郭勤靜，徐立新，王金光，劉建成，薛娟

(1.招商局工業(yè)集團(tuán)有限公司研發(fā)中心，廣州 深圳 518067;2.招商局海洋裝備研究院有限公司,廣東 深圳 518067; 3.招商局集團(tuán)海洋工程技術(shù)中心，江蘇 海門 226116)

世界海洋油氣資源的勘探與開發(fā)已經(jīng)走向深海多年，許多服役多年特別是在靠近極地的平臺逐漸開始老化，需要更新?lián)Q代。大型平臺的回收及運(yùn)輸市場需求大，具有超重型起重及大模塊運(yùn)輸功能的平臺設(shè)計與開發(fā)，特別是具有冰級符號的新型起重平臺很受關(guān)注。受操作空間的限制，傳統(tǒng)半潛式起重平臺/船(semi submersible crane vessel，SSCV)[1]只能進(jìn)行雙吊聯(lián)合起重，無法實(shí)現(xiàn)雙吊聯(lián)合回轉(zhuǎn)，吊裝作業(yè)需依靠駁船輔助運(yùn)輸模塊，平臺使用效率受影響。

目前國際已有的超重型起重平臺船型，常見的布置是將2個重型吊機(jī)布置于艉部，左右下浮體對稱，橫跨較小并有橫撐支撐，縱向甲板較長，如HEEREMA SLEIPNIR超重型起重平臺，2個各10 000 t的超重型吊機(jī)左右對稱布置于艉部，總起重能力20 000 t。傳統(tǒng)的設(shè)計方案中因工作半徑不足，以及左右舷布置的吊機(jī)之間距離太短，無法實(shí)現(xiàn)聯(lián)合起重、回轉(zhuǎn)等功能，從而無法將模塊轉(zhuǎn)運(yùn)到主甲板上。另一種特殊設(shè)計如GRETA(格雷塔)，聯(lián)合起重3 600 t，2個1 800 t吊機(jī)平行布置于甲板盒一側(cè)，大浮體的上方，采用左右舷非對稱浮體無橫撐結(jié)構(gòu)設(shè)計。可聯(lián)合起重回轉(zhuǎn)，但缺點(diǎn)是起重吊裝能力偏低。

根據(jù)功能要求，擬設(shè)計一型新型SSCV，需要具備單吊12 500 t起重能力，總起重能力25 000 t，并有充足的聯(lián)合起重回轉(zhuǎn)半徑將模塊放置于甲板，滿足大型模塊安裝、拆解并可以運(yùn)輸?shù)墓δ埽晒?00～500人居住。目標(biāo)工作海域?yàn)槭澜绶秶鷥?nèi)包括北海、巴倫支海、墨西哥灣等海域及冰區(qū)等的要求，滿足冰級A0的符號要求。

1 整體方案及結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度分析

1.1 船型主尺度

根據(jù)船型功能要求，在總體布置階段，考慮布置2部12 500 t大吊在主甲板右舷，設(shè)計非對稱下浮體、無橫撐結(jié)構(gòu)船型。在概念設(shè)計階段，重點(diǎn)根據(jù)重型吊機(jī)的布置如艏艉布置、舷側(cè)單側(cè)布置位置不同，設(shè)計對稱與非對稱下船體船型；根據(jù)整船功能排水量要求，確定比較合理的主尺度。對于非對稱船型，通過優(yōu)化2個浮體之間的體積比來提高浮體的穩(wěn)性，并計算運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行量化對比以改善水動力性能。船型外觀布置見圖1，主尺度見表1。船體主尺度及其運(yùn)動響應(yīng)直接決定了總體強(qiáng)度的應(yīng)力情況。因此,對于全球首例超大型海上起重設(shè)備，需要評估設(shè)計的船型整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能否滿足要求；同時要在設(shè)計初期考慮冰級符號A0對結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的要求及引起船體結(jié)構(gòu)的重量差異。

圖1 船型外觀圖總布置示意

表1 船型主尺度

1.2 平臺載荷及計算

根據(jù)DNV-RP-C103[2]，特征總體水動力響應(yīng)考慮橫向分離力、轉(zhuǎn)矩、縱向剪力、垂向彎矩、縱向加速度、橫向加速度、垂向加速度等，重點(diǎn)關(guān)注橫向分離力、總體轉(zhuǎn)矩、縱向剪力和垂向彎矩等主要特征載荷的響應(yīng)，以及最大響應(yīng)值所對應(yīng)的波浪周期、浪向及相位。采用設(shè)計波方法[5-6]，針對風(fēng)暴自存吃水的波浪載荷響應(yīng)進(jìn)行計算，利用確定性方法計算得到典型設(shè)計波的參數(shù)，在基礎(chǔ)設(shè)計前期階段對風(fēng)暴自存工況進(jìn)行簡化總體強(qiáng)度評估?？紤]本船型設(shè)計為左右非對稱的浮體，各工況的浪向搜索范圍為0°～360°，步長15°。根據(jù)規(guī)范所述不同工況下引起各個特征向量最大值所對應(yīng)的危險波長不同，設(shè)計波周期不同，根據(jù)公式計算特征周期及搜索范圍見表2[3]。

表2 設(shè)計波特征周期計算及選擇范圍 s

1.3 總體屈服強(qiáng)度計算及校核

根據(jù)半潛平臺總體強(qiáng)度簡化分析流程[4]，采用SESAM軟件創(chuàng)建簡化質(zhì)量模型，板殼模型中所有的艙壁、實(shí)肋板等創(chuàng)建成板殼模擬，型材包括框架和加強(qiáng)筋、柱子等全部創(chuàng)建梁單元模擬合理配置剛度矩陣，主要設(shè)備、壓載等以質(zhì)量點(diǎn)模擬，在總體有限元模型中加載(永久載荷)、根據(jù)壓載報告調(diào)平得到總體質(zhì)量模型，見圖2。

圖2 總體質(zhì)量模型

網(wǎng)格劃分基于強(qiáng)構(gòu)件間距，邊界加載參考DNV-RP-C103邊界條件3(約束X,Y,Z位移)-2(約束Y,Z位移)-1(約束Z位移)加載方法。根據(jù)表3輸入條件計算得到設(shè)計波共計30個動態(tài)及1個靜態(tài)工況，進(jìn)行總體強(qiáng)度計算及動態(tài)靜態(tài)工況后處理組合計算，得到相應(yīng)工況下的總體屈服強(qiáng)度分析結(jié)果。

表3 風(fēng)暴自存工況下典型設(shè)計波參數(shù)

1.4 總強(qiáng)度計算結(jié)果

通過以上處理計算出所有設(shè)計波下的強(qiáng)度結(jié)果，進(jìn)行靜態(tài)工況與所有動態(tài)工況組合疊加及應(yīng)力搜索，得到風(fēng)暴自存工況下最大的總體強(qiáng)度應(yīng)力及屈服強(qiáng)度利用率結(jié)果見表4。無橫撐結(jié)構(gòu)方案的典型工況下的總體屈服強(qiáng)度結(jié)果云圖見圖3～5。

表4 風(fēng)暴自存工況下結(jié)構(gòu)總體強(qiáng)度(有無冰載荷)

圖3 靜態(tài)工況屈服強(qiáng)度

圖4 橫浪分離力下屈服強(qiáng)度-橫艙壁

圖5 斜浪扭轉(zhuǎn)工況屈服強(qiáng)度-橫艙壁

1.5 屈服應(yīng)力結(jié)果分析

組合工況下安全系數(shù)取值1.11，材料最大屈服強(qiáng)度為355 MPa，強(qiáng)度分析結(jié)果中許用應(yīng)力為355 MPa/1.11=320 MPa。

表4屈服強(qiáng)度結(jié)果表明，除連接處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度超過許用應(yīng)力需進(jìn)行局部優(yōu)化設(shè)計及細(xì)網(wǎng)格分析計算，其余部分結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿足要求，船型整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布較為合理。

甲板盒縱向艙壁應(yīng)力幅值較低，較大應(yīng)力分布在甲板盒橫艙壁的左右舷側(cè)部分、立柱與甲板盒內(nèi)側(cè)連接處、立柱與浮體連接處等特殊連接處，需設(shè)計較大弧形板并配合合理的板厚和鋼材等級并優(yōu)化局部結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過分析不同浪向下的應(yīng)力結(jié)果可知，無橫撐結(jié)構(gòu)來克服波浪引起的分離力，以及在水平面內(nèi)及垂直平面內(nèi)缺乏支撐結(jié)構(gòu)抵抗斜浪作用到外板結(jié)構(gòu)上引起的總體轉(zhuǎn)矩，是導(dǎo)致全船結(jié)構(gòu)總體強(qiáng)度應(yīng)力幅值較高的主要原因。無橫撐結(jié)構(gòu)對總縱強(qiáng)度影響較小，由于本船船長較長，需設(shè)計多個立柱來縮短平臺縱向立之間的跨距以提高平臺的總縱強(qiáng)度。無橫撐結(jié)構(gòu)引起甲板盒橫向艙壁左右舷區(qū)域應(yīng)力過高，會導(dǎo)致詳細(xì)設(shè)計時多種形式的開孔難度提高，因此開孔的布置要避開高應(yīng)力區(qū)，布置在平臺的低應(yīng)力區(qū)，開孔形式特別是角隅的倒角形式及半徑要特殊考慮，同時無橫撐結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致上部連接處的結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度難以滿足[7-8]。

2 冰級要求及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

2.1 冰級要求

該平臺主甲板需設(shè)計為防凍并具有ABS冰級A0符號，使其能在極地1年冰況下的北極環(huán)境中正常運(yùn)行。平臺經(jīng)濟(jì)拖航速度為11 kn，最大拖航速度15 kn，推進(jìn)器等機(jī)械設(shè)備、電氣系統(tǒng)、管路等的設(shè)計需要滿足冰級要求。

艏、艉的形狀需要在開闊水域和冰上有最佳的性能。因此艏部的線型設(shè)計必須最大限度地減少開放水域的阻力，需要優(yōu)化具有通過一年冰況的能力。

平臺橫向?qū)挾缺鹊湫偷钠票瑢?，因此即使平臺沿著被破冰船破碎的航道行駛，浮體也可能超出航道，導(dǎo)致浮體艏部必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)來抵抗除了開放水道中的砰擊荷載外的冰區(qū)載荷。對于浮體的艉部，型線設(shè)計應(yīng)盡可能將艉推進(jìn)器避開破碎的冰塊，同時又不影響推進(jìn)效率。

平臺在5～6 kn拖航速度下在碎冰航道上航行需進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。計算冰載荷用來評估平臺局部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，動態(tài)運(yùn)動分析不需要考慮冰載荷。

2.2 冰載荷下結(jié)構(gòu)設(shè)計加強(qiáng)

冰載荷下結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析以ABS MODU規(guī)范[9]為依據(jù)。一般情況下，需要在冰載荷下再次計算冰帶范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)的尺寸，并與初始規(guī)范設(shè)計值對比，最后完成結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)。主要參考ABS MODU Part3, Chap.2, 1.11.1 結(jié)合ABS SVR[10]Part6 6-1-5/11 6-1-5/27內(nèi)容。具體流程如下。

1)確定冰帶范圍(Ice Belt)。半潛起重平臺浮體冰區(qū)范圍上下邊界考慮兩個拖航工況12 m(下邊界：Lower Ice Line)和14 m(上邊界：Upper Ice Line)吃水，見圖6。

圖6 冰帶范圍和浮體分區(qū)示意

2)確定冰區(qū)范圍內(nèi)的船艏區(qū)(BOW)、船舯區(qū)(MIDBODY分為外側(cè)板殼和內(nèi)側(cè)板殼)和船艉區(qū)(AFT)，見圖6。關(guān)于這3部分的分區(qū)，參考規(guī)范規(guī)定，浮體參考ABS MODU-PART3上3-2-A1的FIRGURE1。艉部AFT區(qū)域從斜角截止部分往艏方向0.025Lw(Lw為浮體全長)，艏BOW區(qū)域從艏部俯視圖橢圓弧趾端往船尾方向0.012 5Lw。

3)根據(jù)冰級A0要求，計算不同區(qū)域?qū)?yīng)的冰載荷壓力p，MPa。

p=K1K2K3D0.2

(1)

式中：K1、K2、K3為與不同冰級符號對應(yīng)的冰載荷系數(shù)，K1、K2參考3-2-A1/Table 3；K3=1.0-0.4sin2β，β為冰帶結(jié)構(gòu)上計算位置的張開角度，在垂直面與外殼之間測量；D為在冰帶上部邊界水線吃水時整船的排水量，t。

4)根據(jù)冰載荷壓力值計算不同區(qū)域的板厚、型材剖面模數(shù)等。

與初始規(guī)范計算(考慮設(shè)計壓頭、快速壓載艙、砰擊壓力等)值進(jìn)行比較，選擇最大的尺寸值作為最后的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)尺寸。大浮體冰帶范圍內(nèi)板厚計算值與初始規(guī)范計算值對比見表5。

表5 有無冰載荷壓力浮體外殼冰區(qū)板厚 mm

5)相關(guān)設(shè)計考慮。

①設(shè)計冰載荷壓力作用的垂向范圍。在確定局部冰區(qū)結(jié)構(gòu)尺寸時，A0冰級要求下設(shè)計冰載荷壓力的垂向范圍不小于0.52 m。

②冰區(qū)范圍加強(qiáng)筋間距。冰帶區(qū)域內(nèi)，縱向加強(qiáng)筋數(shù)量需要加倍，加強(qiáng)筋間距設(shè)計為原來的一半，從750 mm加密為375 mm。

③冰區(qū)范圍艏尖艙橫向框架間距。對于艏尖艙內(nèi)部和附近，在Lw≤270 m時，橫向框架間距需滿足不超過2.08Lw+438 mm，即

大浮體不超過934.08 mm，選擇900 mm；

小浮體不超過872.72 mm，選擇850 mm。

④統(tǒng)計有冰載荷壓力下，2個浮體鋼結(jié)構(gòu)總重增加600 t左右，相對于2個浮體2萬多t的鋼結(jié)構(gòu)重量，增加的比例約2%～3%。相對整船結(jié)構(gòu)重量，冰載荷下結(jié)構(gòu)加強(qiáng)增重對整船重量中心幾乎沒有影響。

6)將冰載荷壓力下結(jié)構(gòu)加強(qiáng)尺寸，在總體有限元模型上更新并分析計算，結(jié)果補(bǔ)充到表4與未考慮冰載荷計算結(jié)果基本相同，只有冰帶范圍及附近局部區(qū)域的結(jié)構(gòu)應(yīng)力有稍許降低，表明冰載荷主要影響平臺局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較小。

3 結(jié)論

1)無橫撐結(jié)構(gòu)船型總體屈服應(yīng)力分布合理，高應(yīng)力出現(xiàn)在關(guān)鍵連接處區(qū)域，需要進(jìn)一步細(xì)化分析；無橫撐結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致上部甲板盒與立柱連接處需要設(shè)計更大弧度的鋼板來解決該區(qū)域高應(yīng)力問題。由于起吊重量很大，相對于目前市面上無橫撐起吊4 000 t左右的船型來說，25 000 t無橫撐方案的弧形板連接處的結(jié)構(gòu)設(shè)計及后期建造難度更高。

2)在無橫撐結(jié)構(gòu)半潛起重平臺基礎(chǔ)上，增加冰級符號要求的設(shè)計，形成冰級結(jié)構(gòu)設(shè)計加強(qiáng)流程。與無冰載荷時對比，冰載荷下結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后鋼結(jié)構(gòu)重量增加比率較小，對整體強(qiáng)度影響較小，冰帶范圍附近的局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大，并需要大幅增加浮筒艏部板厚以抵抗冰載荷的影響。

隨著極地鉆井平臺的逐步開發(fā)應(yīng)用以及冰區(qū)老舊平臺的拆卸，極地冰區(qū)超大型半潛起重平臺需進(jìn)一步開發(fā)設(shè)計，設(shè)計滿足冰區(qū)要求甚至更高冰區(qū)符號要求的海工起重平臺。對于本文所述全球首例船型的開發(fā)需要進(jìn)一步深入研究，①縱向立柱不同數(shù)量和間距的布置設(shè)計；②大弧形板結(jié)構(gòu)連接形式與傳統(tǒng)連接形式對比；③冰級符號的進(jìn)一步應(yīng)用研究。