30萬t FPSO環(huán)段起浮穩(wěn)性與受力分析

杜玉春,尹艷,文艷

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

船塢是現(xiàn)代大型造船企業(yè)最寶貴的資源。為了充分提高船塢利用率和周轉(zhuǎn)率,降低船舶建造生產(chǎn)成本,實現(xiàn)高效快速造船,船廠通常會采取各種措施來盡可能地縮短船舶在塢內(nèi)的搭載周期。目前,業(yè)界主流大型造船企業(yè)根據(jù)自身船塢的大小和產(chǎn)品情況,通常采用一艘半或兩艘半等建造模式來提高船塢利用率[1]。生產(chǎn)計劃部門為合理安排船舶搭載計劃,通常需要技術(shù)部門提前對半船或環(huán)段搭載進(jìn)行浮態(tài)和強(qiáng)度計算。由于半船或環(huán)段起浮存在著結(jié)構(gòu)完整性差、水線面小、大開口、易傾覆、可利用的壓載艙室少以及對預(yù)估的重量重心準(zhǔn)確性極為敏感等不利因素,因此在計算半船或環(huán)段起浮時,需要采用靜水力計算軟件和有限元分析軟件對其進(jìn)行精確的模擬計算,確保出塢安全[2]。結(jié)合公司建造的30萬t FPSO段起浮實例,介紹環(huán)段起浮計算過程。

1 起浮環(huán)段概況

目標(biāo)船為一艘單底雙殼的30萬t FPSO,其垂線間長321.85 m,型寬60 m,型深33.515 m。根據(jù)項目運(yùn)行計劃,截止出塢時,現(xiàn)場施工可實現(xiàn):1～6環(huán)段搭載(方案1);3～6環(huán)段搭載(方案2)。方案1起浮總長度為88.425 m,主甲板中部無法搭載。方案2起浮總長度為54.785 m,3～6環(huán)段內(nèi)所有分段可完整搭載。

2 環(huán)段浮態(tài)計算步驟

為準(zhǔn)確快速地計算環(huán)段起浮時的浮態(tài),通常需借助靜水力計算軟件進(jìn)行模擬計算。計算過程可分為三個步驟:①統(tǒng)計環(huán)段重量重心,如果環(huán)段長度較長,需要定義重量分布,計算總縱強(qiáng)度;②構(gòu)建浮態(tài)計算模型;③加載配重,浮態(tài)調(diào)平,校核穩(wěn)性。

2.1 環(huán)段重量重心統(tǒng)計

環(huán)段重量重心的準(zhǔn)確性直接決定著環(huán)段起浮計算的準(zhǔn)確性,尤其在環(huán)段較短的情況下,環(huán)段的浮態(tài)對重量重心數(shù)據(jù)極其敏感。重量重心在船長上的細(xì)微偏差都會對環(huán)段起浮造成重大的影響。此次起浮環(huán)段為貨艙區(qū)域,根據(jù)本船構(gòu)造特點,環(huán)段重量主要是分段結(jié)構(gòu)重量,其他諸如舾裝、管系等重量較小。為保證重量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,環(huán)段重量重心直接從生產(chǎn)設(shè)計軟件TRIBON中抽取。腳手架、工具箱根據(jù)以往項目實踐進(jìn)行估算。兩方案重量重心統(tǒng)計表見表1。

表1 重量重心統(tǒng)計表

2.2 環(huán)段浮體模型

該FPSO貨艙區(qū)域結(jié)構(gòu)形式為單底雙殼結(jié)構(gòu),船寬方向設(shè)置3個貨油艙,未設(shè)置雙層底。3貨艙在船寬方向總跨距為51.4 m,如果采用封閉貨艙端部的形式臨時構(gòu)建起浮附體,施工工作量巨大。因此,只能依靠自身原有的水密橫艙壁構(gòu)建。本次環(huán)段起浮利用NAPA軟件進(jìn)行浮體模型說明:計算坐標(biāo)系統(tǒng)原點為船舶中線面上基線與尾垂線的交點,向前、向左和向上方向為正值。

構(gòu)建與計算,兩方案浮體模型見圖1、2。

圖1 方案1 1～6環(huán)段浮體模型

圖2 方案2 3～6環(huán)段浮體模型

2.3 環(huán)段起浮浮態(tài)計算

依據(jù)《船舶進(jìn)出干船塢技術(shù)要求》(CB/T 3677—2015),船舶進(jìn)出塢時,需要對船舶的縱傾、橫傾進(jìn)行調(diào)載,艏艉吃水差不宜超過船長的1%,橫傾最大不宜超過0.5°[3]。如果需要滿足船舶后續(xù)搭載要求,半船/環(huán)段起浮后進(jìn)行二次落墩,其半船/環(huán)段的縱傾目標(biāo)值控制在0.5%半船/環(huán)段船長以內(nèi)[4]。根據(jù)兩方案的環(huán)段長度,方案1的理論最大允許縱傾值為0.44 m,方案2的理論最大允許縱傾值為0.27 m。為降低環(huán)段起浮與落墩過程中端部塢墩所受到的反作用力,在環(huán)段起浮過程中應(yīng)盡可能的使之平浮。方案1由于主甲板面未搭載,無法大量使用壓鐵調(diào)整浮態(tài),只能依靠環(huán)段內(nèi)已有的壓載艙進(jìn)行調(diào)載。兩方案調(diào)載后浮態(tài)見表2。

表2 方案起浮浮態(tài)與配載

根據(jù)表2計算結(jié)果可知,方案1不可行。

1)環(huán)段起浮平吃水過大。船舶/環(huán)段出塢時的水深由船舶/環(huán)段吃水、塢墩高度和富裕深度共同確定。公司塢墩高度約為2.0 m,富裕水深通常取0.5～1.0 m。該方案出塢時塢內(nèi)水深要求約為9.5 m～10.0 m。公司船塢水域水深條件,無法滿足方案出塢需求,公司船舶出塢時吃水宜控制在6.5 m以下。

2)配載方案難以實現(xiàn)。該方案環(huán)段所構(gòu)成的浮體浮心位于縱向96.454 m,而重心縱向位置為85.645 m,兩者相差接近11 m。為使得環(huán)段平浮,需要在6號左右兩壓載艙滿艙的基礎(chǔ)上,還需在環(huán)段艏部放置3 050 t壓鐵。此壓鐵數(shù)量和安放位置現(xiàn)場都無法實現(xiàn)。

3)環(huán)段尾端結(jié)構(gòu)完整性差。環(huán)段尾部三貨艙在船寬方向總跨距為51.4 m,為保證起浮時的結(jié)構(gòu)完整性,需要進(jìn)行臨時對其結(jié)構(gòu)加強(qiáng),工作量巨大。方案2的吃水淺,壓載量小,結(jié)構(gòu)完整性好,方案的浮態(tài)和穩(wěn)性均可行。

3 環(huán)段起浮過程安全性分析

3.1 起浮過程塢墩支反力

環(huán)段起浮調(diào)載時,為降低環(huán)段起浮過程對塢墩的壓力,通常使之平浮。由于此調(diào)載的理論計算值是基于對環(huán)段、工具箱、腳手架等重量重心的估算,估算值與實際值通常存在一定的偏差,其偏差體現(xiàn)在平均吃水、橫傾和縱傾三方面。

平均吃水的偏差在起浮過程中對船塢工程基本無影響,只是一個起浮時間的問題。由于環(huán)段通常在橫向上具有良好的對稱性,即使因非對稱重量產(chǎn)生的橫傾也是很小的角度,利用極少量的壓鐵即可調(diào)平浮態(tài)。環(huán)段在縱向上由于無規(guī)律可循,需完全依靠統(tǒng)計的準(zhǔn)確性,因此極易發(fā)生不同誤差集中到一端的現(xiàn)象,造成起浮時艏艉吃水差過大,且難以通過少量壓鐵進(jìn)行調(diào)平。

假如環(huán)段具有一定的艏傾,當(dāng)塢外的水逐漸往內(nèi)注入時, 水面上升, 當(dāng)水面達(dá)到環(huán)段艉吃水時,環(huán)段最艏部塢墩(端部一排13個)受到的支反力達(dá)到最大值,反之亦然[5]。此時艏端塢墩總的支反力P為環(huán)段重量W與環(huán)段艉端吃水對應(yīng)的排水量△之差,即P=W-△。方案2不同縱傾對應(yīng)的尾部塢墩支反力見表3。

表3 方案2的縱傾與支反力

從表3可知,塢墩支反力隨著縱傾值的增加而增大,為使得端部塢墩能夠共同分擔(dān)因縱傾造成的作用力,船舶應(yīng)盡可能無橫傾。對于方案2,根據(jù)理論計算,縱傾0.162 m,端部塢墩總支反力為1 923 kN,此值大于一個木塢墩所能承受的100 t最大重量。因此,方案2在起浮過程中應(yīng)配備壓鐵以確保無橫傾的起浮。

3.2 起浮過程穩(wěn)性分析

在整個環(huán)段起浮過程中,由于環(huán)段漂浮后將處于艏傾狀態(tài),隨著塢內(nèi)水深逐漸增加,環(huán)段艉端將先于艏端浮起。在艉端即將起浮的瞬間,前端塢墩支反力達(dá)到最大的同時,穩(wěn)性高度喪失也達(dá)到最大,其穩(wěn)性損失量為δGM=-P×KM/W。方案2不同縱傾對應(yīng)的穩(wěn)定高度值見表4。

表4 方案2縱傾與穩(wěn)性高度對應(yīng)表

從上表4可知,①同一吃水和縱傾條件下,由于環(huán)段寬度大于環(huán)段長度,縱穩(wěn)性高度值小于橫穩(wěn)性高度值。因此,此環(huán)段的縱穩(wěn)性應(yīng)為重點校核對象;②環(huán)段橫穩(wěn)性和縱穩(wěn)性損失量隨著縱傾值的增加而增大,但由于船體底部較為平坦,KML以及KMT都較大,最終的穩(wěn)性值都大于0.3 m,滿足穩(wěn)性安全的要求。

3.3 起浮過程局部強(qiáng)度有限元分析

根據(jù)生產(chǎn)要求,3～6環(huán)段計劃在塢內(nèi)起浮后坐墩,根據(jù)重量重心計算預(yù)估,總環(huán)段總重約為7 971.2 t,考慮1.25的安全系數(shù),需計算塢內(nèi)現(xiàn)有塢墩布置方案下坐墩后的船體結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度。經(jīng)PATRAN軟件有限元建模進(jìn)行計算,模型見圖3。

圖3 3-6環(huán)段有限元模型

邊界條件:根據(jù)塢墩布置方案,在塢墩支撐分段的接觸面位置對模型進(jìn)行垂向約束,并在少數(shù)點約束X,Y方向以彌補(bǔ)模型約束不足。模型邊界條件見圖4。

圖4 邊界條件

設(shè)計載荷:載荷設(shè)計僅考慮分段自重。

計算結(jié)果:結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力44.5 MPa,最大應(yīng)力處材料許用應(yīng)力為356 MPa,許用系數(shù)按0.73算,許用應(yīng)力為365×0.73=266 MPa,因此結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求。結(jié)構(gòu)最大變形5.77 mm,應(yīng)力云圖及結(jié)構(gòu)變形見圖5～7。

圖5 應(yīng)力云圖

圖6 結(jié)構(gòu)變形

圖7 塢墩支板力圖

4 結(jié)論

1)對兩方案的NAPA建模和浮態(tài)穩(wěn)性計算結(jié)果表明:搭載方案1在起浮調(diào)載和吃水方面均無法滿足正常出塢要求,且結(jié)構(gòu)完整性差,方案不可行;搭載方案2起浮時吃水淺,壓載量小,結(jié)構(gòu)完整性好,方案浮態(tài)和穩(wěn)性可行。

2)經(jīng)過對環(huán)段落墩時因縱傾所產(chǎn)生的塢墩支反力的計算分析表明:①塢墩支反力隨著縱傾值的增加而增大;②方案2所對應(yīng)的端部塢墩總支反力為1 923 kN,單塢墩支反力148 kN,小于端部單個木塢墩所能最大承受1 000 kN;③為避免落墩重量集中于單一塢墩,應(yīng)無橫傾地落墩。

3)對環(huán)段起浮過程以及漂浮狀態(tài)的穩(wěn)性分析結(jié)果表明,兩種狀態(tài)的穩(wěn)性值均大于0.3 m,滿足起浮穩(wěn)性要求。

4)經(jīng)過PATRAN結(jié)構(gòu)建模計算,方案2的環(huán)段結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力44.5 MPa,最大應(yīng)力處材料許用應(yīng)力為356 MPa,結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于許用應(yīng)力,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求。

綜上所述,搭載方案2的浮態(tài)、穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和塢墩支反力均滿足要求,方案可行。