王永剛

(中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司 技術(shù)研發(fā)中心， 遼寧 大連 116600)

0 引言

海洋工程裝備是我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和高端裝備制造業(yè)的重要組成部分，《中國(guó)制造2025》已將其列為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域[1]。超深水鉆井船能夠適應(yīng)深海作業(yè)，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，自持時(shí)間長(zhǎng)，甲板面積和可變載荷大，有一定儲(chǔ)油能力，相對(duì)總投資少，是非常理想的超深海鉆探作業(yè)裝備[2-3]。開(kāi)展對(duì)新一代超深水鉆井船的設(shè)計(jì)研發(fā)，可以增強(qiáng)企業(yè)在國(guó)際海工裝備市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

隨著海上鉆井平臺(tái)(船)作業(yè)水深的增加，作為海底井口和平臺(tái)(船)的連接通道，隔水管重量和體積也不斷增大。位于主甲板以下的隔水管艙段，由于布置和作業(yè)要求，內(nèi)部不允許有任何支撐結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)構(gòu)布置和整體剛度有比較嚴(yán)格的要求，故需要進(jìn)行整體強(qiáng)度校核。

本文以新一代超深水鉆井船的隔水管艙段為研究目標(biāo)，結(jié)合ABS Drillship 規(guī)范要求，利用Drillship 2.0 軟件對(duì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體強(qiáng)度分析，并進(jìn)行有效地改進(jìn)和優(yōu)化。

1 隔水管存儲(chǔ)形式

隔水管系統(tǒng)是海底井口與鉆井船之間的連接通道，具有隔離海水、引導(dǎo)鉆具、循環(huán)鉆井液、起下海底防噴器組、系附壓井、防噴、增壓管線、補(bǔ)償鉆井船的升沉運(yùn)動(dòng)等功能，應(yīng)用于勘探和鉆采平臺(tái)、浮式鉆井船上。為保障鉆井船的橫搖穩(wěn)性，隔水管多采用平放的存儲(chǔ)形式，見(jiàn)圖1。從存儲(chǔ)位置可以分為兩類：一類是把隔水管堆棧于主甲板以上。如“大連開(kāi)拓者”號(hào)鉆井船，主甲板上設(shè)有隔水管存儲(chǔ)模塊[4]；另一類是把隔水管堆棧于主甲板以下的隔水管艙室內(nèi)，稱為緊湊型布置。如PRD12000 鉆井船，其隔水管布置于月池前端的艙室內(nèi)，從雙層底堆棧至主甲板以上，甲板采用大開(kāi)口形式。緊湊型布置方案可以有效降低整船重心，增大甲板的使用面積和船舶穩(wěn)性，是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

圖1 隔水管布置方案

目標(biāo)鉆井船可于3 500 m以上水深處作業(yè)，隔水管總重超過(guò)4 000 t，體積龐大，占用面積大，其存儲(chǔ)形式對(duì)整體布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很大的影響。超深水鉆井船采用緊湊型布置方案，以平行堆棧的方式將隔水管存儲(chǔ)于主船體的隔水管艙段。艙段位于主甲板以下，月池前端。甲板左舷設(shè)有一個(gè)28 700 mm×2 500 mm的開(kāi)孔，用于隔水管的裝卸和傳輸。隔水管布置圖見(jiàn)圖2。

2 隔水管艙段結(jié)構(gòu)布置與設(shè)計(jì)

從圖2可以看出，整個(gè)艙段的橫縱跨距分別達(dá)到36.4 m和33.6 m。由于作業(yè)要求，隔水管艙段不允許有任何垂向支撐結(jié)構(gòu)和橫縱方向的艙壁結(jié)構(gòu)，對(duì)船體梁的總縱強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度都有十分不利的影響。該艙段采用縱骨架式，外板靠近甲板和主甲板靠近舷側(cè)部分采用局部增加甲板厚度的方式來(lái)增加甲板的剖面模數(shù)，提高總縱強(qiáng)度。甲板主要支撐構(gòu)件使用縱橫交錯(cuò)的T型材結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3。大跨距需要增加T型材的尺寸和剖面模數(shù)以滿足強(qiáng)度要求；同時(shí)艙室內(nèi)由于吊裝作業(yè)，需要保證艙室內(nèi)吊梁有足夠的活動(dòng)空間，對(duì)主甲板支撐構(gòu)件的尺寸有限制，兩者相矛盾，為此主甲板支撐構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)采用1 100 mm×22 mm腹板和500 mm×30 mm面板的拼接T型材，在保證腹板尺寸的前提下通過(guò)增大面板的寬度和板厚增加剖面模數(shù)。

圖2 隔水管艙段布置圖

圖3 典型橫框結(jié)構(gòu)圖

3 總體強(qiáng)度校核

使用Femap軟件建立三維結(jié)構(gòu)有限元模型，利用美國(guó)船級(jí)社(ABS)開(kāi)發(fā)的Drillship 2.0 軟件，結(jié)合ABS Drillship Guide，在總縱彎曲應(yīng)力基礎(chǔ)上，疊加局部載荷引起的板架彎曲、縱骨彎曲及板的彎曲，校核關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的屈服、屈曲及疲勞強(qiáng)度。

3.1 有限元模型及邊界條件

采用全寬全深三艙段模型，模型至少包含目標(biāo)艙段及前后各一個(gè)艙段內(nèi)的主要結(jié)構(gòu)，范圍至前后艙段端部的橫艙壁結(jié)構(gòu)。隔水管艙段結(jié)構(gòu)全部使用高強(qiáng)鋼，最小屈服強(qiáng)度為355 MPa。以建造厚度建立三艙段有限元模型，見(jiàn)圖4。全部隔水管作為整體用質(zhì)量點(diǎn)單元模擬，通過(guò)REB3剛性單元與艙室內(nèi)底的肋板相連接，能夠加權(quán)分配和傳遞力和彎矩，加載方式見(jiàn)圖5。

圖4 三艙段有限元模型

圖5 隔水管貨物加載模型

模型端部施加剛體位移約束，由模型艉向端面MPC(關(guān)聯(lián)縱向構(gòu)件)X方向線位移約束、兩個(gè)端面橫向構(gòu)件的Z方向彈簧約束與兩個(gè)端面垂向構(gòu)件的Y方向彈簧約束構(gòu)成。調(diào)節(jié)彎矩分別施加在兩個(gè)端面的MPC(關(guān)聯(lián)縱向構(gòu)件)上。

3.2 計(jì)算工況

超深水鉆井船有三種典型運(yùn)營(yíng)模式：航行、鉆井和風(fēng)暴自存[5]。每一種運(yùn)營(yíng)模式都需要進(jìn)行總體強(qiáng)度分析，計(jì)算裝載工況至少應(yīng)包括：

(1) 包含最大靜水船體梁剖面載荷(垂向彎矩及剪力)對(duì)應(yīng)的裝載工況——對(duì)應(yīng)不同目標(biāo)校核艙段，分別以靜水彎矩(區(qū)分中垂中拱)與剪力(區(qū)分正負(fù))作為控制載荷進(jìn)行篩選，得到對(duì)應(yīng)絕對(duì)值最大控制載荷的裝載工況。

(2) 在靜水中艙壓實(shí)驗(yàn)工況——每個(gè)艙在測(cè)試靜水壓頭下臨近艙是空艙，吃水為1/3結(jié)構(gòu)吃水。對(duì)于雙層底中的艙，測(cè)試靜水壓頭是到透氣管高度和艙壁甲板中的大者，對(duì)于其他艙為到透氣管高度和高出艙頂2.4 m的大者。

對(duì)于每一種裝載工況，針對(duì)不同目標(biāo)控制載荷，要采用不同的載荷組合方式進(jìn)行總體強(qiáng)度分析。隔水管艙段總體計(jì)算的裝載工況選擇信息見(jiàn)表1，載荷組合方式見(jiàn)表2，其中：工況LC1～LC8用于校核垂向彎矩為控制載荷的工況，LC9～LC10用于校核垂向剪力為控制載荷的工況。

表1 強(qiáng)度計(jì)算裝載工況表

3.3 載荷加載

計(jì)算載荷包含船體梁載荷、外部載荷和內(nèi)部載荷。船體梁載荷包含垂向彎矩、垂向剪力和水平彎矩、水平剪力，其計(jì)算公式如下：

Mv-total=Msw+kukcβVBMMwv

(1)

Fv-total=Fsw+kukcβVSFFwv

(2)

MHE=kukcβHBMMH

(3)

FHE=kukcβHSFFH

(4)

式中：Mv-total、Fv-total、MHE、FHE分別為需要加載的垂直彎矩、垂直剪力和水平彎矩、水平剪力；Msw、Fsw分別為靜水彎矩和剪力，取自裝載手冊(cè)，考慮到鉆井船設(shè)備數(shù)量和種類繁多及重量控制復(fù)雜等因素，靜水彎矩和剪力增加10%裕量；ku為載荷系數(shù)，ku=1；kc為不同組合工況中船體梁載荷的修正系數(shù)，見(jiàn)表2；Mwv、Fwv、MH、FH分別為相應(yīng)工況下夏季載重線時(shí)由波浪引起的垂向彎矩和垂向剪力、水平彎矩和水平剪力；βVBM、βVSF、βHBM、βHSF分別為作業(yè)海域相對(duì)于北大西洋海域關(guān)于垂向彎矩和垂剪力、水平彎矩和水平剪力的環(huán)境烈度因子，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初始構(gòu)件尺寸確定階段就可以充分考慮指定作業(yè)地點(diǎn)海況下的載荷烈度[6]。

表2 載荷工況中載荷組合系數(shù)表

在Drillship 2.0軟件系統(tǒng)中，通過(guò)定義作業(yè)海域波浪環(huán)境計(jì)算環(huán)境烈度因子，進(jìn)而計(jì)算波浪彎矩、波浪剪力、外部壓力、相對(duì)波面升高、船體運(yùn)動(dòng)的加速度和幅值；結(jié)合構(gòu)件類型和艙室的定義實(shí)現(xiàn)內(nèi)部載荷的施加以及腐蝕的扣除，并實(shí)現(xiàn)不同構(gòu)件類型屈服因子和屈曲因子的歸一化。

3.4 計(jì)算結(jié)果

艙段內(nèi)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核結(jié)果通過(guò)屈服因子和屈曲因子來(lái)呈現(xiàn)，見(jiàn)表3。屈服因子和屈曲因子最大值不能超過(guò)1。

從表3可以看出，甲板和舷側(cè)外板板架的屈曲和屈服因子偏低。為了保證船體梁總縱強(qiáng)度，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較大范圍的板厚增加。部分非水密構(gòu)件的利用率比較高，是由于局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中導(dǎo)致，能夠滿足規(guī)范要求。甲板縱桁面板，包括開(kāi)孔附近縱桁面板以承受拉應(yīng)力為主，壓應(yīng)力很低，不存在屈曲問(wèn)題。圖6和圖7分別顯示縱向強(qiáng)框屈曲因子云圖和整體變形及應(yīng)力云圖。

表3 修改后的構(gòu)件強(qiáng)度分析結(jié)果

圖6 縱向強(qiáng)框屈曲因子云圖

圖7 隔水管艙段整體變形和應(yīng)力云圖

3.5 結(jié)果分析

3.5.1 雙層底結(jié)構(gòu)

雙層底結(jié)構(gòu)在隔水管艙的空載工況，即表1中的LC10B與船體梁中拱載荷相疊加時(shí)處于危險(xiǎn)狀態(tài)。其原因是因?yàn)榕撌覂?nèi)部空載，雙層底結(jié)構(gòu)承受向上的波浪載荷，承載形式見(jiàn)圖8。艙室橫縱跨距大，雙層底結(jié)構(gòu)整體向內(nèi)部彎曲，橫縱肋板的端部承受很大的剪應(yīng)力，產(chǎn)生局部高應(yīng)力和剪切失穩(wěn)。雖然縱向跨距比橫向跨距偏小，但是由于總縱應(yīng)力的疊加，其失效范圍更大，見(jiàn)圖9。底板結(jié)構(gòu)承受很大的壓應(yīng)力，大范圍板格存在屈曲問(wèn)題，需要特別關(guān)注，可采用局部嵌入板增加板厚的方式進(jìn)行加強(qiáng)。針對(duì)底部縱桁端部和肋板端部利用子模型進(jìn)行局部加強(qiáng)和細(xì)化模型分析后，滿足強(qiáng)度要求。 底部肋板加強(qiáng)方案見(jiàn)圖3，屈服因子云圖見(jiàn)圖10。

圖8 隔水管艙段底部結(jié)構(gòu)受力示意圖

圖9 隔水管艙段底部結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力云圖

圖10 雙底肋板端部細(xì)化模型屈服因子云圖

3.5.2 雙層殼底部肋板

雙層殼肋板結(jié)構(gòu)在靠近內(nèi)底的位置承受較大剪應(yīng)力的同時(shí)，還有大型減輕孔產(chǎn)生的應(yīng)力集中，是需要關(guān)注的危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)。自存工況下與橫浪載荷相疊加形成最危險(xiǎn)工況，外部承受較大的水動(dòng)力載荷。對(duì)該區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部子模型細(xì)化計(jì)算其屈服和疲勞強(qiáng)度，對(duì)開(kāi)孔角隅采用25 mm嵌入板局部加強(qiáng)(見(jiàn)圖3)后，使用C-curve計(jì)算得到開(kāi)孔角隅處疲勞壽命為131 a，屈服因子為0.995，結(jié)果見(jiàn)圖11，滿足規(guī)范要求。

3.5.3 甲板橫梁端部結(jié)構(gòu)

大跨距的甲板橫梁端部需要很大的回復(fù)彎矩抵抗其在甲板載荷和中垂船體梁載荷聯(lián)合作用下產(chǎn)生的大彎曲變形。初始設(shè)計(jì)中，與甲板橫梁端部相連接的雙層殼內(nèi)甲板橫梁和縱艙壁垂直桁結(jié)構(gòu)太弱，不能提供足夠強(qiáng)的端部約束，導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)自身扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生大變形，應(yīng)力水平超出許用值。雙殼內(nèi)甲板橫梁腹板加深，面板加寬加厚后，采用與隔水管艙內(nèi)甲板橫梁相同規(guī)格的T型材，縱艙壁垂直桁腹板局部增厚，見(jiàn)圖12。整個(gè)甲板橫梁成為整體，由雙層殼為其提供端部約束，大大降低該區(qū)域的應(yīng)力水平。

圖11 雙層殼底部肋板屈服因子云圖

4 結(jié)論

(1)屈服方面：需要關(guān)注雙層底肋板、縱桁的端部、甲板橫梁的端部及雙層殼底部肋板等結(jié)構(gòu)，這些區(qū)域都存在高剪應(yīng)力或局部應(yīng)力集中，可以通過(guò)局部增加板厚來(lái)降低應(yīng)力水平。

(2)屈曲方面：需要關(guān)注雙層底縱桁的端部和底板結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)增加板厚來(lái)提高屈曲強(qiáng)度。

(3)該計(jì)算方法和流程也用于該船貨油艙段、泥漿艙段的總體強(qiáng)度校核，均滿足規(guī)范要求，可以為其他鉆井船提供參考。

圖12 甲板橫梁端部結(jié)構(gòu)修改與應(yīng)力對(duì)比