半潛式平臺桅桿的設計

夏廣印，張工，陳丕智

1.中集海洋工程研究院有限公司，山東煙臺264670 2.煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東煙臺264000

半潛式平臺桅桿的設計

夏廣印1，張工2，陳丕智2

1.中集海洋工程研究院有限公司，山東煙臺264670 2.煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東煙臺264000

船舶的桅桿設計計算比較成熟，而在半潛式平臺上，由于各種原因，不能照搬船舶上的桅桿設計方式，需要根據半潛平臺的運動響應來進行設計。根據煙臺中集來福士海洋工程有限公司自行設計的半潛式平臺上的桅桿設計過程，給出了一種半潛式平臺上桅桿的設計方法。通過實例進行驗證，證實了該方法的可操作性及有效性。可以作為其他類似項目上面該結構設計的一個借鑒。文中的設計方法簡便，比較容易為結構工程師掌握。

垂蕩加速度;半潛起重平臺;耐波性;桅桿;強度

網絡出版地址: http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1191.U.20150727.1031.004.html

船舶上面的桅桿設計計算主要是根據《船舶設計手冊》－－舾裝分冊［1］上的非起重桅的方法來設計，而對于半潛式平臺來說，上述方法的應用受到了限制，主要是因為半潛式平臺受環(huán)境載荷作用后產生的運動響應要比船舶的復雜得多，需要計算諸如風、浪、流等諸多載荷作用下的運動響應。對于船舶而言，在風、浪、流的作用下，會有比較大的橫搖、縱搖和升沉運動，其中的橫搖對桅桿的強度影響最大，而空間3個方向上的運動速度比較小，通常不預考慮。而半潛平臺由于是小水線面，波浪響應較小，它還有空間的運動加速度，并且各個因素對桅桿的影響都在同一數量級。文中以中集來福士海洋工程有限公司自行設計的半潛平臺上的桅桿的設計為例，介紹一種半潛式平臺上桅桿的計算方法。

1　平臺參數及設計背景介紹

該半潛式平臺的主要技術參數如表1。

表1　平臺主要參數m

所設計的桅桿位置在主甲板以上尾部正中位置，距基線38 m，水面18 m，如圖1所示。

圖1　桅桿布置

2　計算模型

根據桅桿的布置對桅桿進行如下簡化:桅桿分成3個部分:主體、信號燈、信號燈座。重量、重心分別計算，重量和重心如表2所示。

表2　平臺主要參數

將主體支柱結構簡化為桿單元，將上部平臺位置的燈簡化為質量點。采用符號表示如下:

P1=6 kg，M1=1 218 Nm;

P2=6 kg，M2=862 Nm;

P3=5 kg，M3=422 Nm;

P4=5 kg，M4=292 Nm;

P5=53 kg，M5=2 610 Nm;

P6=31 kg，M6=342 Nm。

由于該桅桿的位置處于平臺較高的位置，還需考慮環(huán)境載荷及平臺運動加速度的影響。簡化后的力學模型如圖2所示。

圖2　簡化力學模型

3　環(huán)境載荷及運動響應

3.1總體說明

（3）關閉發(fā)射器：澆鑄結束將發(fā)射器右上角旋鈕鑰匙由"ON"打至"OFF"，按下左上角急停按鈕松，此時指示燈顯示紅色，即可終止1-14鍵的功能操作。

該平臺為對稱結構，坐標系采用右手直角坐標系，原點位于平臺艏部。環(huán)境載荷方向，沿逆時針方向為正，0°方向由船艏指向船尾，90°方向由左舷指向右舷［2］，如圖3所示。下面將介紹風載荷、流載荷及其作用下的平臺運動響應的計算，以此作為桅桿設計的輸入。

圖3　坐標系

3.2平臺風載荷系數與流載荷

該半潛式起重平臺工作海域設計流速為0.91 m/s。風載荷系數和流載荷均通過模型實驗獲得［3-5］，各方向的風載荷系數和流載荷分別如圖4、5所示。

圖4　風載荷系數

圖5　流載荷

3.3風載荷的計算

風載計算參考ABS Mobile Offshore Drilling Unit.

式中: f為系數，f=0.611; Vk為風速，取Vk=51.5 m/s; Ch為高度系數，取Ch=1.1; Cs為形狀系數，取Cs=0.5; P=891 N/m2。

3.4平均波漂力計算［3］

平均波漂力由水動力軟件HARP計算得到各頻率下二階力載荷RAO后與波浪譜結合得到。公式為

式中:γ為浪向，ω為圓頻率，Wj(ω，γ )為第j個模態(tài)下的波漂力RAO［7］，Sξ(ω )為波浪譜密度函數，該平臺采用JONSWAP波浪譜［6］。

3.5平臺及桅桿運動響應的計算

在計算過程中風、浪和流保持同向，風載荷、流載荷和波浪載荷三者線性疊加［7-8］。計算出的運動響應曲線如圖6所示。

圖6　運動響應曲線

得到的最大加速度如表3所示。

表3　平臺主要參數　m·s－2

4　桅桿結構尺寸計算

平臺橫搖時，桅桿與鉛垂面之間夾角為θ，從圖6上可以查到θ=7.4°。桅桿各部分對根部的作用力為f1，f1=mgsin θ;力的作用點到桅桿根部的距離為L1。

船舶橫搖時的慣性力為f2，f2=ma，其中a為X 和Y方向的合成加速度，從表3可以得到a=4.278 m/s2;慣性力的作用點到桅桿根部的距離為L2。

船舶升沉運動時，桅桿各部分正交于桅桿的作用力為f3。f3=mavsin θ，從表3可以得到av=2.566 m/s2;作用點到桅桿根部的距離為L3。

風壓力為f4，f4=PA;風壓作用點到桅桿根部的距離為L4。

以上各個作用力對根部的彎矩M=f1·L1+ f2·L2+f3·L3+ f4·L4。采用ASTM A106B的普通碳鋼管作為桅桿的主體，屈服強度σs=240 MPa，許用彎曲應力取它的70%，則許用應力［σ］=168 MPa，許用剪應力為許用彎曲應力除以1.5，許用剪應力［τ］=112 MPa。受力分析模型見圖7。

圖7　受力分析模型(P=f1+ f2+ f3+ f4)

各部分作用力及彎矩見表4。

表4　各部分作用力及彎矩

根據表4，需要的下部分桅桿的抗彎載面系數［9］為Z=5 746÷168=34.2 cm3。選用直徑88.9，壁厚7.62的管做為桅桿的主體，抗彎載面系數為36.5 cm3。小于管子實際抗彎截面系數。其剪切面積為19.46 cm2。

從圖7可以看出，最大剪力為1 441.17 N，所需要的受剪面積為1 441.17÷112÷100=0.13 cm2。遠小于桅桿的實際載面積。

屈曲強度校核如下，各部分自重及垂各加速度產生的壓力

P=m×(g+ av)=109×(9.81+ 2.566)=131 2 N

根據規(guī)范［10］驗證，桿能承受的壓力為

Wa=(m－nl/r) A

式中:系數m=12.09;系數n=0.044 4;桅桿無支撐長度l=650 cm;桅桿截面慣性半徑r=2.856 cm;桅桿有效截面積A=19.46 cm2;許用壓力Wa=39.3 kN。

計算結果表明，使用上述尺寸的結構，桅桿結構強度滿足設計要求。

5　結束語

從以上實例計算來看，對于半潛式平臺的桅桿結構強度設計，比船形的計算要復雜得多，通常需要進行有限元的強度校核。通過與船舶桅桿的設計進行比較，結合半潛式平臺的運動特性，文中總結了一套適用于半潛式平臺桅桿的設計方法。經過實際平臺的驗證，完全可以代替有限元分析，大大節(jié)約設計時間，同時該方法容易為結構工程師所掌握，有比較大的工程應用價值。

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［10］ABS Mobile Offshore Drilling Unit 2014.Part3，Hull Construction and Equipment.［S］.

Design of the mast on the semi-submersible platform

XIA Guangyin1，ZHANG Gong2，CHEN Pizhi2

1.CIMC Offshore Engineering Institute Co.，Ltd.，Yantai 264670，China 2.Yantai CIMC Raffles Offshore Co.，Ltd.，Yantai 264000，China

The design of masts is well developed in the ship design.However，it is impossible to calculate the mast strength in the semi-submersible unit in this way.It needs to be designed by taking the semi-submersible unit＇s motion as an input.A method for mast design is given in this paper.The method is based on the mast design process of a semi-submersible unit，which is designed and built by Yantai CIMC Offshore Co.，Ltd.，The method is proved to be operational and available through a true example.This may be used as a reference for the design of upper structure of other similar projects.

vertical acceleration; semi-submersible crane vessel; seakeeping; mast; strength

TE22

A

1009-671X(2015) 04-030-04

10.3969/j.issn.1009-671X.201411012

2014-11-18.網絡出版日期: 2015-07-27.

夏廣印(1977-)，男，工程師，碩士.

夏廣印，E-mail: Xia_Guangyin@sina.com.