某半潛船型建造中的非常規(guī)風(fēng)險(xiǎn)控制

陳旭東，朱見華，張 雷

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇南通 226116）

0 引言

半潛船的特殊性在于具備一定的半潛功能，即可以通過將露天的主甲板潛入水中，進(jìn)行貨物的裝載及卸載等工作，并通過浮箱和生活樓提供浮力，保證船舶的繼續(xù)漂浮作業(yè)。目前世界上的半潛船型式較多，邵啟一[1]曾對(duì)國內(nèi)外的半潛船型式進(jìn)行過闡述，其中大部分船型為艏部生活樓基于舯部左右對(duì)稱，艉部同時(shí)設(shè)有基于舯部左右對(duì)稱的浮箱，此類船型在建造過程中主要存在有限空間作業(yè)、吊裝作業(yè)、高空作業(yè)等安全風(fēng)險(xiǎn)[2]，此類風(fēng)險(xiǎn)也是船舶在建造過程中時(shí)常需要關(guān)注的事項(xiàng)，以保證建造的安全，而不同船型在建造中除以上所說的常規(guī)風(fēng)險(xiǎn)外，也會(huì)存在一些由于船型設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)。

本文以某半潛船為例，研究在建造過程中除了有限空間作業(yè)、吊裝作業(yè)、高空作業(yè)等常規(guī)風(fēng)險(xiǎn)以外，還可能出現(xiàn)的其他非常規(guī)風(fēng)險(xiǎn)，如邊島型設(shè)計(jì)在建造過程中對(duì)塢墩布置、邊島吊裝以及下水出塢中存在的風(fēng)險(xiǎn)，為了保證建造工作的順利進(jìn)行，通過軟件進(jìn)行計(jì)算以作為理論依據(jù)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)作業(yè)方案進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)建造過程中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制，從而保證船舶建造的順利進(jìn)行。

1 船舶建造特點(diǎn)

本船舶在建造前期與其它類型船舶的建造工藝相差不大，采用分段-總段-區(qū)域的建造方法流程進(jìn)行建造，可以大幅度的減少船舶建造過程的時(shí)間，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)建造中存在的問題，將返工率降到最低水平，確保船舶建造時(shí)的效率和質(zhì)量，并極大地降低建造成本[3]。

本船在主船體通過以上流程建造完成后，就需要進(jìn)行生活樓和各浮箱的吊裝作業(yè)，在此吊裝過程中需要考慮此類船型所帶來的風(fēng)險(xiǎn)，比如浮箱吊裝風(fēng)險(xiǎn)、生活樓吊裝的風(fēng)險(xiǎn)、邊島設(shè)計(jì)船型的塢墩布置風(fēng)險(xiǎn)以及下水出塢風(fēng)險(xiǎn)等。在進(jìn)行吊裝風(fēng)險(xiǎn)研究時(shí)，由于浮箱的質(zhì)量較小，本文對(duì)較重的邊島生活區(qū)的吊裝進(jìn)行研究。

2 塢墩布置風(fēng)險(xiǎn)

半潛船在建造過程中，需要進(jìn)行塢墩布置，該船在進(jìn)行塢墩布置設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮以下2 點(diǎn)：

1）艉部有4 個(gè)浮箱，所以艉部區(qū)域質(zhì)量較重，而艉部區(qū)域的線型收縮，船底平坦且面積小，塢墩數(shù)量難以增加，故其艉部結(jié)構(gòu)相對(duì)危險(xiǎn)，需要著重考慮。

2）此船生活樓不同于常規(guī)船舶的左右對(duì)稱，其位于艏部右舷位置且存在一定程度的外飄現(xiàn)象，此處在布置塢墩時(shí)需要注意塢墩的受力情況。

2.1 整船塢墩布置

由于本船的邊島式設(shè)計(jì)，在坐墩過程中會(huì)根據(jù)全船的船體鋼料、鐵舾件、機(jī)電設(shè)備、管路、居裝以及涂裝等的全船重量對(duì)船內(nèi)的壓載艙進(jìn)行部分壓載，保證船舶的平衡，防止船底結(jié)構(gòu)產(chǎn)生接觸硬點(diǎn)[2]，結(jié)合各項(xiàng)重量對(duì)船舶進(jìn)行初步的塢墩布置，塢墩布置見圖1。

圖1 船舶建造過程中塢墩布置

船舶在建造過程中共布置了996 個(gè)墩子，其中，建造墩834 個(gè)、龍骨墩162 個(gè)。由于線型原因，艉部只能在呆木和艉軸管處進(jìn)行塢墩布置，艏部右舷生活樓底部區(qū)域的塢墩需要加密布置。整船在壓載水調(diào)平狀態(tài)下的質(zhì)量約為58 000 t，每個(gè)墩子的受力約為582 kN，船體受到的支反力也為582 kN，同滿足塢墩1 100 kN 承重能力的要求。這種估算結(jié)果無法明確顯示每一個(gè)部分的受力情況，尤其是艉部及艏部生活樓底部區(qū)域的甲板受力情況，此方法的計(jì)算會(huì)帶來較高的風(fēng)險(xiǎn)，不利于船舶建造過程中的安全控制，因此為了安全考慮，通過有限元計(jì)算，進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)的分析。

2.2 有限元計(jì)算分析

本船采用FEMAP 進(jìn)行有限元建模和分析，在有限元建模過程中縱骨、T 型材面板和各類支柱用梁單元來近似模擬，除了上述之外的各艙壁等構(gòu)件均采用板單元來近似模擬，以求能較真實(shí)的還原實(shí)際結(jié)構(gòu)的形式。根據(jù)全船質(zhì)量分布和質(zhì)心位置等數(shù)據(jù)，利用力的等效原理將重力施加到相應(yīng)的有限元模型的節(jié)點(diǎn)上。壓載水質(zhì)量采用具備質(zhì)量和質(zhì)心位置的多個(gè)質(zhì)量單元進(jìn)行分散模擬。

在計(jì)算中所用到的船體結(jié)構(gòu)的材料特性如下：彈性模量2.1×1011MPa，屈服應(yīng)力為235 MPa，泊松比0.3，板材的質(zhì)量密度7.85×103kg/m3。墩子由水泥和墊木組成，其中水泥部分假定為剛性體，墊木部分假定為彈性體。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

全船有限元分析主要考慮船體的彈性彎曲、船底結(jié)構(gòu)局部彈性變形、船體結(jié)構(gòu)受力傳遞以及墊木的彈性壓縮等要素。因此，有限元分析比簡單的塢墩平均受力計(jì)算更為準(zhǔn)確。圖2 是艉部區(qū)域船體受力的應(yīng)力云圖，從圖2 中可以看出艉軸管位置的船體外板整體受到的應(yīng)力較大，最大值為58 MPa。此外，考慮到船體的整體性，整個(gè)艉軸管區(qū)域的應(yīng)力由一個(gè)較小區(qū)域的較高值逐漸向四周擴(kuò)散，應(yīng)力逐漸降低。呆木區(qū)域的塢墩數(shù)量相對(duì)密集，故其應(yīng)力相對(duì)較小，最大值僅約為30 MPa。當(dāng)線型逐漸趨向于平坦位置時(shí)，船底板整體受到的應(yīng)力僅為10 MPa左右，此數(shù)值對(duì)船體的建造帶來的風(fēng)險(xiǎn)較小，在可控制范圍之內(nèi)。

圖2 艉部區(qū)域船體應(yīng)力分布

此船的線型從艉部向舯部過度時(shí)逐漸趨于平緩，所以中間較平坦區(qū)域的應(yīng)力計(jì)算與圖2 中平坦區(qū)域的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果基本相差不大，當(dāng)計(jì)算到壓載水所在區(qū)域時(shí)，可以看出此時(shí)的船體所受到的應(yīng)力又有所增大，見圖3。為在建造時(shí)使船保持平衡，向船舶的左舷壓載了約4 200 t 壓載水，但由于此處線型較為平坦，故在塢墩布置時(shí)未進(jìn)行加密。因此，有限元計(jì)算的船體受力要高于其他平坦區(qū)域。此處船體所受到的最大應(yīng)力為68 MPa，而此處塢墩布置在強(qiáng)結(jié)構(gòu)處，故船體不會(huì)受到較大的變形影響，。此處塢墩布置帶來的建造風(fēng)險(xiǎn)較小，但在建造過程中要時(shí)刻注意此處的船體變形情況，并進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)控制。

圖3 壓載水區(qū)域船體應(yīng)力分布

本船建造過程中，船體最大應(yīng)力值出現(xiàn)在生活樓底部區(qū)域，船體應(yīng)力分布情況見圖4。此處生活樓的設(shè)計(jì)是外飄形式，其線型變化較大，塢墩數(shù)量相對(duì)中間平坦區(qū)域的數(shù)量要少。從有限元計(jì)算結(jié)果可以看出，生活樓底部區(qū)域的外板受到的應(yīng)力明顯變大，部分區(qū)域的應(yīng)力高達(dá)156 MPa，此處的受力明顯高于其他區(qū)域，這對(duì)船舶建造過程的安全極為不利。為更好地控制建造過程中的風(fēng)險(xiǎn)，在應(yīng)力較大的區(qū)域進(jìn)行塢墩加密，同時(shí)在生活樓底部增加鋼支撐，減小塢墩與船體之間的作用力，降低建造過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，保障船舶建造的順利進(jìn)行。

圖4 生活樓區(qū)域船體應(yīng)力分布

3 生活樓整體吊裝風(fēng)險(xiǎn)

此半潛船的生活樓處于舷側(cè)，其長度較長，寬度較小，高度較高，整體形狀類似于一個(gè)長方體，不同于常規(guī)船舶的邊島式生活樓。此外，該船的生活樓分為水密壓載艙和居住艙室這兩部分。在建造過程中，項(xiàng)目組根據(jù)此生活樓的型式，針對(duì)居住艙室部分提出整體吊裝的作業(yè)方式，此方案可以提高作業(yè)效率，但邊島式生活樓高度較高，已發(fā)生變形，故整體吊裝的安全性需要進(jìn)行分析。為了保證建造的安全，針對(duì)吊載方案進(jìn)行整體吊裝的有限元分析，模擬計(jì)算生活樓在整體吊裝過程中的應(yīng)力與變形情況。

根據(jù)整體吊裝的要求，現(xiàn)計(jì)劃用2臺(tái)具有9 000 kN吊載能力的吊機(jī)進(jìn)行聯(lián)合吊載作業(yè)，生活樓的吊裝情況見圖5。

圖5 生活樓吊裝示意圖

采用FEMAP 軟件進(jìn)行建模分析，生活樓質(zhì)量為1 100 t，質(zhì)心與生活樓的殼體的型心基本重合。通過軟件模擬無法完全真實(shí)體現(xiàn)實(shí)際吊裝環(huán)境，所以模擬結(jié)果僅能作為參考，生活樓整體吊裝的應(yīng)力分布和變形情況分別見圖6 和圖7。

圖7 生活樓整體吊裝的變形情況

在吊裝過程中，吊耳附近的應(yīng)力是最大的，需要對(duì)吊耳附近局部甲板及反面T型腹板進(jìn)行加厚處理。吊耳肘板要落在骨材上，在走廊附近的吊耳下方增加槽鋼，并將其作為立柱。槽鋼建議使用最小屈服強(qiáng)度不小于355 MPa 的高強(qiáng)鋼，并一直延伸至底部強(qiáng)結(jié)構(gòu)處。生活樓底部的變形量相對(duì)較大，建議在生活樓底部的自由邊增加1 圈槽鋼，以解決吊裝過程中變形較大的問題。此外，槽鋼加強(qiáng)區(qū)域的變形較為嚴(yán)重，整個(gè)船體結(jié)構(gòu)在整體吊裝過程中的最大變形約為8.1 mm。生活樓整體吊裝計(jì)算的最大應(yīng)力見表1，根據(jù)計(jì)算所得的最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，即吊裝過程中的應(yīng)力滿足要求。

表1 生活樓整體吊裝應(yīng)力計(jì)算

由表1 可知，加強(qiáng)后生活樓整體吊裝的強(qiáng)度是符合要求的，在吊裝過程中生活樓不會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的變形。需要注意的是，要保證整體吊裝過程中雙機(jī)聯(lián)吊的同時(shí)性，確保各步驟同步進(jìn)行。當(dāng)生活樓在整體吊裝至主船體時(shí)，需要將生活樓作為一個(gè)整體進(jìn)行下放。在下放過程中需時(shí)刻觀察主船體底部甲板與塢墩交接處的船體外形，確保船底板在沒有出現(xiàn)變形的情況下將整個(gè)生活樓逐漸卸至主船體上。

4 下水出塢風(fēng)險(xiǎn)

該船在船塢內(nèi)建造，在主船體合龍完成且邊島吊裝至設(shè)計(jì)位置并焊接完成后，將船舶首次下水并通過拖輪拖至碼頭，后續(xù)進(jìn)行船舶內(nèi)部施工及系統(tǒng)調(diào)試等工作。本船四島式設(shè)計(jì)使船舶質(zhì)心相較中心線的橫向偏移較大，易出現(xiàn)較大橫傾。船舶在下水、出塢過程中，需要保證船舶的水平狀態(tài)起浮，以防橫傾導(dǎo)致的橫向偏移和縱傾導(dǎo)致的塢墩受力超出限制等風(fēng)險(xiǎn)。因此，下水過程中需要采用合理的下水方案以保證下水的安全性。

為使船舶能夠以水平狀態(tài)進(jìn)行起浮，在下水前需要對(duì)船舶上的通?？诘任恢玫拈y門進(jìn)行檢查，以確保其處于關(guān)閉狀態(tài)，保證船舶在下水期間不會(huì)發(fā)生意外進(jìn)水，從而影響船舶的浮態(tài)。此外，需要對(duì)下水時(shí)船舶上的質(zhì)量和質(zhì)心等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并通過穩(wěn)性計(jì)算軟件GHS 進(jìn)行船舶的配載工作以及穩(wěn)性計(jì)算工作，軟件計(jì)算時(shí)船舶坐標(biāo)軸以艏向?yàn)檎?，向左舷為正，自基線向上為正。船舶在下水平浮時(shí)全船的質(zhì)量和質(zhì)心情況見表2。

表2 船舶在下水平浮時(shí)全船的質(zhì)量和質(zhì)心情況

在進(jìn)行全船的配載工作時(shí)，需將下水時(shí)船舶的空船質(zhì)心以及船上的臨時(shí)質(zhì)量質(zhì)心按照相關(guān)要求加載至計(jì)算軟件中，用于彎矩、剪力等數(shù)據(jù)的計(jì)算。船舶調(diào)平至少需要壓載水4 480.4 t，此狀態(tài)下船舶的浮態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

船舶在上述浮態(tài)調(diào)載過程中，還需要注意調(diào)載過程中不同壓載對(duì)船舶彎矩和剪力的影響，最終壓載方案的實(shí)際彎矩和剪力要小于設(shè)計(jì)時(shí)的許用彎矩和許用剪力。軟件計(jì)算所得的彎矩和剪力與許用值的百分比見表4，百分比均小于100%，此壓載方案滿足要求。

表4 彎矩和剪力與許用值的百分比

該壓載方案使船舶在下水時(shí)保持平浮狀態(tài)，能更好地規(guī)避橫傾和縱傾導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)，保證作業(yè)的進(jìn)度。當(dāng)船舶實(shí)現(xiàn)完全水平自由漂浮后，需通過拖輪將船舶拖至碼頭進(jìn)行后期作業(yè)。由于本船的生活樓和浮箱均設(shè)計(jì)成外飄的形式，在拖航過程中需要注意外飄平臺(tái)與周邊建筑的間隔，防止發(fā)生碰撞事故而影響后期作業(yè)。

5 結(jié)論

邊島式半潛船的設(shè)計(jì)和建造過程均存在許多挑戰(zhàn)，若考慮不周很容易造成生產(chǎn)事故，對(duì)船舶的建造進(jìn)度極其不利。因此，在建造工作中要時(shí)刻注意風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別與控制，以保證項(xiàng)目建造工作的順利進(jìn)行。本文通過研究在建造過程中由于船型設(shè)計(jì)而帶來的非常規(guī)風(fēng)險(xiǎn)，可得到如下結(jié)論：

1）塢墩在部分區(qū)域的受力較大，需要通進(jìn)行塢墩的加密布置，降低單個(gè)塢墩與船底板的作用力，提高作業(yè)安全性。

2）邊島生活樓在吊裝過程中易發(fā)生變形，增加了作業(yè)的危險(xiǎn)性，需要根據(jù)理論計(jì)算，進(jìn)行局部區(qū)域的加強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)生活樓整體吊裝的安全吊載作業(yè)。

3）需要在船舶下水出塢時(shí)需通過調(diào)載保證船舶的自由平浮，減少發(fā)生橫向滑移的風(fēng)險(xiǎn)，提高作業(yè)的安全性。