駁船裝載大型導(dǎo)管架海上拖航分析

葛為結(jié),黃剛,胡躍川

(寧波高新區(qū)海星船舶設(shè)計(jì)有限公司,浙江 寧波 315000)

導(dǎo)管架整體建造后,滾裝或吊裝至無動力的駁船上再拖航至海上風(fēng)電場,這是一種經(jīng)濟(jì)性較好的運(yùn)輸方式。駁船的選型,駁船裝載導(dǎo)管架拖航期間的完整穩(wěn)性、總縱強(qiáng)度、導(dǎo)管架的綁扎強(qiáng)度及導(dǎo)管架支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,在導(dǎo)管架裝船之前需進(jìn)行計(jì)算及分析,為此,結(jié)合法規(guī)[1-2]、規(guī)范[3]、指南[4]的相關(guān)規(guī)定對駁船裝載大型導(dǎo)管架進(jìn)行海上拖航分析。

1 駁船選型分析

關(guān)于載運(yùn)導(dǎo)管架的船型選擇,從以下幾方面考慮。①降低運(yùn)輸成本,提高經(jīng)濟(jì)性。從底座開始安裝到拖航再到卸載,拖航期間還需選擇合適的氣象條件,整個(gè)周期較長,選擇無動力駁船載運(yùn)導(dǎo)管架的經(jīng)濟(jì)成本相對較低。②駁船的尺度與導(dǎo)管架尺度要相適應(yīng)。駁船選型中首先要根據(jù)導(dǎo)管架尺寸來選擇合適的船寬,船寬要適應(yīng)導(dǎo)管架支腿下的底座能安裝在甲板上。③駁船要有足夠的排水量和壓載水調(diào)節(jié)量。在導(dǎo)管架裝船階段根據(jù)水位情況需用壓載水進(jìn)行船舶與碼頭之間高低差的調(diào)節(jié),在導(dǎo)管架裝船后需用壓載水調(diào)節(jié)浮態(tài)和干舷,以滿足運(yùn)輸期間的浮態(tài)和通航限高要求。

2 拖航穩(wěn)性分析

根據(jù)《海上拖航指南》的規(guī)定,駁船在拖航期間的完整穩(wěn)性應(yīng)滿足船旗國主管機(jī)關(guān)的要求。國內(nèi)拖航的船舶完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)以滿足《船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則 國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》的相關(guān)要求。法規(guī)對拖航時(shí)船上無人的箱形駁的完整穩(wěn)性主要要求如下。

1)穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)K應(yīng)滿足下式要求。

K=lq/lf≥1

(1)

式中:lq為最小傾覆力臂;lf為風(fēng)壓傾側(cè)力臂。

2)在所核算裝載情況下,對于船長為100 m及以下的船舶,復(fù)原力臂曲線的正值范圍不小于20°;對于船長為150 m及以上的船舶,復(fù)原力臂曲線的正值范圍不小于15°,對于中間船長可以采用線性內(nèi)插計(jì)算。至最大復(fù)原力臂對應(yīng)的橫傾角或進(jìn)水角為止的(取較小者)復(fù)原力臂曲線下的面積應(yīng)不小于0.08 m·rad。

導(dǎo)管架在船上的布置應(yīng)考慮對船舶浮態(tài)的影響,《海上拖航指南》建議被拖船沿拖帶方向具有一定的尾部縱傾,無論如何不能存在首部縱傾。

3 總縱強(qiáng)度分析

根據(jù)《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)的相關(guān)要求,船長大于等于65 m的船舶需校核總縱強(qiáng)度。根據(jù)船舶的尺度比來確定采用何種方式校核總縱強(qiáng)度?！兑?guī)范》對箱形駁尺度比同時(shí)滿足L/B>3.0、B/D≤6.0可按《規(guī)范》第2篇第2章進(jìn)行總縱強(qiáng)度校核,否則應(yīng)采用直接計(jì)算法確定總縱強(qiáng)度。

4 導(dǎo)管架在拖航期間的綁扎分析

導(dǎo)管架在拖航期間應(yīng)予以可靠地綁扎和固定,當(dāng)船舶發(fā)生橫搖、縱搖、垂蕩時(shí)應(yīng)確保導(dǎo)管架的平衡。根據(jù)《海上拖航指南》的規(guī)定,導(dǎo)管架在拖航期間需進(jìn)行平衡計(jì)算,平衡計(jì)算應(yīng)分別校核橫向滑動、橫向翻轉(zhuǎn)和縱向滑動。

作用在導(dǎo)管架上的橫向力Fy、縱向作用Fx、垂向作用力Fz根據(jù)《海上拖航指南》附錄1的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。

橫向滑動平衡應(yīng)滿足:

Fy≤μFz(-)+∑CSi

(2)

橫向翻轉(zhuǎn)平衡應(yīng)滿足:

Fy·a≤b·Fz(-)+∑CSi·di

(3)

縱向滑動平衡應(yīng)滿足:

Fx≤μFz(-)+∑CSi

(4)

式中:μ為摩擦系數(shù),CSi為第i個(gè)系固設(shè)備的安全工作負(fù)荷,a、b為作用力至翻轉(zhuǎn)中心的力臂。

力和力矩的平衡如果不滿足要求,則需對導(dǎo)管架的系固進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整,直到滿足平衡要求。

5 導(dǎo)管架底座及船體支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

導(dǎo)管架支腿底部甲板上方一般需設(shè)置底座,底座的作用有以下幾方面:①將導(dǎo)管架上的作用力經(jīng)過底座傳遞到船體上;②對甲板起加強(qiáng)作用,減少或不在船體內(nèi)部加強(qiáng),從而降低施工難度;③便于運(yùn)輸完成后把底座拆除,減小加強(qiáng)結(jié)構(gòu)對原空船重量和重心的影響。

導(dǎo)管架底座及船體支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一般采用有限元軟件進(jìn)行建模計(jì)算分析。如果所分析的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算值大于許用應(yīng)力值則需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)和優(yōu)化,直到滿足強(qiáng)度要求。

6 實(shí)例分析

以某升壓站導(dǎo)管架裝載在駁船上進(jìn)行拖航為例,拖航航線為南通市如皋至溫州蒼南某風(fēng)電場。

6.1 導(dǎo)管架及運(yùn)輸駁主要參數(shù)

該升壓站導(dǎo)管架由4根支腿的主體結(jié)構(gòu)、圓柱形的樁靴、長方形的防沉桶等組成。導(dǎo)管架自重約2 300 t,底部4根支腿中心距為:34.2 m×29.2 m,支腿之間最大間距:36.52 m×31.52 m,支腿底部至頂部的高度為54.4 m,導(dǎo)管架的外形尺寸見圖1。

圖1 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)及布置示意

駁船主要參數(shù)為總長Loa=114.3 m、型寬B=36.6 m、型深D=6.1 m、滿載吃水d=4.5 m、滿載排水量約17 200 t、無限航區(qū)、拖航時(shí)船上無人的非機(jī)動箱形駁,艙內(nèi)設(shè)有19個(gè)壓載艙,壓載水總?cè)萘考s16 000 t。

從船舶參數(shù)可知,船寬比導(dǎo)管架支腿間的最大寬度大5.08 m,可滿足導(dǎo)管架支腿及底座布置在主甲板上方,載重量和壓載水量能滿足裝載導(dǎo)管架的要求。

6.2 導(dǎo)管架及底座布置

由于導(dǎo)管架底部的4個(gè)防沉桶為非承重結(jié)構(gòu),不能直接放置于主甲板上,因此在導(dǎo)管架的4根支腿下方需設(shè)置4個(gè)底座。

底座由上底座和下底座焊接而成,下底座與主甲板焊接。上底座與下底座之間為立柱與斜撐組成的桁架結(jié)構(gòu),下底座主要筋板與船體構(gòu)件相對應(yīng)。設(shè)置下底座的目的是:①方便施工人員能進(jìn)行防沉桶內(nèi)安裝支腿處的支撐肘板;②將導(dǎo)管架支腿上的作用力分散傳遞給船舶結(jié)構(gòu)。

圖1顯示,導(dǎo)管架布置于主甲板上方中部區(qū)域,整體重心略偏舯后。導(dǎo)管架4根支腿放置于上底座頂平臺,支腿四周設(shè)有防滑動的支撐肘板,支撐肘板與上底座頂平臺焊接,支撐肘板與支腿之間用實(shí)木塞緊。

6.3 拖航穩(wěn)性計(jì)算與分析

導(dǎo)管架裝載后的高度需滿足蘇通大橋的通航高度。根據(jù)資料顯示蘇通大橋距水面的最大凈高為62 m,導(dǎo)管架裝載后距水面的安全高度應(yīng)不大于60 m,船舶裝載導(dǎo)管架后的干舷不超過2.2 m。

為確保安全,拖航時(shí)采用加壓載水來減小船舶干舷,降低重心高度。壓載水艙盡量加至滿艙,以減小自由液面對完整穩(wěn)性的影響。

按沿海航區(qū)拖航時(shí)船上無人的非機(jī)動船進(jìn)行穩(wěn)性核算,因拖航時(shí)船上無人,燃油、淡水無消耗,完整穩(wěn)性只需校核一種裝載導(dǎo)管架出港的工況。采用中國船級社的Compass軟件進(jìn)行穩(wěn)性核算,拖航穩(wěn)性的主要參數(shù)及衡準(zhǔn)見表1。

表1數(shù)據(jù)表明,該船裝載升壓站導(dǎo)管架的拖航穩(wěn)性滿足文獻(xiàn)[1]的要求。艏、艉吃水差表明,拖航工況不存在艏部縱傾,符合《海上拖航指南》對被拖船的浮態(tài)要求。該工況導(dǎo)管架下方船舶的最大干舷為1.785 m,此時(shí)導(dǎo)管架頂部距水面的最大高度為59.585 m,滿足蘇通大橋的通航限高。

表1 駁船拖航穩(wěn)性的主要參數(shù)及穩(wěn)準(zhǔn)

6.4 總縱強(qiáng)度計(jì)算與分析

該船為箱形駁,尺度比L/B>3.0、B/D≤6.0,總縱強(qiáng)度按《規(guī)范》2篇第2章要求進(jìn)行校核。

1)波浪彎矩和波浪切力。波浪彎矩和波浪切力按規(guī)范公式計(jì)算得:

中拱波浪彎矩Mw(+)=556 598.87 kN·m,

中垂波浪彎矩Mw(-)=-575 532.93 kN·m,

中拱波浪切力Fw(+)=13 825.731 kN,

中垂波浪切力Fw(-)=-13 370.888 kN。

上述波浪彎矩和切力計(jì)算值已按沿海航區(qū)折減15%。

2)重量與浮力分布。拖航工況的重量、浮力沿船長方向分布見圖2,圖中站號根據(jù)船長分成20站。

圖2 拖航工況重量、浮力分布

3)許用靜水彎矩和許用靜水切力。根據(jù)該船資料,選取肋位號Fr9、Fr17、Fr25、Fr35、Fr40、Fr46作為校核剖面,各剖面的許用靜水彎矩M(-)s和許用靜水切力F(-)s見表2。

表2 各剖面中拱和中垂許用靜水彎矩及;許用靜水切力

4)總縱強(qiáng)度計(jì)算及穩(wěn)準(zhǔn)。在拖航工況裝載的基礎(chǔ)上,在Compass軟件中輸入表2中的許用應(yīng)力值。計(jì)算得到最大靜水剪力和彎矩以及與許用值的百分比見表3,各剖面計(jì)算數(shù)據(jù)見表4。

表3 最大剪力和彎矩計(jì)算數(shù)據(jù)

表4 各剖面靜水彎矩和剪力計(jì)算數(shù)據(jù)

由表3可見,最大剪力與許用值之比為98.4%,最大彎矩與許用值之比為23.8%,出現(xiàn)在導(dǎo)管架前端支腿下方區(qū)域。由表4可見,各剖面的靜水彎矩和剪力計(jì)算結(jié)果滿足《規(guī)范》要求。

6.5 作用在導(dǎo)管架上的力

拖航期間作用在導(dǎo)管架上的力計(jì)算如下。

橫向作用力:

Fy=MAy+Fq+Fw=12 573.81 kN;

縱向作用力:

Fx=MAx+Fq+Fw=4 510.01 kN。

垂向作用力(對導(dǎo)管架滑動平衡、翻轉(zhuǎn)平衡):Fz(-)=M·(g-a)=16 339.2 kN。

垂向作用力(對底座及船體支撐結(jié)構(gòu)):Fz(+)=M·(g+a)=28 786.8 kN。

其中,導(dǎo)管架自重M=2 300 t,風(fēng)作用力Fq=665.55 kN,海水飛濺力Fw=26.46 kN,橫向加速度Ay=5.166 m/s2,縱向加速度Ax=1.66 m/s2,垂蕩向加速度a=2.706 m/s2。風(fēng)作用力、海水飛濺力、加速度按《海上拖航指南》中的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。

6.6 導(dǎo)管架在拖航期間力和力矩的平衡分析

6.6.1 橫向翻轉(zhuǎn)平衡校核

假定導(dǎo)管架橫向翻轉(zhuǎn)點(diǎn)為左舷或右舷導(dǎo)管架支腿底部中心,橫向翻轉(zhuǎn)平衡校核如下。

bFz(-)=14.60×16 339.2=238 552.3 kN·m,

Fya=18.20×12 573.81=228 843.34 kN·m。

其中橫向作用力翻轉(zhuǎn)力臂a=18.2 m,導(dǎo)管架自重抗翻轉(zhuǎn)力臂b=14.60 m,如圖1所示。

計(jì)算結(jié)果顯示Fya

由于bFz(-)/(Fya)=1.04,抗翻轉(zhuǎn)安全系數(shù)較小,為確保安全,在導(dǎo)管底部靠舷側(cè)水平桿上單邊采用4組鋼絲繩進(jìn)行系固(見圖1),鋼絲繩最小破斷拉力為535 kN。

增加鋼絲繩系固后的橫向抗翻轉(zhuǎn)總力矩為301 040.3 kN·m。

鋼絲繩為一次性使用,破斷安全系數(shù)取2,每組鋼絲繩按2根計(jì)算,抗翻轉(zhuǎn)力臂取29.2 m。此時(shí)抗翻轉(zhuǎn)安全系由1.04提高至1.32。

6.6.2 橫向滑動平衡校核

為抵抗導(dǎo)管架受橫向作用力不產(chǎn)生滑動,在每根導(dǎo)管架支腿的底座上外側(cè)設(shè)3塊橫向支撐肘板、內(nèi)側(cè)設(shè)3塊橫向支撐肘板,其中每塊肘板的抗剪面積Ay=15 000 mm2。

肘板屈服應(yīng)力ReH=235 N/mm2,許用剪切應(yīng)力[τ]=90.38 N/mm2,則外側(cè)每塊肘板的安全負(fù)荷CS1=90.38×15 000=1 355.7 kN。4根支腿共由12塊肘板承受導(dǎo)管架的橫向作用力,則12塊肘板安全負(fù)荷CS12=16 268.4 kN。由6.5節(jié)得知橫向作用力Fy=12 573.81 kN,Fy

橫向抗滑動安全系為CS12/Fy=1.29。

為確保安全,在導(dǎo)管架底部底座平臺上墊一層木板或橡膠,此時(shí)由自重產(chǎn)生的摩擦力為

μFz(-)=0.3×16 339.2=4 901.76 kN。

此時(shí)抗滑動安全系由1.29提高至1.68。

6.6.3 縱向滑動平衡校核

縱向抗滑動的支撐肘板規(guī)格和數(shù)量同橫向設(shè)置,抗滑動安全系為CS12/Fx=3.6,表明導(dǎo)管架縱向滑動平衡滿足《海上拖航指南》要求。

6.7 導(dǎo)管架底座及船體支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

6.7.1 有限元模型

采用MSC.PATRAN/NASTRAN有限元軟件進(jìn)行建模并進(jìn)行受力分析。導(dǎo)管架主支腿采用板(shell)單元、其余采用梁(beam)單元,船體和底座采用板(shell)、梁(beam)結(jié)合的單元形式對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬建模。主船體模型選取導(dǎo)管架安裝區(qū)域的全寬艙段結(jié)構(gòu),前后端分別位于橫艙壁處。有限元模型見圖3。

圖3 導(dǎo)管架、底座及船體支撐結(jié)構(gòu)模型

導(dǎo)管架放置于底座上,其底部與底座頂平面不焊接,模型中采用MPC方式將導(dǎo)管架支腿底部與底座頂平面關(guān)聯(lián)Uz,與橫向抗滑動肘板(與作用力同向的肘板)關(guān)聯(lián)Uy、與縱向抗滑動肘板(與作用力同向的肘板)關(guān)聯(lián)Ux。

6.7.2 邊界條件

對模型前、后端橫艙壁邊緣上所有節(jié)點(diǎn)約束3個(gè)線位移:ux=uy=uz=0。

6.7.3 載荷工況

根據(jù)《海上拖航指南》對于單獨(dú)的工況,最危險(xiǎn)的組合如下。

工況1:橫搖+垂蕩;

工況2:縱搖+垂蕩。

載荷按上述2種工況分別通過MPC方式施加于導(dǎo)管架重心位置。

6.7.4 材料特性及許用應(yīng)力

導(dǎo)管架底座主要以H型鋼和鋼板焊接而成,采用Q345B級鋼,料屈服應(yīng)力ReH=345 N/mm2。船體結(jié)構(gòu)主要材料為船用A級鋼,材料屈服應(yīng)力ReH=235 N/mm2。

其中許用應(yīng)力參考《規(guī)范》第2篇第3章第7節(jié)對起重設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)和基座的規(guī)定,許用正應(yīng)力[σ]=0.67ReH,許用剪應(yīng)力[τ]=0.39ReH,許用相當(dāng)應(yīng)力[σe]=0.8ReH。

6.7.5 計(jì)算結(jié)果及穩(wěn)準(zhǔn)

經(jīng)分析,底座部分最大應(yīng)力出現(xiàn)在上底座底部靠舷側(cè)區(qū)域,船體內(nèi)部最大應(yīng)力出現(xiàn)在底座下強(qiáng)橫梁與強(qiáng)肋骨過渡區(qū)域。底座和船體結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果及穩(wěn)準(zhǔn)見表5。

表5 底座及船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果及穩(wěn)準(zhǔn) N/mm2

表5顯示船體結(jié)構(gòu)和底座結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)應(yīng)力計(jì)算值都小于許用值,表明所分析的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足《規(guī)范》的相關(guān)要求。

7 結(jié)論

1)通過對運(yùn)輸駁選型的分析,確定船寬和壓載水調(diào)節(jié)能力是選型中最主要的參數(shù),船寬需滿足導(dǎo)管架及底座的布置,壓裝水調(diào)節(jié)能力需滿足導(dǎo)管架裝載后浮態(tài)和干舷的要求。

2)案例分析表明,導(dǎo)管架底部的防沉桶形狀限制了底座的布置空間,不利于導(dǎo)管架上的作用力傳遞給船體,也增加了底座的設(shè)計(jì)和制作難度。

3)對翻轉(zhuǎn)平衡的分析表明,導(dǎo)管架自重產(chǎn)生的抗翻轉(zhuǎn)力矩理論上滿足平衡條件,但安全系數(shù)較小,為確保海上拖航安全需提高安全系數(shù)。

4)對滑動平衡的分析表明,在導(dǎo)管架底部增加木板或橡膠墊時(shí),摩擦力明顯增加,相比鋼與鋼接觸的濕表面抗滑動能力可提高約30%。

5)對底座及船體支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析表明,導(dǎo)管架支撐結(jié)構(gòu)僅設(shè)置在主甲板上,強(qiáng)度也能滿足規(guī)范要求,實(shí)現(xiàn)了不在主甲板以下船體內(nèi)部加強(qiáng)的想法,降低了安裝與拆除支撐結(jié)構(gòu)的施工難度。

6)船舶穩(wěn)性和總縱強(qiáng)度雖滿足法規(guī)和規(guī)范的要求,但部分計(jì)算值已接近許用值,建議在良好的氣象條件進(jìn)行拖航。