喬國瑞

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

管道挖溝動力定位工程船“海洋石油295”（以下簡稱為本船）為一艘海工特種作業(yè)工程船，主要用于海底管道挖溝作業(yè)、膨脹彎安裝作業(yè)、清管試壓支持作業(yè)、海管維搶修作業(yè)、潛水作業(yè)、ROV支持等，由海洋石油工程股份有限公司投資、中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院（MARIC）、中船黃埔文沖船廠建造，擁有中國船級社（CCS）和挪威船級社（DNV）雙重認(rèn)證。本船是我國首艘自主設(shè)計建造、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的最新型動力定位挖溝工程船，在滿足國內(nèi)海管挖溝市場的同時，也可進(jìn)軍國際市場，它的投入使用填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

本船功能需求較多，相應(yīng)的設(shè)備較多且特殊，對船體結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)布置、船體強(qiáng)度、船體振動及結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制等方面需進(jìn)行綜合平衡，達(dá)到滿足功能要求及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的，以下就結(jié)合功能對本船橫剖面、總縱強(qiáng)度、首尾導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)設(shè)計、主要設(shè)備加強(qiáng)及振動評估等設(shè)計要點(diǎn)進(jìn)行介紹。

1 船型概述

本船為一艘流線型船首、方形船尾、設(shè)有艏樓、采用全電力推進(jìn)、具備DP-2 級動力定位的海底管道挖溝工程船，滿足B 級冰區(qū)要求。主要參數(shù)如下：

根據(jù)如下作業(yè)功能，本船配置了相應(yīng)設(shè)備，并配置3 個首側(cè)推和2 個尾部全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器以滿足DP-2 要求，另外配置抗橫傾水艙和減搖水艙。主要作業(yè)功能及配置：

（1）海底管道挖溝作業(yè)（首部拖曳或尾部拖曳）：配備首部拖曳絞車、導(dǎo)纜器、首柱拖纜槽、尾部可拆式門吊、吊放絞車、牽引絞車、尾部拖曳絞車、升降式液壓擋銷、100 t 折臂吊、遙控機(jī)器人（ROV）、空氣潛水裝置、挖溝機(jī)（自行式挖溝機(jī)、淺水射流挖溝機(jī)、深水挖溝機(jī)）等，最大作業(yè)水深100 m/300 m。

（2）海底埋纜（首部拖曳）：配備埋纜機(jī)、電纜盤、ROV、門吊等，最大作業(yè)水深100 m。

（3）膨脹彎安裝：搭載空氣潛水裝置、折臂吊等，作業(yè)水深60 m。

（4）其他：清管試壓支持、潛水作業(yè)、ROV支持等。飽和潛水作業(yè)水深200 m。

總布置側(cè)視圖如圖1 所示。

圖1 總布置側(cè)視圖

2 典型橫剖面設(shè)計

2.1 船體結(jié)構(gòu)布局及骨架系統(tǒng)

本船船體結(jié)構(gòu)型式采用了混合骨架型式。從滿足船體梁總縱彎曲強(qiáng)度、屈曲強(qiáng)度及控制結(jié)構(gòu)質(zhì)量的需要，離船體梁橫剖面中和軸較遠(yuǎn)的主甲板、船底板、內(nèi)底板及船底桁材采用縱骨架式。因本船主尺度并不大，計算船長小于90 m，可不必校核船體梁屈曲強(qiáng)度［1］。由于本船均為中拱工況（見圖3），船體梁彎曲時，船底板、內(nèi)底板及底部桁材采用縱骨架式，有利于滿足屈曲要求。本船船舯0.5L范圍內(nèi)左右舷各設(shè)一道連續(xù)邊縱艙壁，船體梁剪切強(qiáng)度也易滿足，因此考慮舷側(cè)和邊縱壁采用橫骨架式結(jié)構(gòu)，該型式建造工藝較為簡單，橫向強(qiáng)度較好，但橫骨架式稍重（比縱骨架式重約7 t）。典型剖面見下頁圖2。

圖2 典型橫剖面

2.2 強(qiáng)力甲板設(shè)計

本船主甲板為強(qiáng)力甲板，中后部為作業(yè)區(qū)甲板，作業(yè)面積約900 m2，甲板設(shè)計載荷為10 t/m2。若按照中國船級社規(guī)范第2 章計算，甲板縱骨的剖面模數(shù)需不小于354 cm3，縱骨需取HP240×11，支撐縱骨的強(qiáng)橫梁高度也相應(yīng)增大，對于設(shè)備艙室的層高也會有一定的影響。經(jīng)與上海規(guī)范所和廣州審圖中心討論，甲板構(gòu)件可參照規(guī)范“駁船”部分載貨甲板的要求進(jìn)行校核，縱骨的剖面模數(shù)需不小于137 cm3，綜合考慮甲板載荷及甲板設(shè)備布置情況、強(qiáng)橫梁腹板高度等因素，甲板縱骨實(shí)取HP220×10，強(qiáng)橫梁腹板高500 mm。甲板縱骨質(zhì)量較HP240×11 減輕了約7 t。

3 總縱強(qiáng)度

本船作業(yè)功能較多，各航行和作業(yè)工況（包括拖曳挖溝、自行挖溝、A 架吊放、折臂吊作業(yè)、拖曳埋纜等）下的船體總縱強(qiáng)度需滿足船級社的要求。總縱強(qiáng)度校核方法按CCS 規(guī)范［1］，船體梁遭受靜水載荷和波浪載荷，其中波浪載荷因本船尺度比不滿足規(guī)范要求，需采用直接預(yù)報方法，直接預(yù)報采用DNV 船級社開發(fā)的SESAM/WADAM 和SESAM/POSTRESP 程序，長期海況取北大西洋波浪散布圖，概率水平取10-8，并根據(jù)CCS 規(guī)范對該直接預(yù)報值進(jìn)行非線性修正，得到波浪彎矩MW和波浪剪力FW。直接計算結(jié)果與規(guī)范計算值比較見表1。

表1 波浪彎矩和剪力直接計算極值與規(guī)范值比較

根據(jù)船體結(jié)構(gòu)布置、各工況靜水彎矩和剪力分布情況及船級社規(guī)范的要求等確定全船計算剖面位置，通過BV 船級社Mars 軟件計算各計算剖面的剖面模數(shù)WC及單位剪力作用下的剪應(yīng)力τ0。根據(jù)各工況靜水彎矩和剪力分布情況，初步得到靜水彎矩和剪力包絡(luò)線即許用靜水彎矩見下頁圖3 和圖4，以此作為設(shè)計靜水載荷進(jìn)行總縱強(qiáng)度校核，具體校核方法和公式見CCS 規(guī)范。

根據(jù)船級社規(guī)范，對船體梁彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度進(jìn)行校核，均滿足船級社要求。但由于尾部布置全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器而使得船尾底部線型上抬明顯（見圖1），且底部為單底，造成尾部剖面模數(shù)和慣性矩都下降明顯，該區(qū)域的總縱彎曲強(qiáng)度裕量較小。首部側(cè)推區(qū)域由于船底為橫骨架式且線型變化較大，總縱彎曲強(qiáng)度裕量也較小。

通過表1 及下頁圖3 可知，按直接計算的波浪彎矩和設(shè)計靜水彎矩的總彎矩比按規(guī)范計算的波浪彎矩和靜水彎矩的總彎矩增加了13.8%，這對于結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制顯然不太有利。

對于屈曲強(qiáng)度，雖然船級社規(guī)范不作要求，但由于舷側(cè)和縱壁采用橫骨架式，對屈曲強(qiáng)度不利，因此參照船級社規(guī)范進(jìn)行屈曲校核，考慮在機(jī)艙區(qū)連續(xù)縱壁下端靠近內(nèi)底板處增加局部防屈曲筋，使其滿足屈曲強(qiáng)度；而輔設(shè)備艙區(qū)域邊縱壁下端為減搖水艙開孔，則不必考慮加強(qiáng)筋。

圖3 各工況下的靜水彎矩與許用靜水彎矩

圖4 各工況靜水剪力與許用靜水剪力

4 首部拖纜作業(yè)和尾部拖纜作業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本船具備首部拖曳作業(yè)和尾部拖曳作業(yè)兩種作業(yè)形式。首部作業(yè)方式是通過艏樓上的首部拖曳絞車、四滾柱導(dǎo)纜器、艏柱拖纜槽以懸鏈線形狀牽引挖溝機(jī)進(jìn)行淺水拖曳作業(yè)（最大作業(yè)水深100 m）。尾部作業(yè)方式是通過位于主甲板中部的拖曳絞車、尾部升降式液壓擋銷、尾部圓形尾封板以懸鏈線形狀牽引挖溝機(jī)進(jìn)行深水拖曳作業(yè)（最大作業(yè)水深300 m）。 其中，凹形艏柱拖纜槽和導(dǎo)纜圓尾是本船首尾拖曳作業(yè)系統(tǒng)的重要組成部分，且并無類似船舶設(shè)計可作借鑒，這也是本船結(jié)構(gòu)設(shè)計的創(chuàng)新之處。

4.1 凹形艏柱拖纜槽

首部拖曳作業(yè)系統(tǒng)中，由于布置需要，拖曳絞車只能布置在艏樓甲板上，鋼絲繩經(jīng)導(dǎo)向裝置導(dǎo)向船底，設(shè)計過程中考慮過幾種導(dǎo)向方案：

（1）首柱下端設(shè)導(dǎo)向滑輪；

（2）首部艙內(nèi)設(shè)方形通道至船底，船底設(shè)導(dǎo)向滑輪；

（3）利用首柱作為導(dǎo)向裝置。

前兩種方案均需在水面以下設(shè)置導(dǎo)纜滾輪，維修不方便，方案（2）方形通道也會影響首部布置及空間；方案（3）不需維護(hù)，缺點(diǎn)是需特別定制艏柱。綜合考慮之下決定采用特殊艏柱導(dǎo)纜型式。

為滿足淺水拖曳挖溝作業(yè)需要，考慮拖曳鋼絲繩從艏樓沿艏柱向后下方拖曳，艏柱板線型尖瘦，為保證強(qiáng)度、剛度，拖纜槽采用凹槽型鑄鋼型式，鋼絲繩從凹槽穿過，凹槽設(shè)置若干擋筋以防鋼絲繩滑出槽外。艏柱設(shè)計還需注意以下幾點(diǎn)：

（1）鑄鋼件線型應(yīng)與首部線型一致，由于艏柱處線型尖瘦，拖纜槽需盡量做小；

（2）應(yīng)考慮拖纜槽與外板及艏柱水平加強(qiáng)肘板的連接，外側(cè)與外板對接，后端與艏柱水平加強(qiáng)肘板對接；

（3）雖然線型尖瘦，但凹槽大小還需滿足拖纜索具套環(huán)尺寸要求；

（4）從鑄造工藝考慮，鑄鋼件的厚度也不能太薄。 因此凹形艏柱拖纜槽最終為內(nèi)外雙曲面型式，典型截面見下頁圖5，其線型復(fù)雜，鑄造難度大，精度也有一定要求。

4.2 導(dǎo)纜圓尾設(shè)計（尾部拖纜作業(yè)）

尾部拖纜作業(yè)，拖曳絞車布置在主甲板中部，鋼絲繩需經(jīng)尾部導(dǎo)向船外進(jìn)行拖曳作業(yè)。尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，也考慮過兩種導(dǎo)向裝置方案：

（1）船尾段設(shè)置滾筒，如一些拖船上有所應(yīng)用；

（2）船尾設(shè)計成圓尾（封板）型式，以代替圓滾筒。

圖5 凹形首柱拖纜槽典型剖面

前者滾筒方案，滾筒與結(jié)構(gòu)連接較為復(fù)雜，由于本船干舷小，滾筒的下部會處于液面以下，對艙室的密性也帶來一些影響，維護(hù)也不太方便；后者圓尾設(shè)計，則不存在滾筒方案的缺點(diǎn)，且由于尾部拖曳作業(yè)的特點(diǎn)，拖纜時鋼絲繩基本不會與圓尾縱向摩擦，主要是會產(chǎn)生橫向摩擦，因此在圓尾前部甲板設(shè)置一升降式液壓擋銷用以限制鋼絲繩的橫向滑移，另外在滑移區(qū)域適當(dāng)設(shè)置防磨材料，可以減少摩擦對鋼絲繩的影響。綜合考慮后，決定采用圓尾設(shè)計導(dǎo)纜型式。

為保證導(dǎo)纜圓尾的強(qiáng)度，參考尾滾筒的設(shè)計特點(diǎn)［2］，圓尾部分的甲板、尾封板局部加厚；甲板、船底板均為縱骨架式，圓弧尾封板扶強(qiáng)材垂向布置，并與甲板縱骨和船底縱骨相連，此外在圓弧部分增設(shè)橫向加強(qiáng)筋。圓尾結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 導(dǎo)纜圓尾結(jié)構(gòu)（CL）

5 主要設(shè)備加強(qiáng)

本船裝備諸多作業(yè)相關(guān)的設(shè)備，如可拆式門型吊架、100 t 折臂吊、吊放絞車、拖曳絞車、導(dǎo)纜器、升降式液壓擋銷等，這些設(shè)備的加強(qiáng)各有特點(diǎn)，根據(jù)設(shè)備布置、設(shè)備資料結(jié)合結(jié)構(gòu)布置情況對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核采用通用有限元計算分析軟件MSC/PATRAN/NASTRAN 進(jìn)行直接計算。載荷由設(shè)備商提供，強(qiáng)度衡準(zhǔn)按船級社規(guī)范。

5.1 尾部可拆式門型吊架

主甲板尾部設(shè)有一可拆式門架，起吊能力100 t，用于首部拖纜作業(yè)或尾部拖纜作業(yè)時收放挖溝機(jī)或埋纜機(jī)。門架與船體連接型式并非常規(guī)的獨(dú)立底座連接，而是采用直接通過螺栓鉆進(jìn)主甲板的型式，該型式對甲板面積影響較小，拆除后作業(yè)甲板也比較平整，但這種連接型式存在一些難題和風(fēng)險：

（1）以甲板作為基座面板，對甲板的精度（平面度、粗糙度）、強(qiáng)度和剛度要求較高；

（2）為保證主甲板的密性，螺栓不穿透甲板，甲板板需特別加厚，內(nèi)螺紋攻孔工藝要求和精度要求很高，螺孔數(shù)量多（100 多個）且較為密集，若某一螺栓孔攻孔失敗或不滿足要求，整塊甲板都可能報廢；

表2 各工況應(yīng)力計算結(jié)果MPa

（3）由于螺孔密集，下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)布置空間也比較緊張。門吊底腳處的主甲板板厚取100 mm，并與主甲板正常厚度逐漸過渡，厚板的削斜加工工藝要求也很高。由于底座甲板加工工藝和精度的要求高，船廠無法加工，只能委托第三方進(jìn)行加工。對尾部甲板及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，計算結(jié)果見表2，典型工況應(yīng)力分布見下頁圖7。由于門架底座甲板下面是全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，支柱布置受限，甲板縱桁跨距較大，縱桁和強(qiáng)梁端部處支撐艙壁正應(yīng)力和剪切應(yīng)力均較大。

圖7 LC1工況下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力分布

5.2 折臂吊基座

主甲板尾部右舷設(shè)有一折臂式海工起重機(jī)，起吊能力100 t×15 m，帶主動波浪補(bǔ)償功能。根據(jù)起重機(jī)筒體直徑及甲板下面縱橫艙壁位置，考慮甲板上吊機(jī)加強(qiáng)基座采用方轉(zhuǎn)圓過渡筒體型式，即“天圓地方”型式，甲板處底座為5.4 m×4.2 m，上面為3 593 mm 的圓筒體，過渡底座高4 m，在圓變方接頭處設(shè)置水平環(huán)材，在過渡底座設(shè)置垂直筋，以改善應(yīng)力水平［3］。過渡筒體作為一獨(dú)立艙室使用，筒體板上開設(shè)鋼質(zhì)門、百葉窗等，基座甲板下為油艙，還需考慮做電纜通道及檢修空間。對基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，計算結(jié)果見表3。

表3 各工況最大應(yīng)力計算結(jié)果MPa

典型工況應(yīng)力云圖見圖8，高應(yīng)力區(qū)域主要在圓變方接頭處以及圓變方過渡基座四角處，圓變方過渡基座的四平面區(qū)域應(yīng)力較低，因此將門、窗、電纜等開孔設(shè)在這些應(yīng)力水平較低處。

其他一些設(shè)備，如動力定位系統(tǒng)（尾部兩臺2 500 kW 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、首部3 臺800 kW 側(cè)推器）、錨泊設(shè)備、系泊設(shè)備、直升機(jī)平臺等加強(qiáng)和強(qiáng)度校核就不一一介紹了。

圖8 橫吊工況基座筒體Von Mises應(yīng)力分布

6 船體振動

本船設(shè)備眾多，包括一些對船體振動控制不利的激勵源，如尾部2 臺全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、首部3 臺側(cè)推器、機(jī)艙內(nèi)4 臺主柴油發(fā)電機(jī)組和1 臺輔柴油發(fā)電機(jī)組、首樓內(nèi)1 臺應(yīng)急發(fā)電機(jī)組。由于本船生活區(qū)位于首部，且機(jī)艙位于生活區(qū)之下，這樣6 臺發(fā)電機(jī)組及3 臺側(cè)推器對生活區(qū)的振動影響更為直接。為保證居住舒適性，對本船的全船自由振動、生活區(qū)甲板局部自由振動進(jìn)行分析。

6.1 全船自由振動分析

主要激勵源頻率如表4 所示。

表4 主要激勵源頻率Hz

計算工況選取4 種航行、作業(yè)典型工況。

衡準(zhǔn)參照《船上振動控制指南》要求，采用有限元整船分析計算時，船體1～3 階固有頻率應(yīng)與激勵頻率分別錯開±8%～±10%、±10%～±12%和±12%～±15%。［4］

各工況下船體梁自由振動固有頻率見表5。

表5 各工況船體梁自由振動固有頻率Hz

通過表4 和表5 可知，船體自振頻率與全回轉(zhuǎn)舵槳葉頻、首側(cè)推葉頻以及主發(fā)、輔發(fā)和應(yīng)發(fā)的激振頻率錯開比例均符合要求，但與全回轉(zhuǎn)舵槳軸頻、首側(cè)推軸頻錯開比例較小，存在共振風(fēng)險，因此需進(jìn)行強(qiáng)迫振動分析，見6.3 節(jié)。

6.2 生活區(qū)甲板局部振動分析

根據(jù)《船上振動控制指南》要求，生活區(qū)甲板的自振頻率應(yīng)與激勵頻率錯開±10%～±15%。通過計算，生活區(qū)七層甲板局部振動頻率與激勵頻率錯開比例均可滿足要求，個別區(qū)域不滿足時，可通過增加或增大甲板桁材使其滿足要求。

6.3 強(qiáng)迫振動分析

強(qiáng)迫振動分析選取兩種航行、作業(yè)典型工況。強(qiáng)迫振動衡準(zhǔn)參照ISO 6954（2000E），采用所有頻率下權(quán)重值的均方根值RMS 來評價船體振動，具體計算方法及評價值參見ISO 6954（2000E）。全回轉(zhuǎn)舵槳、首側(cè)推由螺旋槳空泡引起的葉頻脈動壓力根據(jù)《船上振動控制指南》相應(yīng)公式計算；主發(fā)、輔發(fā)激勵載荷由設(shè)備商提供。通過計算，船體結(jié)構(gòu)振動相應(yīng)的最大加速度RMS 值為51 mm/s2，小于214 mm/s2；最大峰值速度RMS 值為1.42 mm/s，小于3 mm/s，均滿足ISO 6954（2000E）的要求。

6.4 減振措施

根據(jù)本船激勵源情況及振動評估，采取了一些措施進(jìn)行防振減振：

（1）對全回轉(zhuǎn)舵槳、首側(cè)推、各發(fā)電機(jī)組等主要激勵源的基座處進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，提高板架剛度，改變板架的固有頻率；

（2）對上述設(shè)備及空調(diào)等基座桁材、橫隔板、橫肘板的腹板敷設(shè)高性能阻尼材料；

（3）機(jī)艙因船東僅允許設(shè)4 個支柱，支柱處甲板設(shè)置箱型梁以提高甲板板架剛度，對生活樓后端壁以及煙囪端部也作了有效支撐；

（4）對于較大的甲板板架，如無法設(shè)置支柱，則考慮增加或加大甲板縱桁或強(qiáng)橫梁；

（5）對于較重的雷達(dá)桅處甲板，調(diào)整甲板下艙壁與雷達(dá)桅柱對齊，并對艙壁進(jìn)行加強(qiáng)。

7 結(jié) 語

本文對國內(nèi)首艘管道挖溝動力定位工程船的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)進(jìn)行了梳理，限于篇幅，結(jié)構(gòu)設(shè)計如機(jī)艙支柱及甲板支撐構(gòu)件設(shè)計、減搖水艙設(shè)計、全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器加強(qiáng)、首側(cè)推加強(qiáng)、重量重心控制等內(nèi)容無法一一介紹。本船在試航及實(shí)船作業(yè)中，船東對結(jié)構(gòu)設(shè)計、重量控制、振動情況等方面均很滿意。本文中的一些設(shè)計理念、結(jié)論，可以為類似的海工特種作業(yè)船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一些借鑒參考。