郭勤靜，徐立新，王金光，劉建成，陸海東，Indra Datta

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

0 引 言

世界海洋油氣資源的勘探與開發(fā)已經(jīng)走向深海多年，許多服役多年的平臺逐漸老化，大型平臺的回收及運輸市場潛力巨大，設計與開發(fā)具有超大起重能力和大模塊運輸功能的半潛式起重平臺逐漸占據(jù)平臺安裝拆卸運輸市場的份額。在這種超重型起重、拆解、大模塊運輸功能需求下，對于有無橫撐，特別是無橫撐結構設計的新船型，整個船體結構的總體強度能否滿足世界范圍內包括北海、巴倫支海、墨西哥灣等海域及冰區(qū)等的要求，變得格外重要。目前國內針對橫撐結構已有一些具體研究及工程應用[1-8]。從這些文獻可以看出，有無橫撐設計的產(chǎn)品在市場中有著不同的競爭力。

所設計的船型基于某超重型半潛式起重生活平臺，將2個12 500 t起重機平行布置于大浮筒上方對應的甲板盒一側，計劃采用非對稱浮筒結構設計，考慮25 000 t聯(lián)合起吊，需要對船型設計方案進行實際分析。從無橫撐與有橫撐兩種船型出發(fā)，探討設計有無橫撐選擇的多種影響因素。然后從結構設計角度出發(fā)，基于同一個總體質量模型，對無橫撐與有橫撐方案的整體結構強度進行分析對比，進而對該船型是否設計橫撐提供一定的量化參考依據(jù)，便于半潛式起重平臺船型開發(fā)及優(yōu)化。

1 設計有無橫撐結構考慮因素

主要從商務、設計、建造、風險等4個方面進行考慮：

(1)商務方面。從市場上看，超重型無橫撐船型更新穎，對目標客戶吸引力大；從資本支出上，無橫撐船型超大的上部連接處弧形板材料級別高，焊接工藝難度大，材料與建造成本更高；從運營成本上，無橫撐船型在相同航速下DP功率消耗更低，在同等功率下航速更快、操作性更佳、運營成本更低。

(2)設計方面。從穩(wěn)性設計上，相對于25 000 t起重船船體總重來說，有無橫撐結構引起整船重量重心的差別較小，影響較??；從運動氣隙和砰擊上，有橫撐船型存在橫撐砰擊問題，且有橫撐阻尼更大，抨擊分析計算難度大；從結構設計上，有橫撐船型涉及橫撐的布置、橫撐連接處設計和強度疲勞分析，有無橫撐船型的結構設計效率需要詳細對比。

(3)建造方面。從施工建造設備、碼頭深度、船塢條件等方面進行考慮，無橫撐結構下水難度較大，在建造上存在一定的困難?？紤]冰載荷下的拖航操作，無橫撐船型易于拖航。

(4)風險方面。對于超重型起重平臺，如單側布置2個12 500 t重型起重機、聯(lián)合起吊25 000 t、有冰級符號的船型，有無橫撐都存在一定風險。

對于工程設計研究來說，主要從設計方面對比有無橫撐、不同橫撐方案之間的結構強度。

2 非對稱無橫撐方案

以一種非對稱無橫撐結構船型的概念設計作為實例進行對比分析。

2.1 船型主尺度

船型外觀布置如圖1所示，主尺度如表1所示。

圖1 船型外觀總布置圖

表1 船型主尺度

2.2 平臺載荷及計算

根據(jù)DNV-RP-C103[9]，平臺總體強度的控制因素較多，重點關注橫向分離力、橫向扭矩、縱向剪力和垂向彎矩等主要特征量的響應，以及最大響應值所對應的波浪周期、浪向和相位。采用設計波方法對風暴自存吃水的波浪載荷響應進行計算，利用確定性方法計算得到典型設計波的參數(shù)。在基礎設計前期，即概念設計完成時，對風暴自存工況進行簡化強度評估，對比此工況下船型結構極限強度的計算結果。

考慮本船型設計為左右非對稱浮筒，各工況的浪向搜索范圍為0°～360°，步長為15°。根據(jù)公式計算特征周期及選擇范圍如表2所示。

表2 設計波特征周期計算及選擇范圍 s

2.3 總體屈服強度計算及校核

根據(jù)半潛式平臺總體強度簡化分析流程[10]，采用SESAM軟件創(chuàng)建簡化質量模型，在板殼模型中所有艙壁、實肋板等創(chuàng)建成板并以殼單元模擬，型材包括框架、加強筋、柱子等全部以梁單元模擬，主要設備、壓載等以質量點模擬。在總體有限元模型中加載(永久載荷)并根據(jù)壓載報告調平得到總體質量模型如圖2所示，網(wǎng)格單元劃分大小為強梁間距，邊界條件參考DNV-RP-C103[9]3點約束(3-2-1)方法。采用根據(jù)表3計算得到的設計波共計30個動態(tài)和1個靜態(tài)工況，進行總體強度計算，并進行動態(tài)靜態(tài)工況組合，得到相應總體屈服強度分析結果。

圖2 總體質量模型-無橫撐方案

表3 風暴自存工況下典型設計波參數(shù)

續(xù)表3 風暴自存工況下典型設計波參數(shù)

2.4 總強度計算

無橫撐結構方案在典型工況下的總體屈服強度結果如圖3和圖4所示。

圖3 無橫撐方案靜態(tài)工況屈服強度

圖4 無橫撐方案分離力下屈服強度

3 有橫撐方案

3.1 橫撐結構設計評估

第2節(jié)所述實例船型具有接近70 m的超大內跨度，橫撐結構的設計和布置較困難，橫撐的長度太長，長細比(長度與回轉半徑比)和徑厚比(直徑與厚度比)數(shù)值較大，對橫撐自身強度及連接處的結構設計強度也提出更高的要求。將2根或3根橫撐平行布置，布置3根橫撐會減小每根橫撐的直徑并增加橫撐之間的連接處強度處理問題。對2根橫撐布置方案來說，不同的間距會影響結構的應力傳遞，需要量化對比不同間距所引起的結構整體強度及連接處局部強度。

基于同一個結構質量模型，以簡化梁模擬橫撐，采用剛架梁簡化評估方法[4]評估不同方案的總體強度。列舉幾種主要橫撐布置形式(見表4和圖5)，將其與無橫撐結構方案進行定量對比。

表4 典型橫撐布置形式

圖5 4種不同的橫撐布置方案

3.2 有橫撐方案強度

有橫撐結構(方案2)在典型工況下的屈服強度結果如圖6和圖7所示，可直接看出甲板盒左右舷的橫艙壁、甲板、艏艉封板等處總體屈服強度有明顯不同。

圖6 有橫撐方案靜態(tài)工況屈服強度(max.400 MPa)

圖7 有橫撐方案分離力下屈服強度(max.15 MPa)

所有方案特殊位置的應力大小如表5所示。由表5可知，有無橫撐結構的總體屈服強度各有不同。從如下幾個方面進行分析。

表5 不同方案結構總強度對比 MPa

(1)結構重量重心。與無橫撐方案相比，加橫撐會稍微減少上部連接處(甲板盒與立柱之間)弧形板設計及板厚(從50～60 mm降低至35～45 mm)，但增加橫撐會增加橫撐與立柱連接處結構重量，導致結構重量增加。有橫撐方案模型的總體重心降低0.3 m左右，對總體強度影響較小。

(2)典型區(qū)域。甲板盒與立柱連接處：有無橫撐方案的橫向位置應力接近；對于縱向外板，無橫撐方案應力偏大，易出現(xiàn)局部高應力，有橫撐方案可降低該現(xiàn)象使應力較為均勻，二者相差200 MPa左右，此處板厚無橫撐方案稍高于有橫撐方案。立柱與浮筒連接處：有無橫撐方案縱向外板上的應力基本一致，差別在20～30 MPa；有無橫撐方案在總縱強度上幾乎沒有差別；對于水平面內平臺在斜浪上的抗扭轉能力，由于縱向長度過長，幾個橫向的水平橫撐與縱向浮筒組成的水平面對平臺抗扭轉能力的增強效果不明顯。

與無橫撐方案相比，有橫撐方案會將甲板盒與立柱以及甲板盒內部的高應力在一定程度上轉移至下船體，雖在一定程度上降低了上部連接處高應力幅值，卻導致橫撐與立柱連接處高應力區(qū)域的出現(xiàn)，使結構設計強度校核面臨更大的挑戰(zhàn)。

(3)船體主要艙壁。甲板盒作為抵抗橫浪產(chǎn)生的彎矩和斜浪產(chǎn)生的扭矩的最主要結構部分，其整個厚度對總體強度影響較大。對于甲板盒主甲板和底甲板中部區(qū)域，有橫撐方案的結構應力比無橫撐方案低90～110 MPa。對于甲板盒艏艉封板艙壁，有橫撐方案比無橫撐方案低100 MPa左右。對于甲板盒內部橫艙壁，有橫撐方案結構應力比無橫撐方案低40 MPa左右，應力主要分布在左右舷處于浮筒正上方的橫艙壁。有無橫撐對整個船體縱向結構的強度影響較小。

(4)甲板盒開孔。有橫撐方案可有效抵抗分離力，并在一定程度上降低扭轉的影響，從而降低甲板盒中處于浮筒正上方的橫艙壁的應力，有利于橫艙壁上門孔等大開孔布置。反之，無橫撐方案使浮筒正上方大面積橫艙壁應力較高，引起大門孔等布置困難，提高開孔布置及強度分析的難度。因此在甲板盒內橫艙壁上開孔布置及分析計算上，有橫撐方案稍優(yōu)于無橫撐方案。

3.3 結構設計效率

綜上所述：與無橫撐方案相比，有橫撐(或再增加斜撐)方案在上部甲板盒與立柱連接處、甲板盒艏艉封板、橫艙壁及上下甲板等區(qū)域的應力偏小；在甲板盒橫向艙壁開孔及連接處結構強度解決難度上，有橫撐方案設計難度有一定程度的降低，但有橫撐方案的橫撐、橫撐與下船體連接區(qū)域應力都較高；無橫撐方案在結構設計上只需把設計重點放在甲板盒與立柱連接處、甲板盒橫向艙壁上，有橫撐方案除需要解決上述位置結構強度問題外，還需要解決立柱-浮筒-橫撐連接處強度、橫撐強度、橫撐承受波浪砰擊、拖航難度等技術難題，特別是較大的長細比和徑厚比使屈曲強度的校核更有挑戰(zhàn)性。因此，對于本型半潛式起重生活平臺，無橫撐方案在結構設計效率上更有優(yōu)勢。

4 結 論

對于本船型，從整體要求出發(fā)考慮設計方案，無橫撐非對稱船型結構設計優(yōu)于有橫撐非對稱設計船型，在有橫撐方案中方案2較合理。

多方案對比分析可為新船型的開發(fā)設計和結構設計方案定型提供直接參考，有無橫撐方案各有優(yōu)劣，但是否設計橫撐，需要根據(jù)總體功能及市場需求來決定。

對于超重型聯(lián)合回轉起吊和模塊運輸要求的半潛式平臺，在設計選型上需進一步研究如下內容：(1)對稱與非對稱大型半潛式起重船型設計開發(fā)；(2)無橫撐方案連接處結構疲勞強度評估；(3)不同支撐形式(橫撐、斜撐等)與甲板盒厚度組合方案強度評估；(4)極地冰級要求下結構設計評估。