大型物件海上運(yùn)輸系固方案校核的一般方法

劉子聃 孔祥鋒 張毅 湯麗娜

摘? ? 要：本文通過建立一個甲板運(yùn)輸駁船運(yùn)輸導(dǎo)管架的模型，使用理論計(jì)算的方法計(jì)算出大型物件在海運(yùn)途中受到的荷載，對系固方案進(jìn)行了校核，并采用有限元法對運(yùn)輸駁船船體與運(yùn)輸工裝的強(qiáng)度進(jìn)行校核。通過對該模型的完整計(jì)算，為大型物件海運(yùn)系固方案的校核提供了一般計(jì)算流程的參考，驗(yàn)證了該套系固方案校核對海洋工程行業(yè)的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：大型物件；海運(yùn)；系固方案；強(qiáng)度校核

中圖分類號：U662.9? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

General Method of Checking the Fastening Scheme for Marine Transport of Large Object

LIU Zidan1，? KONG Xiangfeng1，? ZHANG Yi1，? TANG Lina2

（ 1.Guangzhou Salvage Co.， Ltd.，? Guangzhou 510290;? 2.CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 510715）

Abstract： This article establishes a model of a deck transport barge for transporting a jacket， calculates the loads on large objects during sea transportation by using theoretical calculation methods， checks the fastening scheme， and verifies the strength of the transport barge hull and transport equipment by finite element calculation. The complete calculation of this model provides a reference for the general calculation process to check the fastening scheme for marine transport of large objects， and verifies the practicality of checking the fastening scheme in the marine engineering industry.

Key words： large objects; sea transport; fastening scheme; strength verification

1? ? ?前言

長度在14 m以上或?qū)挾仍?.5 m以上或高度在３ m以上或者重量在20 t以上的單體貨物或不可解體的成組（捆）貨物本文稱之為大型物件。大型物件具有價(jià)值高，風(fēng)險(xiǎn)高，生產(chǎn)運(yùn)輸周期長，運(yùn)輸投入成本大的特點(diǎn)[1]。

隨著全球貿(mào)易的日益發(fā)展，海上運(yùn)輸已成為大型貨物運(yùn)輸?shù)闹匾绞街唬_保貨物在運(yùn)輸過程中的安全和完好至關(guān)重要。在解決貨物在海上運(yùn)輸過程中受到的外力及氣象影響的挑戰(zhàn)時(shí)，合適的系固方案起到了關(guān)鍵作用。

大型物件的系固方案一般分為剛性系固與柔性系固[2]。剛性系固是指通過設(shè)計(jì)專門的底座工裝，固定工裝等方式將運(yùn)輸對象與船體連接在一起，成為一個整體，從而保證運(yùn)輸對象在運(yùn)輸途中的安全穩(wěn)定的一種系固方法。柔性系固則是利用鋼絲繩、纜繩、鐵鏈等柔性系固工具將運(yùn)輸對象固定在運(yùn)輸船上，特點(diǎn)是系固工具只能受拉伸，但易于安裝與拆卸。

本文將以導(dǎo)管架海上運(yùn)輸為例，建立一個大型貨物海上運(yùn)輸?shù)膭傂韵倒棠Ｐ?，并對使用的系固方案進(jìn)行校核。

2? ? 理論分析

本文通過使用中國船級社CSS《海上拖航指南 （2011） 》[3] （以下簡稱《指南》）中附錄一中的計(jì)算公式計(jì)算大型物件在拖航途中所受到的外力，并使用計(jì)算得到的外力作為邊界條件之一施加到有限元模型上進(jìn)行強(qiáng)度校核。

在大風(fēng)浪下，船舶進(jìn)行劇烈的橫搖運(yùn)動，大型貨物受到各種外力：如慣性力、離心力、風(fēng)壓力、摩擦力、海浪沖擊力和浮力，其作用直接影響到大型貨物的運(yùn)輸。各種外力的合力按作用力的方向可分為： 橫向力、縱向力、垂向力。

2.1? ?橫向力

大型貨物在海運(yùn)途中受到的橫向力由慣性力，風(fēng)壓力和海浪沖擊力提供。因此橫向力的表達(dá)式可以寫為：

Fy=MAy+Fq+Fw? ? ?kN? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：M為貨物質(zhì)量；Ay為貨物的橫向加速度； Fq為風(fēng)作用力；Fw為海浪沖擊力。

（2）

式中：g為重力加速度，取9.81 m/s2；rφ為貨物重心至水線處假定的旋轉(zhuǎn)中心的距離；β為夾角，見圖1；φ0為最大橫搖角；Tφ為橫搖周期。拖航指南里給出橫搖周期的三種取值方法：

（3）

式中：GM為初穩(wěn)心高度（m），B為船寬（m）。

2.2? ?縱向力

縱向力Fx按下式計(jì)算：

Fx=MAx+Fq+Fw? ? ? kN ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：M為貨物質(zhì)量；Ax為貨物的縱向加速度；Fq為風(fēng)作用力；Fw為海浪沖擊力。

（5）

式中：rψ為貨物重心至水線處假定的旋轉(zhuǎn)中心的距離；β為夾角，見圖2；ψ0為最大橫搖角；Tψ為橫搖周期，取值方法參考本文2.1節(jié)。

2.3? ?垂向力

垂向力Fz按下式計(jì)算：

（6）

式中：a為垂向加速度參數(shù)，a=3.75e-0.003 L，但a不必大于3 m/s2；L為船長。

2.4? ?大型貨物運(yùn)動判斷條件

1）靜力平衡：貨物受到的作用力有慣性力，風(fēng)作用力，海浪作用力，支承結(jié)構(gòu)（如甲板，底座工裝等）提供的作用力與摩擦力，額外的系固結(jié)構(gòu)提供的作用力（如斜撐，鋼絲繩等）。當(dāng)使貨物發(fā)生移動的作用力大于制止貨物發(fā)生移動的作用力時(shí)，貨物將發(fā)生移動，給貨物和運(yùn)輸船舶帶來危險(xiǎn)。貨物的移動可分為沿船長、船寬和垂直甲板三個方向上的移動。

2）力矩平衡：由于貨物受到的作用力并非都是作用在貨物的重心上的，因此不少作用力都會給貨物帶來力矩。當(dāng)這些力矩得不到平衡時(shí)，貨物將發(fā)生翻轉(zhuǎn)傾覆。

3? ? 模型參數(shù)信息

3.1? ?導(dǎo)管架參數(shù)

該導(dǎo)管架總高為52 m，重量為850 t；依靠4個主腿站立，呈正方形根開間距為30 m×30 m，重心高度為31.7 m（距離甲板高度）。

3.2? ?船舶參數(shù)

船體總長149.8 m、水線長147.09 m、型寬40.2 m、型深8.6 m、設(shè)計(jì)吃水5.9 m、載重量20 485 t。

3.3? ?環(huán)境參數(shù)

根據(jù)《指南》要求，船舶在航行途中遇到的最大橫搖角為一般為±15°，最大縱搖角為±5°。以此作為極端工況校核導(dǎo)管架的系固方案是否可靠。根據(jù)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，此類大型鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)輸船舶一般橫搖角度不會超過±8°，因此按此環(huán)境參數(shù)校核已經(jīng)足夠。

3.4? ?運(yùn)輸布置

導(dǎo)管架居中布置在運(yùn)輸船上，通常一趟運(yùn)輸3個導(dǎo)管架。為了提高運(yùn)輸?shù)陌踩?，通常將?dǎo)管架4個主腿盡量布置在艙壁和強(qiáng)肋骨位置。相鄰導(dǎo)管架之間預(yù)留一定的起吊安全距離，如圖3所示。

4? ? 理論計(jì)算

4.1? 系固前的穩(wěn)定性校核

對導(dǎo)管架進(jìn)行受力分析如下。

如圖4所示，假定導(dǎo)管架通過4個腿的插尖處的4個底座工裝與駁船甲板連接在一起，則在船發(fā)生搖擺時(shí)會受到垂向力，底座提供的綁扎力與支承力，還有慣性力，風(fēng)作用力與海浪作用力產(chǎn)生的傾覆力矩。參考《指南》可求得導(dǎo)管架所受外力如下。

由表1的數(shù)據(jù)可知在假定工況下如果導(dǎo)管架只是放在底座工裝上，兩者之間的摩擦力不足以抵消導(dǎo)管架的橫向作用力與縱向作用力。導(dǎo)管架受到的橫向穩(wěn)定力矩也比橫向傾覆力矩要小。因此，導(dǎo)管架將會發(fā)生橫移，縱移和橫傾的運(yùn)動。

4.2? ?系固后的穩(wěn)定性校核

由4.1節(jié)的計(jì)算可知：在運(yùn)輸過程中，導(dǎo)管架是不穩(wěn)定的，必須進(jìn)行綁扎加固。加固方式使用剛性加固的方案，具體加固方案如下：

1）導(dǎo)管架放置于4組底座之上。底座布置在導(dǎo)管架4個腿上的插尖下方，與船體甲板焊接。底座有不同高度的加高座，分別對應(yīng)導(dǎo)管架不同的插尖長度，使得導(dǎo)管架處于水平放置的狀態(tài)；

2）導(dǎo)管架放置就位后，需要加鋼質(zhì)圓管作為斜撐加固。斜撐上端通過連接板連接至導(dǎo)管架的插尖板上，下端通過連接板與墊板連接到有強(qiáng)結(jié)構(gòu)（縱桁，縱骨，艙壁等）的甲板板上。

部分導(dǎo)管架樁腿以及下部系固方案模型如圖5所示。

由校核可知，橫向制動力安全系數(shù)為7.95，橫向抗傾覆安全系數(shù)為4.92，縱向制動力安全系數(shù)為22.78，縱向抗傾覆安全系數(shù)為13.46。加固方案完全可以克服橫向慣性力、縱向慣性力，貨物不會橫向、縱向移動；橫向穩(wěn)定力矩完全可以克服橫向傾覆力矩，貨物不會發(fā)生橫向傾覆。

《指南》給出安全系數(shù)在不同工況中的取值如下。

本算例采用剛性系固，應(yīng)對系固結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈服應(yīng)力分析，因此取用的安全系數(shù)K應(yīng)為2.6（對接焊接鋼結(jié)構(gòu)（剪切）），而上述校核得到的安全系數(shù)均大于2.6。因此認(rèn)為該系固方案從理論計(jì)算方面足以保證本航次導(dǎo)管架運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

5? ? 有限元計(jì)算

通過理論分析可得到總體系固的強(qiáng)度，但是支撐底座與甲板的復(fù)雜結(jié)構(gòu)難以通過理論分析進(jìn)行強(qiáng)度校核，因此采用有限元直接計(jì)算法對甲板及系固結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部強(qiáng)度分析。

5.1? ?有限元模型

建立底座與部分船體的有限元模型，模型采用殼體單元與梁單元結(jié)合來模擬。為節(jié)省計(jì)算資源，遠(yuǎn)離底座布置位置的小尺寸結(jié)構(gòu)如縱骨的面板，加強(qiáng)肘板等在建立模型時(shí)忽略[4]。

本算例主要關(guān)注系固結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與船體甲板強(qiáng)度，對導(dǎo)管架自身強(qiáng)度不作校核，因此無需建立導(dǎo)管架模型，通過遠(yuǎn)端力的方式模擬導(dǎo)管架作用于4個支撐底座的力。

底座與船體結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q235B，材料參數(shù)按標(biāo)準(zhǔn)選取。網(wǎng)格尺寸最大為200 mm，最小為100 mm，單元平均質(zhì)量為0.94，因此認(rèn)為該模型網(wǎng)格的劃分是合適的。

5.2? ?邊界條件

船體兩端施加固定約束；整個模型受到重力加速度作用。由表1計(jì)算得到導(dǎo)管架受到三個方向的外力：橫向作用力：Fy=564.27 t， 縱向作用力：Fx=208.53 t，垂向作用力：Fz（+）=1 059 t。將上述三個外力以遠(yuǎn)端力的形式加載至導(dǎo)管架樁腿部分上，作用點(diǎn)選擇導(dǎo)管架的重心位置[5]，如圖6所示。

5.3? ? 計(jì)算結(jié)果

提取整體、船體以及底座工裝三個對象的應(yīng)力結(jié)果云圖和變形云圖如下。

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，船體最大應(yīng)力出現(xiàn)在左舷底座下方的強(qiáng)橫梁與縱桁的交點(diǎn)處，底座工裝的最大應(yīng)力出現(xiàn)在左舷縱搖下沉一端的底座的沿船長方向分布的斜撐上。

采用工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法（WSD）進(jìn)行系固方案的設(shè)計(jì)分析。根據(jù)ABS的關(guān)于移動式海上鉆井平臺的規(guī)范《MOBILE OFFSHORE DRILLING UNITS》（2019），考慮了貨物隨船舶運(yùn)動的各向加速度載荷，結(jié)構(gòu)受力是由多個載荷組合而成，因此WSD法許用應(yīng)力系數(shù)選取1.11，則結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力值為材料屈服應(yīng)力/1.11，Q235B的許用應(yīng)力取值為：[σ] =235/1.11=211.71 MPa。

有限元強(qiáng)度校核結(jié)果匯總?cè)缦隆?/p>

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采用該系固方案后，在導(dǎo)管架的運(yùn)輸途中，船體與底座工作的最大應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力211.71 MPa，滿足要求，且具有一定的富余度。因此認(rèn)為該系固方案是可行的。

6? ? 結(jié)束語

本文建立了一個普通甲板駁船運(yùn)輸導(dǎo)管架的模型，采用理論計(jì)算與有限元計(jì)算結(jié)合的方法對假設(shè)的系固方案進(jìn)行校核，計(jì)算結(jié)果表明該系固方案是可行的，在海上風(fēng)電迅猛發(fā)展的時(shí)代，通過計(jì)算校核，排除或降低風(fēng)險(xiǎn)，既預(yù)留一定的安全系數(shù)，也不過度設(shè)計(jì)冗余，從而確保風(fēng)機(jī)導(dǎo)管架在海上運(yùn)輸?shù)陌踩院徒?jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)

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[4]汪有軍. 重大件貨物海上運(yùn)輸剛性系固校核方法探討[C]. 中國航海學(xué)會救撈專業(yè)委員會2009年年會暨救撈發(fā)展論壇，2009.

[5]葛為結(jié)，黃剛，胡躍川.駁船裝載大型導(dǎo)管架海上拖航分析[J].船海工程，2023 （02）.

作者簡介：劉子聃（1986- ），男，工程師。主要從事海洋工程和海上風(fēng)電施工工作。

孔祥鋒（1999- ），男，助理工程師。主要從事海洋工程和海上風(fēng)電施工工作。

收稿日期：2023-08-04