等方面進(jìn)行考慮，無(wú)橫撐結(jié)構(gòu)下水難度較大，在建造上存在一定的困難?？紤]冰載荷下的拖航操作，無(wú)橫撐船型易于拖航。

(4)風(fēng)險(xiǎn)方面。對(duì)于超重型起重平臺(tái)，如單側(cè)布置2個(gè)12 500 t重型起重機(jī)、聯(lián)合起吊25 000 t、有冰級(jí)符號(hào)的船型，有無(wú)橫撐都存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于工程設(shè)計(jì)研究來(lái)說(shuō)，主要從設(shè)計(jì)方面對(duì)比有無(wú)橫撐、不同橫撐方案之間的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2 非對(duì)稱無(wú)橫撐方案

以一種非對(duì)稱無(wú)橫撐結(jié)構(gòu)船型的概念設(shè)計(jì)作為實(shí)例進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 船型主尺度

船型外觀布置如圖1所示，主尺度如表1所示。

圖1 船型外觀總布置圖

表1 船型主尺度

2.2 平臺(tái)載荷及計(jì)算

根據(jù)DNV-RP-C103[9]，平臺(tái)總體強(qiáng)度的控制因素較多，重點(diǎn)關(guān)注橫向分離力、橫向扭矩、縱向剪力和垂向彎矩等主要特征量的響應(yīng)，以及最大響應(yīng)值所對(duì)應(yīng)的波浪周期、浪向和相位。采用設(shè)計(jì)波方法對(duì)風(fēng)暴自存吃水的波浪載荷響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，利用確定性方法計(jì)算得到典型設(shè)計(jì)波的參數(shù)。在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)前期，即概念設(shè)計(jì)完成時(shí)，對(duì)風(fēng)暴自存工況進(jìn)行簡(jiǎn)化強(qiáng)度評(píng)估，對(duì)比此工況下船型結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果。

考慮本船型設(shè)計(jì)為左右非對(duì)稱浮筒，各工況的浪向搜索范圍為0°～360°，步長(zhǎng)為15°。根據(jù)公式計(jì)算特征周期及選擇范圍如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)波特征周期計(jì)算及選擇范圍 s

2.3 總體屈服強(qiáng)度計(jì)算及校核

根據(jù)半潛式平臺(tái)總體強(qiáng)度簡(jiǎn)化分析流程[10]，采用SESAM軟件創(chuàng)建簡(jiǎn)化質(zhì)量模型，在板殼模型中所有艙壁、實(shí)肋板等創(chuàng)建成板并以殼單元模擬，型材包括框架、加強(qiáng)筋、柱子等全部以梁?jiǎn)卧M，主要設(shè)備、壓載等以質(zhì)量點(diǎn)模擬。在總體有限元模型中加載(永久載荷)并根據(jù)壓載報(bào)告調(diào)平得到總體質(zhì)量模型如圖2所示，網(wǎng)格單元?jiǎng)澐执笮閺?qiáng)梁間距，邊界條件參考DNV-RP-C103[9]3點(diǎn)約束(3-2-1)方法。采用根據(jù)表3計(jì)算得到的設(shè)計(jì)波共計(jì)30個(gè)動(dòng)態(tài)和1個(gè)靜態(tài)工況，進(jìn)行總體強(qiáng)度計(jì)算，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)靜態(tài)工況組合，得到相應(yīng)總體屈服強(qiáng)度分析結(jié)果。

圖2 總體質(zhì)量模型-無(wú)橫撐方案

表3 風(fēng)暴自存工況下典型設(shè)計(jì)波參數(shù)

續(xù)表3 風(fēng)暴自存工況下典型設(shè)計(jì)波參數(shù)

2.4 總強(qiáng)度計(jì)算

無(wú)橫撐結(jié)構(gòu)方案在典型工況下的總體屈服強(qiáng)度結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 無(wú)橫撐方案靜態(tài)工況屈服強(qiáng)度

圖4 無(wú)橫撐方案分離力下屈服強(qiáng)度

3 有橫撐方案

3.1 橫撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)估

第2節(jié)所述實(shí)例船型具有接近70 m的超大內(nèi)跨度，橫撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和布置較困難，橫撐的長(zhǎng)度太長(zhǎng)，長(zhǎng)細(xì)比(長(zhǎng)度與回轉(zhuǎn)半徑比)和徑厚比(直徑與厚度比)數(shù)值較大，對(duì)橫撐自身強(qiáng)度及連接處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度也提出更高的要求。將2根或3根橫撐平行布置，布置3根橫撐會(huì)減小每根橫撐的直徑并增加橫撐之間的連接處強(qiáng)度處理問(wèn)題。對(duì)2根橫撐布置方案來(lái)說(shuō)，不同的間距會(huì)影響結(jié)構(gòu)的應(yīng)力傳遞，需要量化對(duì)比不同間距所引起的結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度及連接處局部強(qiáng)度。

基于同一個(gè)結(jié)構(gòu)質(zhì)量模型，以簡(jiǎn)化梁模擬橫撐，采用剛架梁簡(jiǎn)化評(píng)估方法[4]評(píng)估不同方案的總體強(qiáng)度。列舉幾種主要橫撐布置形式(見(jiàn)表4和圖5)，將其與無(wú)橫撐結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行定量對(duì)比。

表4 典型橫撐布置形式

圖5 4種不同的橫撐布置方案

3.2 有橫撐方案強(qiáng)度

有橫撐結(jié)構(gòu)(方案2)在典型工況下的屈服強(qiáng)度結(jié)果如圖6和圖7所示，可直接看出甲板盒左右舷的橫艙壁、甲板、艏艉封板等處總體屈服強(qiáng)度有明顯不同。

圖6 有橫撐方案靜態(tài)工況屈服強(qiáng)度(max.400 MPa)

圖7 有橫撐方案分離力下屈服強(qiáng)度(max.15 MPa)

所有方案特殊位置的應(yīng)力大小如表5所示。由表5可知，有無(wú)橫撐結(jié)構(gòu)的總體屈服強(qiáng)度各有不同。從如下幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

表5 不同方案結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度對(duì)比 MPa

(1)結(jié)構(gòu)重量重心。與無(wú)橫撐方案相比，加橫撐會(huì)稍微減少上部連接處(甲板盒與立柱之間)弧形板設(shè)計(jì)及板厚(從50～60 mm降低至35～45 mm)，但增加橫撐會(huì)增加橫撐與立柱連接處結(jié)構(gòu)重量，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量增加。有橫撐方案模型的總體重心降低0.3 m左右，對(duì)總體強(qiáng)度影響較小。

(2)典型區(qū)域。甲板盒與立柱連接處：有無(wú)橫撐方案的橫向位置應(yīng)力接近；對(duì)于縱向外板，無(wú)橫撐方案應(yīng)力偏大，易出現(xiàn)局部高應(yīng)力，有橫撐方案可降低該現(xiàn)象使應(yīng)力較為均勻，二者相差200 MPa左右，此處板厚無(wú)橫撐方案稍高于有橫撐方案。立柱與浮筒連接處：有無(wú)橫撐方案縱向外板上的應(yīng)力基本一致，差別在20～30 MPa；有無(wú)橫撐方案在總縱強(qiáng)度上幾乎沒(méi)有差別；對(duì)于水平面內(nèi)平臺(tái)在斜浪上的抗扭轉(zhuǎn)能力，由于縱向長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，幾個(gè)橫向的水平橫撐與縱向浮筒組成的水平面對(duì)平臺(tái)抗扭轉(zhuǎn)能力的增強(qiáng)效果不明顯。

與無(wú)橫撐方案相比，有橫撐方案會(huì)將甲板盒與立柱以及甲板盒內(nèi)部的高應(yīng)力在一定程度上轉(zhuǎn)移至下船體，雖在一定程度上降低了上部連接處高應(yīng)力幅值，卻導(dǎo)致橫撐與立柱連接處高應(yīng)力區(qū)域的出現(xiàn)，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度校核面臨更大的挑戰(zhàn)。

(3)船體主要艙壁。甲板盒作為抵抗橫浪產(chǎn)生的彎矩和斜浪產(chǎn)生的扭矩的最主要結(jié)構(gòu)部分，其整個(gè)厚度對(duì)總體強(qiáng)度影響較大。對(duì)于甲板盒主甲板和底甲板中部區(qū)域，有橫撐方案的結(jié)構(gòu)應(yīng)力比無(wú)橫撐方案低90～110 MPa。對(duì)于甲板盒艏艉封板艙壁，有橫撐方案比無(wú)橫撐方案低100 MPa左右。對(duì)于甲板盒內(nèi)部橫艙壁，有橫撐方案結(jié)構(gòu)應(yīng)力比無(wú)橫撐方案低40 MPa左右，應(yīng)力主要分布在左右舷處于浮筒正上方的橫艙壁。有無(wú)橫撐對(duì)整個(gè)船體縱向結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響較小。

(4)甲板盒開(kāi)孔。有橫撐方案可有效抵抗分離力，并在一定程度上降低扭轉(zhuǎn)的影響，從而降低甲板盒中處于浮筒正上方的橫艙壁的應(yīng)力，有利于橫艙壁上門孔等大開(kāi)孔布置。反之，無(wú)橫撐方案使浮筒正上方大面積橫艙壁應(yīng)力較高，引起大門孔等布置困難，提高開(kāi)孔布置及強(qiáng)度分析的難度。因此在甲板盒內(nèi)橫艙壁上開(kāi)孔布置及分析計(jì)算上，有橫撐方案稍優(yōu)于無(wú)橫撐方案。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率

綜上所述：與無(wú)橫撐方案相比，有橫撐(或再增加斜撐)方案在上部甲板盒與立柱連接處、甲板盒艏艉封板、橫艙壁及上下甲板等區(qū)域的應(yīng)力偏?。辉诩装搴袡M向艙壁開(kāi)孔及連接處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度解決難度上，有橫撐方案設(shè)計(jì)難度有一定程度的降低，但有橫撐方案的橫撐、橫撐與下船體連接區(qū)域應(yīng)力都較高；無(wú)橫撐方案在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上只需把設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在甲板盒與立柱連接處、甲板盒橫向艙壁上，有橫撐方案除需要解決上述位置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題外，還需要解決立柱-浮筒-橫撐連接處強(qiáng)度、橫撐強(qiáng)度、橫撐承受波浪砰擊、拖航難度等技術(shù)難題，特別是較大的長(zhǎng)細(xì)比和徑厚比使屈曲強(qiáng)度的校核更有挑戰(zhàn)性。因此，對(duì)于本型半潛式起重生活平臺(tái)，無(wú)橫撐方案在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率上更有優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

對(duì)于本船型，從整體要求出發(fā)考慮設(shè)計(jì)方案，無(wú)橫撐非對(duì)稱船型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)于有橫撐非對(duì)稱設(shè)計(jì)船型，在有橫撐方案中方案2較合理。

多方案對(duì)比分析可為新船型的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案定型提供直接參考，有無(wú)橫撐方案各有優(yōu)劣，但是否設(shè)計(jì)橫撐，需要根據(jù)總體功能及市場(chǎng)需求來(lái)決定。

對(duì)于超重型聯(lián)合回轉(zhuǎn)起吊和模塊運(yùn)輸要求的半潛式平臺(tái)，在設(shè)計(jì)選型上需進(jìn)一步研究如下內(nèi)容：(1)對(duì)稱與非對(duì)稱大型半潛式起重船型設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)；(2)無(wú)橫撐方案連接處結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估；(3)不同支撐形式(橫撐、斜撐等)與甲板盒厚度組合方案強(qiáng)度評(píng)估；(4)極地冰級(jí)要求下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)估。