秦立成

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

隨著能源短缺的加劇，越來越多的油氣開采轉(zhuǎn)向深水，海洋平臺也向大型化、綜合化方向發(fā)展，平臺上部模塊質(zhì)量也越來越大，目前中海油完成了數(shù)十座萬噸級海洋平臺的浮托安裝，其中“荔灣3-1”導(dǎo)管架海洋平臺的質(zhì)量最大，超過3萬t。多數(shù)導(dǎo)管架平臺在陸地建造完成后通過船舶運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進行安裝作業(yè)。把海洋平臺從陸地轉(zhuǎn)移到運輸駁船上是一個核心的環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)施工復(fù)雜且風險性大，由于直接吊裝作業(yè)受碼頭水深及吊重的影響，所能吊裝的海洋平臺大部分集中在1 000 t左右，且費用高昂，為了解決這一矛盾，并降低碼頭裝船作業(yè)風險，利用滑移拖拉方式進行裝船，該方式具有操作簡單、安全可靠的特點[1-4]。

滑移裝船利用拖拉設(shè)備將海洋平臺從建造碼頭拖拉到駁船的最終位置，通常是利用拉力千斤頂、絞車或小車裝船。裝船過程中海洋平臺是逐步拖拉到駁船的最終位置的，其重量也是逐步轉(zhuǎn)移到駁船上的，因此在轉(zhuǎn)移過程中要結(jié)合駁船調(diào)載、潮汐變化，以確保駁船滑道和陸地滑道高差滿足規(guī)范要求。在裝載過程中，既要對駁船進行調(diào)載作業(yè)，又要控制好裝載速度，這樣能防止碼頭或船體局部受力過大，保證碼頭或船體受力在許用范圍內(nèi)，綜上所述，對船體進行總縱強度分析和局部強度分析是滑移裝船作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于裝船是個連續(xù)的過程，因此要按照裝船步驟計算每步的船體總縱強度，盡量在船中、船首、船尾都適量布置一些調(diào)載艙室，避免選用一處來調(diào)載。如果調(diào)載艙室選擇不合理，容易造成船體總縱強度過大，甚至發(fā)生局部垮塌事故，需要重新選擇合理的駁船艙室來壓載或排載，重新校核總縱強度，直到滿足規(guī)范要求為止。常用的行業(yè)規(guī)范通常是考慮船體在航行過程中的總縱強度，有相應(yīng)的經(jīng)驗公式可供使用，而對于裝載工況下的總縱強度，尚有待于進一步研究，國內(nèi)沒有相關(guān)的報道。本文結(jié)合具體工程項目進一步探討研究了裝船工況下的總縱強度和局部強度，保證了裝載過程的安全。

1 裝船載荷工況

本文以某海洋平臺的裝載為例。此平臺有8腿支撐，位于4個長滑靴上，為一典型平臺結(jié)構(gòu)，在中海油完成的19座浮托安裝的平臺中此類型平臺有16座，此平臺質(zhì)量11 212 t，建造完成后采用浮托法運至現(xiàn)場安裝，建造地點在青島建造場地2號滑道，裝船時采用4套拉力千斤頂將落在滑靴上的組塊從陸地滑道拖到駁船滑道，并最終就位于“海洋石油228”船，拖拉方向如圖1所示。組塊坐在2.49 m高的陸地滑道上，船上滑道2.03 m，整個上船過程分為11步，每一步的上船距離如表1所示，根據(jù)青島當?shù)氐某毕畲笞兓?，在拖拉裝船時船體吃水最小6.74 m，最大11.5 m。組塊分布到駁船上的重量根據(jù)滑靴拖拉到船上的距離來確定，在拖拉過程中分為3個基本工況：其一，考慮全部的靜載，另外考慮船舶縱向首傾或尾傾300 mm；其二，在拖拉時的摩擦力系數(shù)按0.2考慮；其三，由于滑道不平，施加靜載的1.15倍系數(shù)。根據(jù)上述3個基本工況，為了減少計算工作量，本文只組合出每步的最大值來校核船體的強度，其中工況1～工況11為滑靴橫跨陸地滑道到船上滑道，工況9～工況11為滑靴已經(jīng)全部上船，其最大數(shù)值見表2。

圖1 拖拉方向

表1 拖拉時滑靴前沿距離碼頭的距離

2 總縱強度分析

總縱強度分析主要包括靜水彎矩和靜水剪力，在碼頭滑移裝船時還要考慮燃料、淡水、艙室的水量、轉(zhuǎn)移的平臺質(zhì)量、船舶吃水等，在計算靜水彎矩和靜水剪力時，向下的載荷取為正值，向上的載荷取為負值，從船尾向船首沿船長方向積分，見圖2。“海洋石油228”為無人非自航18 000 t導(dǎo)管架下水T型駁船，其浮托能力最大為16 000×9.81 kN，其載貨能力為57784×9.81kN，其主要參數(shù)見表3。在整個拖拉過程中，要把載荷轉(zhuǎn)移過程對船的作用考慮到彎矩和剪力中去。表4給出了不同吃水下的最大靜水彎矩和剪力。

表2 拖拉工況滑靴支腿的最大支反力

圖2 彎矩剪力符號示意

表3 海洋石油228駁船參數(shù)

如表4所示：在最小吃水6.74 m（第6步）時，最大彎矩為-310 988.0×9.81 kN·m，達到許用值的74.7% ，最大剪力為 7 371.3×9.81 kN，達到許用值的51.1%；在最大吃水11.5 m（第11步）時，最大彎矩為 -115 351.0 ×9.81 kN·m，達到許用值的 38.6% ，最大剪力為 -3 500.6×9.81 kN，達到許用值的24.2%，分析結(jié)果表明彎矩和剪力都在“海洋石油228”船的設(shè)計許用范圍內(nèi)。

3 局部強度分析

為了模擬裝載過程，需要建立駁船有限元模型，將其產(chǎn)生的載荷施加到船體模型上。在進行建模時，其上構(gòu)件分為主要構(gòu)件和次要構(gòu)件。主要構(gòu)件包括船體弦側(cè)外板、甲板、縱艙壁、橫艙壁、桁材等，它們對船體的整體結(jié)構(gòu)起到主要作用，影響整體變形和整體應(yīng)力場的分布，在進行船舶結(jié)構(gòu)強度分析時都必須按照真實情況進行模擬。此外，由于總縱強度在駁船結(jié)構(gòu)強度中占重要地位，如甲板縱骨、弦側(cè)縱骨、縱艙壁縱骨等，都會起到重要作用，尤其是它們在總縱彎矩中的作用。對于以上所述的構(gòu)件，在建立有限元模型時都必須按照真實情況模擬，真實反映船體的強度。次要構(gòu)件只是起到局部作用，如桁材、肋板上所加的扶強材等，它們不影響結(jié)構(gòu)的整體強度、變形，而且在有限元計算中認為焊接連接處的強度是足夠的，故在總縱強度計算中對這些構(gòu)件作適當?shù)娜∩?，可減少計算量，也是偏于安全角度的考慮。為保證計算準確性，采用了精確的結(jié)構(gòu)分析模型，盡量把每一個主要構(gòu)件真實地模擬出來。由于駁船外板和艙壁等均為平面結(jié)構(gòu)，滑靴和滑道也采用殼單元，根據(jù)該船體結(jié)構(gòu)及受力特點，為尋求計算精度和計算量的平衡，采用ANSYS單元庫中的如下單元：一是板殼單元SHELL181，其具有抗彎曲和抗拉、抗壓能力，是能承受面內(nèi)和垂向載荷的彈性單元，這種單元在每個節(jié)點上有4個自由度；二是接觸單元TARGE170和CONTA174，利用接觸單元模擬滑道和滑靴在拖拉過程中的相互作用。

3.1 有限元模型的建立

基于上述兩種單元和船體結(jié)構(gòu)的受力特點，建立了“海洋石油228”船體的局部有限元模型，見圖3。由于滑道與船體固結(jié)在一起，對船體強度產(chǎn)生了不可忽視的影響，故對滑道進行精確建?！鳛檎w模型的一部分。這些單元具有相同的自由度，能產(chǎn)生變形協(xié)調(diào)的情況。船體結(jié)構(gòu)中所有的板材，包括甲板、底板、舷側(cè)外板、縱艙壁板、橫艙壁板和首尾封板等，它們既承受橫向載荷，又承受面內(nèi)載荷，用板殼單元SHELL181，其中船體中的龍骨和橫梁結(jié)構(gòu)也用SHELL181單元組合而成，其上部的滑道用SHELL181單元建模。滑道與滑靴定義了接觸面連接，利用接觸單元模擬滑道和滑靴在拖拉過程中的相互作用，見圖4。

表4 不同吃水下的最大彎矩和剪力值

圖3 駁船局部有限元模型

圖4 滑靴與滑道的接觸面

3.2 模型材料參數(shù)

按照《船體結(jié)構(gòu)強度直接計算指南》（2012）規(guī)定[6]，鋼材密度取為7.85×103kg/m3，船體鋼材的彈性模量取為2.06×105MPa。許用應(yīng)力程度選用Von mises應(yīng)力，其表達式為：

在船體結(jié)構(gòu)強度計算中，平面應(yīng)力狀態(tài)下的構(gòu)件采用相當應(yīng)力來衡量應(yīng)力的許用程度，應(yīng)力可按下式確定：

式中：σx，σy分別為平面應(yīng)力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)任一點在x，y方向的正應(yīng)力；τxy為平面應(yīng)力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)任一點的剪應(yīng)力。彎扭組合狀態(tài)的構(gòu)件按最大σe、σ1、σ2、σ3拉、壓應(yīng)力確定。σe、σ1、σ2、σ3分別為米塞斯應(yīng)力、第一主應(yīng)力、第二主應(yīng)力、第三主應(yīng)力。

3.3 網(wǎng)格劃分與載荷

因為結(jié)構(gòu)模型比較復(fù)雜，為了便于建模且提高計算精度，有限元網(wǎng)格模型分為兩部分：船體模型和滑道、滑靴模型。利用ANSYS有限元軟件特有的功能，根據(jù)滑道和駁船擺放的實際位置及拖拉過程位置，利用接觸單元將這兩部分模型合并成為符合特定計算工況（共11步）的有限元模型。在計算過程中，為了偏于保守將模型底部面進行了Ux，Uy和Uz 3個方向的約束，拖拉的每一步都根據(jù)實際情況將組塊的重量根據(jù)實際分布施加載荷，艙內(nèi)壓載水和船體外部水施加線性壓力直接施加在模型上。見圖5～6。

圖5 典型拖拉工況網(wǎng)格化分情況

圖6 典型拖拉工況約束情況

3.4 結(jié)果分析

根據(jù)上述列出的最大載荷情況，按照各載荷工況步在船甲板上的位置進行加載。在計算中，考慮到計算中載荷相對于船體位置的不同，在這11種載荷工況下，得出了各自對應(yīng)工況下船體的總體Von mises應(yīng)力和變形、船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的Von mises應(yīng)力和變形，其結(jié)果見表5。

本文的計算結(jié)果都是線形靜態(tài)結(jié)果，在裝船第8步時，主甲板的最大變形為8.99 mm，尾部縱艙壁的最大Vonmises應(yīng)力為295.56MPa（見圖7），此處的應(yīng)力過大是熱點應(yīng)力，去除后最大應(yīng)力為210.98 MPa，橫艙壁的最大Von mises應(yīng)力為189.85 MPa（見圖8），此處的應(yīng)力過大也是熱點應(yīng)力，去除后最大應(yīng)力為161.13MPa，忽略熱點應(yīng)力后都滿足許用值，最大UC值0.98，滿足此次裝載要求。

表5 裝船工況下船體局部應(yīng)力值

圖7 尾部縱艙壁Von mises應(yīng)力/MPa

4 結(jié)束語

圖8 尾部橫艙壁Von mises應(yīng)力/MPa

“海洋石油228”船總縱強度分析結(jié)果表明：在總縱強度滿足要求的情況下，通過對駁船的模型建立、材料單元選取、有限元網(wǎng)格劃分和載荷施加進行分析，特別是接觸單元的使用，能夠高效地進行模擬拖拉位置變動后的有限元分析，避免了重復(fù)建立模型，提高了計算效率；根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果來優(yōu)化調(diào)載方案，從而減少駁船的彎矩和剪力，使駁船強度滿足使用要求。工程實際應(yīng)用結(jié)果表明，此次裝船的總縱強度和局部強度都滿足規(guī)范要求。

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