， ， ， ， ， ，

(中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司， 遼寧 大連 116600)

冰區(qū)雙燃料平臺供應(yīng)船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與總體強(qiáng)度評估

曹凱，劉仁昌，王永剛，王金峰，朱光偉，張利軍，黃金林

(中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司，遼寧大連116600)

對目標(biāo)冰區(qū)雙燃料平臺供應(yīng)船展開整船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與總縱強(qiáng)度評估，將液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)燃料罐裝載與常規(guī)平臺供應(yīng)船裝載工況組合，計(jì)算靜水剪力、彎矩，分析在設(shè)計(jì)剪力、彎矩下平臺供應(yīng)船的彎曲、剪切和屈曲強(qiáng)度以及冰帶區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)對總縱強(qiáng)度的影響，給出適于此類船舶靜水載荷的計(jì)算方法以及危險(xiǎn)剖面位置的選取原則，并基于分析結(jié)果完善和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

冰區(qū)；平臺供應(yīng)船；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；強(qiáng)度

0 引 言

高緯度冰區(qū)海域蘊(yùn)藏著豐富的石油和天然氣資源，冰區(qū)作業(yè)需要保證在惡劣環(huán)境下的結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)也要滿足歐洲、北美和極地排放控制區(qū)域越來越高的排放標(biāo)準(zhǔn)，常規(guī)的平臺供應(yīng)船已不能滿足冰區(qū)作業(yè)的需要，滿足以上要求的高度專業(yè)化的冰區(qū)雙燃料平臺供應(yīng)船逐漸受到市場的關(guān)注。

文中目標(biāo)船采用波羅的海1A冰級[1]進(jìn)行加強(qiáng)以滿足冰區(qū)航行的要求，同時(shí)采用液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)作為清潔燃料以滿足排放控制區(qū)域的要求。然而，LNG燃料液灌的布置以及冰級加強(qiáng)設(shè)計(jì)增加了總縱強(qiáng)度不滿足要求的概率，現(xiàn)有的海洋工程支援船規(guī)范并沒有給出針對雙燃料裝載工況的選取原則，同時(shí)冰區(qū)加強(qiáng)型的船舶外板的骨材系統(tǒng)與常規(guī)船舶也有較大差異。針對上述問題，在滿足LNG液罐布置要求的前提下對總縱強(qiáng)度進(jìn)行評估并提出適于此類船舶的裝載工況的確定原則，完成目標(biāo)船的總縱強(qiáng)度校核和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的建議以及整船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 結(jié)構(gòu)布置和設(shè)計(jì)特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)的合理布置直接影響船體結(jié)構(gòu)的剛度、重量和工藝性。雙燃料平臺供應(yīng)船屬于布置型船舶，其LNG燃料儲(chǔ)罐[2]占據(jù)很大空間，需要在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種功能。因此，對于該型船的布置與設(shè)計(jì)具有較大的挑戰(zhàn)性。

本平臺供應(yīng)船為單甲板、雙殼、雙底全焊接鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，綜合考慮規(guī)格書、總布置以及美國船級社OSV規(guī)范[3]對防撞艙壁和水密艙壁等結(jié)構(gòu)的要求[4]，根據(jù)結(jié)構(gòu)布置的整體性、連續(xù)性、受力均勻性和載荷有效傳遞性等原則，將全船沿船長方向共分為8個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)中縱剖面布置圖

該船從艉向艏分別為：尾部壓載艙區(qū)、尾推進(jìn)器艙區(qū)、減搖水艙和特殊貨物艙區(qū)、散料罐艙區(qū)、燃料罐艙&燃油艙&泥漿/鹽水艙區(qū)、機(jī)艙區(qū)、艏推進(jìn)器艙區(qū)和艏壓載艙區(qū)，由7道水密橫艙壁分隔，其中最前方FR134肋位的橫艙壁作為防撞艙壁，同時(shí)支撐生活區(qū)結(jié)構(gòu)。在縱向強(qiáng)構(gòu)件穿過橫艙壁的位置設(shè)置垂向扶強(qiáng)材，縱骨穿過橫艙壁的位置設(shè)置垂向扶強(qiáng)材。

1.1冰帶區(qū)域結(jié)構(gòu)布置和設(shè)計(jì)特點(diǎn)

常規(guī)船舶外板骨材一般要求在船中0.4倍船長范圍內(nèi)保持連續(xù)[5-7]，同時(shí)兩端骨材漸進(jìn)停止于橫艙壁上，以保證船體的總縱強(qiáng)度。冰區(qū)航行的平臺供應(yīng)船，必須考慮在冰載荷作用下的局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。本船參考ABS船級社規(guī)范中波羅的海1A冰級[1]要求進(jìn)行加強(qiáng)。按照冰級規(guī)范要求，根據(jù)外板平邊線位置以及最小、最大吃水，船體外板冰帶區(qū)劃分為艏部、中部和艉部3個(gè)部分。與常規(guī)船舶外板骨材的布置原則不同，冰帶區(qū)域內(nèi)的外板板厚以及骨材系統(tǒng)要嚴(yán)格按照冰級規(guī)范中艏、中、艉3個(gè)區(qū)域進(jìn)行劃分和布置。根據(jù)冰載荷作用特點(diǎn)艏部外板結(jié)構(gòu)采用橫骨架式，其他冰帶區(qū)域采用縱骨架式。冰帶區(qū)域劃分如圖2所示。

圖2 冰帶區(qū)域劃分

冰區(qū)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：(1)縱骨跨距應(yīng)沿縱骨方向量取兩端支撐結(jié)構(gòu)的腹板間距，忽略肘板對跨距的折減，如果是曲形型材，則量取兩點(diǎn)間的直線距離。(2)骨材穿過強(qiáng)框架或水平桁等支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，骨材腹板兩面直接與支撐結(jié)構(gòu)焊接，或者在穿越孔處增加補(bǔ)板連接，本船設(shè)計(jì)中使用落地非水密補(bǔ)板形式。(3)在計(jì)算骨材或桁材腹板厚度時(shí)，其板厚不得小于該處外板的一半，且不能小于9 mm。如果計(jì)算的骨材或桁材與外板屈服強(qiáng)度不同，參照的外板板厚應(yīng)由骨材或桁材的屈服強(qiáng)度計(jì)算得到，通過該計(jì)算得到的外板板厚不包含腐蝕裕量。當(dāng)用板材代替骨材時(shí)，他們的板材板厚在其相鄰骨材的高度范圍內(nèi)也應(yīng)符合此要求。(4)骨材與外板的連接應(yīng)采用雙面連續(xù)角焊，除了外板對接焊縫位置的過焊孔外，骨材上不允許開孔。(5)可以適當(dāng)調(diào)整在冰區(qū)航行時(shí)的最小壓載吃水來減小外板冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域的范圍，從而減小結(jié)構(gòu)重量和冰帶特殊涂料的成本。

1.2各艙室結(jié)構(gòu)布置與設(shè)計(jì)

1.2.1 LNG燃料儲(chǔ)罐艙

LNG燃料儲(chǔ)罐屬于獨(dú)立C型罐[2]，相比燃油所占體積大。根據(jù)美國船級社規(guī)范對密閉空間儲(chǔ)罐布置的要求，儲(chǔ)罐應(yīng)盡量布置在靠近船舶重心的位置。該船將LNG儲(chǔ)罐艙室布置在船體中線處，如圖3所示。LNG儲(chǔ)罐艙室與機(jī)艙尾部相連，艙室之間由A-60等級艙壁隔離，LNG儲(chǔ)罐布置靠近艙室尾部，并且保證儲(chǔ)罐與機(jī)艙以及其他艙壁至少900 mm隔離空間，該布置既有利于燃料管線布置，又能減小因船體運(yùn)動(dòng)而作用到儲(chǔ)罐上的慣性力[8]。

圖3 燃料罐艙&燃油艙&泥漿/鹽水艙區(qū)甲板結(jié)構(gòu)布置圖(僅左舷，右舷對稱布置)

1.2.2 泥漿/鹽水艙

泥漿/鹽水艙對稱布置于LNG罐艙兩側(cè)，中間各有1條寬度為900 mm的通道。單側(cè)各有5個(gè)泥漿/鹽水艙。泥漿黏性大容易沉積吸附到艙壁結(jié)構(gòu)上，為了便于艙室內(nèi)泥漿的攪拌和洗艙，減少裝卸貨時(shí)泥漿在艙室內(nèi)的殘留，該艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用以下策略：(1)將泥漿/鹽水艙設(shè)計(jì)成橢圓狀(如圖3所示)，充分利用薄壁筒形結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性；(2)扶強(qiáng)材位于艙室外部，泥漿艙內(nèi)壁為光滑的板材結(jié)構(gòu)，減小特涂面積；(3)甲板縱骨位于泥漿艙室內(nèi)部的跨距較大，達(dá)到4.9 m，本設(shè)計(jì)中間不設(shè)置橫向強(qiáng)橫梁減小跨距，而是采用比較大的球扁鋼，減少艙室內(nèi)結(jié)構(gòu)連接；(4)內(nèi)底板在距船中1 150 mm處設(shè)置水平向上約3°的傾斜角度，以保證泥漿的排空。

1.2.3 燃油艙

燃油艙布置在LNG儲(chǔ)罐艙后方，位于中間甲板以上，其下部為泵艙，屬于其他類機(jī)械處所，中間無需添加隔離艙。由于該燃油艙懸空布置，設(shè)計(jì)時(shí)使用立柱支撐其底板結(jié)構(gòu)。

1.2.4 特殊貨物艙室

特殊貨物包括甲醇以及其他有毒或有害的化學(xué)貨物，其艙內(nèi)屬于“0”類危險(xiǎn)區(qū)域。根據(jù)IGF Code[9]的要求，應(yīng)該將裝有該類貨物或貨物殘余物的液貨艙與起居處所、服務(wù)處所、機(jī)器處所、飲用水艙和生活用品儲(chǔ)藏室分隔開。本平臺供應(yīng)船配有2個(gè)獨(dú)立的特殊貨物艙，其布置如圖1所示。隔離艙四周采用肋板加強(qiáng)，從艙室外部對其不銹鋼艙壁進(jìn)行支撐以免受特殊貨物的腐蝕。

2 總縱強(qiáng)度分析

2.1總縱強(qiáng)度計(jì)算方法簡述

2.1.1 波浪彎矩與波浪剪力

美國船級社OSV規(guī)范[3]中規(guī)定的船中波浪彎矩計(jì)算公式為

式中：Mws為中垂波浪彎距；Mwh為中拱波浪彎矩；L為規(guī)范船長；B為船寬；Cb為方形系數(shù)；C1=0.044L+3.75(61≤L≤90 m)；k1=110；k2=190。

波浪誘導(dǎo)彎矩的包絡(luò)線可由船中彎矩乘以分布系數(shù)M得到，其中分布系數(shù)如圖4所示：

圖4 彎矩分布系數(shù)M沿船長的分布

美國船級社OSV規(guī)范[3]中規(guī)定的船中波浪剪力計(jì)算公式為

式中：Fwp為最大波浪誘導(dǎo)剪力的正值；Fwn為最大波浪誘導(dǎo)剪力的負(fù)值；F1，F(xiàn)2為分布系數(shù)。

2.1.2 彎曲強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度

規(guī)范中通過最小剖面模數(shù)校核船體梁的彎曲應(yīng)力，剖面模數(shù)計(jì)算方法為

式中：Mt為總彎矩和，包括靜水彎矩與波浪彎矩；fp名義許用彎曲力,取17.5 kN/cm2。

對于沒有有效縱向連續(xù)艙壁的船舶來說，外殼板處的名義剪切應(yīng)力計(jì)算方法為

式中：I為船體梁剖面慣性矩；m為剖面關(guān)于中和軸的一階矩；ts為外殼板厚度；Fsw為靜水剪力；Fw為波浪剪力。

2.2總縱強(qiáng)度實(shí)例分析

2.2.1 裝載工況的確定

平臺供應(yīng)船典型的裝載工況見表1。由于雙燃料的平臺供應(yīng)船在船中布置有C型LNG燃料罐，根據(jù)作業(yè)情況以及船級社規(guī)范[3]要求，所有典型的平臺供應(yīng)船裝載工況都需要考慮LNG燃料罐的裝載情況。本文將所有常規(guī)的平臺供應(yīng)船工況與LNG燃料罐裝載情況進(jìn)行組合[8]，最后篩選出靜水彎矩與剪力最大的10個(gè)工況，對應(yīng)的靜水彎矩和剪力曲線如圖5和圖6所示。

表1 平臺供應(yīng)船標(biāo)準(zhǔn)裝載工況

圖5 靜水彎矩曲線

圖6 靜水剪力曲線

2.2.2 總縱強(qiáng)度外載荷計(jì)算

根據(jù)美國船級社 OSV規(guī)范要求，總縱強(qiáng)度外載荷由波浪載荷與靜水載荷2部分組成。計(jì)算得波浪彎矩與剪力沿船長的分布如圖7和圖8所示。

圖7 波浪彎矩曲線圖

圖8 波浪剪力曲線

通過上節(jié)中所有雙燃料工況的計(jì)算，最后選取所有有計(jì)算工況下計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)線作為總縱強(qiáng)度計(jì)算中的設(shè)計(jì)靜水載荷。靜水剪力彎矩包絡(luò)線如圖9和圖10所示。

圖9 靜水彎矩包絡(luò)曲線

圖10 靜水剪力包絡(luò)曲線

2.2.3 計(jì)算剖面位置選取

計(jì)算剖面位置的選取兼顧常規(guī)船舶選取要求，同時(shí)考慮C型LNG燃料液灌布置特點(diǎn)[8]和抗冰結(jié)構(gòu)布置的特點(diǎn)。本文計(jì)算剖面位置的選取見表2。船中典型計(jì)算剖面如圖11所示。本船艉垂線為0號肋位，肋間距為0.6 m。

2.2.4 剖面模數(shù)校核結(jié)果

按照ABS規(guī)范中的總縱強(qiáng)度校核準(zhǔn)則，該冰區(qū)雙燃料平臺供應(yīng)船剖面模數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 計(jì)算剖面位置

圖11 船中計(jì)算剖面

肋位號中和軸高度/m實(shí)際甲板剖面模數(shù)/(cm2·m)最小甲板剖面模數(shù)/(cm2·m)校核結(jié)論實(shí)際外底剖面模數(shù)/(cm2·m)最小外底剖面模數(shù)/(cm2·m)校核結(jié)論263．9193349010289滿足3402210289滿足363．8883570812862滿足3684312862滿足483．5873250015434滿足3907815434滿足703．7443325515434滿足3690915434滿足883．7443325615434滿足3691015434滿足913．4561749315434滿足2249515434滿足1043．0881337212862滿足2083312862滿足1123．6321730610289滿足2034110289滿足1193．561147967717滿足180307717滿足

2.2.5 許用靜水剪力

冰區(qū)雙燃料平臺供應(yīng)船在各個(gè)計(jì)算剖面位置處的剪切強(qiáng)度校核結(jié)果見表4。

表4 許用靜水剪力校核結(jié)果 kN

由表4可知設(shè)計(jì)靜水剪力均小于許用靜水剪力且有較大余量。冰區(qū)加強(qiáng)型船舶由于在中和軸附近進(jìn)行了抗冰加強(qiáng)，板厚和骨材尺寸都有所增大，而剪流在中和軸附近最大，所以冰帶區(qū)域的加強(qiáng)有利于船體的剪切強(qiáng)度。

3 計(jì)算結(jié)果分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化

由總縱強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果可知，冰區(qū)雙燃料平臺供應(yīng)船總體強(qiáng)度滿足美國船級社 OSV 規(guī)范要求，同時(shí)具有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備，與常規(guī)的平臺供應(yīng)船相比，冰區(qū)雙燃料平臺供應(yīng)船可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

(1) 結(jié)合計(jì)算結(jié)果，在原有設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，延長了雙層舷側(cè)內(nèi)殼，保證了其在船中范圍內(nèi)的長度與連續(xù)性并將其計(jì)入船體梁的抗剪切面積與剖面模數(shù)的計(jì)算中，使得總體強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。適當(dāng)增加甲板板厚，減小了甲板處的正應(yīng)力，通過壓載調(diào)整降低了LNG燃料液罐裝載情況引起的總縱彎矩，改善了船體的總縱強(qiáng)度。

(2) 冰區(qū)加強(qiáng)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)尺寸、形式的突變與機(jī)艙開口位于同一橫剖面，導(dǎo)致此處剖面位置的甲板和底縱桁易發(fā)生屈曲失效，結(jié)合計(jì)算結(jié)果在設(shè)計(jì)中適當(dāng)增加機(jī)艙開口位置處的甲板板厚、骨材尺寸以及底縱桁板厚，以滿足規(guī)范要求。

(3) LNG燃料儲(chǔ)罐雖然占據(jù)很大空間，通過增加結(jié)構(gòu)重量的方法可以滿足其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。使用橢圓形泥漿艙，兼做溢油回收艙，調(diào)整其布置形式，在不影響總縱強(qiáng)度的前提下，滿足平臺供應(yīng)、溢油回收和雙燃料等多功能要求。

4 結(jié) 論

本文采用規(guī)范計(jì)算方法對冰區(qū)雙燃料平臺供應(yīng)船的總體強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算。由于該船特有的冰區(qū)加強(qiáng)和C型LNG燃料罐的設(shè)計(jì)，使得船中靜水彎矩偏大、縱向結(jié)構(gòu)布置困難，對全船結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度的計(jì)算帶來了很大挑戰(zhàn)。在該船的設(shè)計(jì)過程中，分別通過調(diào)整壓載、改善結(jié)構(gòu)布置和增加縱向連續(xù)構(gòu)件，解決了這些問題，并得出以下結(jié)論：

(1) 整船冰區(qū)加強(qiáng)選擇混合骨架式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)冰區(qū)骨材的均勻布置，能夠抵抗相應(yīng)等級的冰載荷。

(2) 內(nèi)有獨(dú)立C型燃料液罐的平臺供應(yīng)船，受LNG燃料液罐裝載工況的影響，靜水剪力與靜水彎矩包絡(luò)線與常規(guī)平臺供應(yīng)船存在較大不同。本文基于美國船級社OSV規(guī)范對常規(guī)平臺供應(yīng)船的裝載工況要求，補(bǔ)充和完善帶有LNG液罐時(shí)的裝載工況，并對考慮雙燃料使用情況下的不同裝載工況進(jìn)行計(jì)算，給出適用于雙燃料平臺供應(yīng)船靜水載荷的計(jì)算方法。

(3) 結(jié)合冰區(qū)航行雙燃料平臺供應(yīng)船的整船結(jié)構(gòu)和布置特點(diǎn)，對美國船級社 OSV規(guī)范中關(guān)于船體梁危險(xiǎn)剖面位置選取的原則進(jìn)行補(bǔ)充，同時(shí)結(jié)合目標(biāo)船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)提出此類船舶危險(xiǎn)剖面位置的選取方法。

[1] ABS. Offshore Support Vessel, Optional Items and Systems：OSV-PART 6 [S]. 2015.

[2] ABS. Steel Vessels, Specific Vessel Types：SVR-PART 5 C2-e[S]. 2015.

[3] ABS. Offshore Support Vessel, Hull Construction and Equipment：OSV-PART 3 [S]. 2015.

[4] 鄂海明，萬升才. 2 400 kW淺海拖曳供應(yīng)船總體設(shè)計(jì)探討[J]. 中國海洋平臺, 2000, 15(03): 14-16.

[5] 謝永和，吳劍國，李俊來. 船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 上海交通大學(xué)出版社，2011.

[6] 遲少艷，程維杰. “海洋石油115”號FPSO船體設(shè)計(jì)[J]. 中國海洋平臺, 2008, 23(04): 33-37.

[7] 程斌，潘偉文. 船舶設(shè)計(jì)教程[M]. 上海交通大學(xué)出版社，1988.

[8] 楊青松，陸叢紅，紀(jì)卓尚. 中小型LNG船鞍座及附近船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[M]. 中國造船, 2011, 52(01): 61-70.

[9] IMO. International Code of Safety for Ships Using Gases or Other Low-Flash-Point Fuels [S].2014.

HullStructureDesignandLongitudinalStrengthAssessmentforIceClassDualFuelPSV

CAO Kai, LIU Renchang, WANG Yonggang, WANG Jinfeng,ZHU Guangwei , ZHANG Lijun , HUANG Jinlin

(COSCO Shipyard Group Company Limited, Dalian 116600, Liaoning, China)

The calculation object is an ice class dual fuel platform support vessel, the loading condition of LNG fuel tank is considered in the calculation of static water bending moment and shear force envelop. Bending strength, shear strength and buckling strength of hull girder under design bending moment and shear force are assessed. The arrangement of ice belt structure is also considered in the selection of section location. A selected principle of the critical calculation section and a calculation method of static water loads are provided. The ship structure is optimized by the calculation result.

ice zone; Platform Supply Vessel(PSV); structure design; strength

U674

A

2016-05-13

曹 凱(1973-)，男，高級工程師

1001-4500(2017)05-0011-09