鉆井船干貨艙槽型艙壁端部節點設計

郭勤靜，李　磊，陳書敏，李德江，王洪慶

(中集海洋工程研究院 研發部，山東 煙臺 264003)

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鉆井船干貨艙槽型艙壁端部節點設計

郭勤靜，李磊，陳書敏，李德江，王洪慶

(中集海洋工程研究院 研發部，山東 煙臺 264003)

考慮到鉆井船干貨艙內部縱橫艙壁均采用槽型艙壁，為了保證槽型艙壁端部與主甲板連接處的結構力學性能及焊接工藝性能，采用有限元方法，對設計的“板凳”連接結構及3種偏心T型材與肘板組合結構進行計算分析對比，確定出合適的槽型艙壁端部節點連接形式，通過了DNV船級社OSLO總部審核。

鉆井船；干貨艙；槽型艙壁；節點結構設計；強度分析

槽型艙壁由鋼板壓制而成，以槽形折曲來代替扶強材的作用，在保證同樣強度的條件下，可減輕結構重量，節省鋼材，減少裝配和焊接的工作量，在船上大艙，例如，泥漿艙、干貨艙、油艙等結構上使用較多。本鉆井船干貨艙內壁采用槽型艙壁組合設計。干貨艙承受來自艙壓、海水壓力、甲板載荷、慣性力等載荷，結構設計有難度。由于槽型艙壁截面的特殊性，槽型艙壁端部與甲板連接處的節點處理非常關鍵。為此，分析某鉆井船干貨艙橫縱槽型艙壁端部節點結構設計，提出幾種節點連接結構設計方案，通過有限元分析計算，力求找到一種力學性能和焊接工藝性能都比較合適的節點連接形式。

1　鉆井船干貨艙強度分析

1.1鉆井船干貨艙簡介

該鉆井船干貨艙主要分布在船體尾部(0.2～0.3)L之間(見圖1)，對稱分布在中縱艙壁兩側，每側各設計5個干貨艙，共計10個，縱向長度為15.6 m，橫向總寬度為6.5 m。干貨艙外壁為鋼板艙壁配合加強型材的結構，將內壁及其內部中縱艙壁都設計為槽型艙壁結構。干貨艙上部直接延續到主甲板，下部設計成V形漏斗結構，接近內底板處，以便于干貨的儲存與裝卸。干貨艙主要用于儲存干貨物如水泥、重晶石以及皂白石等。干貨艙模型見圖2。

圖1　干貨艙在總體模型中的位置

圖2　干貨艙有限元分析模型

1.2鉆井船干貨艙強度分析

1.2.1干貨艙所受載荷及計算方法

鉆井船干貨艙結構主要承受的載荷包括干貨本身引起的艙壓、海水壓力、主甲板上的甲板載荷，以及來自船體本身的各向加速度引起的慣性力。載荷計算方法主要根據船級社規定。見表1。

表1　干貨艙結構所受載荷

注:y,z為計算點處的坐標值，m。

1.2.2干貨艙整體有限元模型及計算

采用有限元分析軟件SESAM完成干貨艙段的建模，網格設置方面主要對所關注的槽型艙壁端部連接區域進行網格細化，分別采用50 mm×50 mm，200 mm×200 mm，650 mm×650 mm等尺寸逐漸過渡。在邊界的處理上，為了避免邊界對分析結果的影響，有限元模型的橫向邊界往艙室外側分布對稱擴展到下一個縱向艙壁所在的強肋位處，縱向邊界以干貨艙艏艉橫向艙壁為界，由于這10個艙室類似，縱向邊界雖對艏艉的艙室分析結果有較小影響，但中間的艙室強度分析結果是準確的。有限元分析模型見圖2，邊界按照簡支的方式設置處理，針對不同的工況進行加載計算并完成分析計算。

為便于工況分析，為10個貨艙艙室編號，見圖3。考慮不同壓載艙的壓載組合工況，以及與海水壓力、垂向縱向加速度的合成工況，在SESTRA計算模塊中總計計算24種工況，最后在XTRACT模塊中對所有工況進行搜索，以得到所有工況的最大屈服強度利用因子。

圖3　干貨艙編號

1.2.3屈服強度校核準則

干貨艙強度分析主要考慮結構的屈服強度，屈服強度校核的準則如下。

(1)

式中：(σxx)t,(σyy)t,(σxy)t——總體單元應力分量；

σe——vonMises應力。

鉆井船屈服強度校核準則參考DNV-OS-C102中規定，采用工作應力 (WSD) 設計法。本船材料主要選擇NV-36，屈服極限355 MPa，具體利用率系數及峰值標準見表2～4。

表2　常規利用率及峰值

表3　峰值利用率(網格200 mm×200 mm)

表4　峰值利用率(網格50 mm×50 mm)

2　槽型艙壁端部節點結構設計

2.1節點設計方案

干貨艙內壁橫縱艙壁采用槽型艙壁，在艙壓的作用下，上下兩端固支約束端處彎矩較大，同時為了防止甲板縱向加強筋與槽型艙壁產生過焊孔而增加焊接方面難度，槽型艙壁上端與主甲板結構方案設計成不直接焊接，初始方案確定在槽型艙壁的上端，距離主甲板500 mm范圍內設計連接過渡區域，對于此端部節點結構的形式有多種設計方案。

方案1。雙腹板板凳連接結構。

在橫縱方向的槽型艙壁的端部增設一個面板，采用雙腹板結構組成“板凳”結構形式與主甲板連接。具體模型及強度分析結果見圖4。

圖4　板凳節點結構及屈服應力結果(方案1)

方案2。偏心T型材結構+肘板組合結構1。

根據主甲板縱向筋的布置，在橫向槽型艙壁的端部設計偏心T型材，配合縱向筋增加對應的肘板結構，在縱向槽型艙壁靠近跨度中間的左右兩側設計柔性過渡肘板，具體模型及強度分析結果見圖5。

圖5　偏心T型材+肘板組合1及屈服應力結果(方案2)

方案3。偏心T型材結構+肘板組合結構2。

在槽型艙壁的端部采用偏心T型材結構，橫向槽型艙壁的端部，不考慮主甲板縱向筋的布置，在橫向面板跨度中間設計肘板與扁鋼組合結構，縱向槽型艙壁端部肘板設計與方案2相同。具體結構見圖6。

方案4。偏心T型材結構+肘板組合結構3。

在槽型艙壁的端部采用偏心T型材結構，橫向槽型艙壁的端部，不考慮主甲板縱向筋的布置，

圖6　偏心T型材+肘板組合1及屈服應力結果(方案3)

在橫向面板跨度中間的兩側，槽型艙壁凸出的兩個平臺上面中間設計肘板與扁鋼組合結構，此方案的縱向槽型艙壁端部肘板設計與橫向的肘板布置相同。具體結構見圖7。

圖7　偏心T型材+肘板組合1及屈服應力結果(方案4)

2.2節點設計方案分析對比

2.2.1不同方案強度分析

根據4個方案的屈服強度分析結果，針對槽型艙壁端部T型材面板及附屬肘板結構周圍細化50 mm×50 mm網格區域，統計槽型艙壁端部連接節點結構周圍主要結構的強度及利用率以及應力水平分布情況見表5。

表5　不同方案下的端部連接節點結構附近屈服應力情況對比

注：UF-utilization factor，利用率。

2.2.2板凳結構與偏心T型材肘板組合結構對比

由表5可見，方案1“板凳”連接結構形式相對于方案2、3和4，方案1“板凳”連接結構形式的強度結果最好。只從結構強度上考慮，方案1是最有效的一種連接結構形式。

從施工建造工藝及焊縫檢測要求上考慮，方案1“板凳”結構圍成了一個密閉狹小的黑盒子，減少了干貨儲存的體積，現場施工焊接有一定的難度，后期對內部焊縫的檢測非常困難，尤其對液艙的后期內部焊縫檢測要求較高，很難達到焊縫檢測的要求。目前比較牽強的解決辦法是，在干貨艙里面可以考慮使用方案1，并需要在“板凳”密閉空間內部提前充入惰性氣體，以阻止內部焊縫的銹蝕，保證焊縫的強度及壽命。方案1的選擇比較謹慎，需要各方人員的一致認可。而方案2、方案3和方案4采取的偏心T型材與肘板組合結構形式，在現場施工建造及后期焊縫檢測上面就不存在方案1的問題了，建造檢測都非常方便，開放的連接結構形式也有利于干貨的儲存裝卸。因此，考慮施工建造檢測，偏心T型材肘板組合結構相較“板凳”結構形式更好一些，剩下的問題就是如何滿足強度的要求。

2.2.3偏心T型材肘板組合結構對比

方案2、方案3及方案4三種方案都采用偏心T型材連接結構形式，其中不同的是橫向槽型艙壁端部處肘板結構形式的設計，縱向槽型艙壁端部肘板布置上方案4與前2種不同。3種方案在現場施工建造及焊縫檢測上基本上一樣，因此重點比較3種方案對結構強度的影響程度。

由表5可見，方案4相對于方案2、方案3來說，在橫縱槽型艙壁端部偏心T型材的面板上有多個屈服應力較高的點，無法改善面板跨中區域的強度。因此方案4不可采用。

對于方案2與方案3來說，整體的應力水平相當，由于強度分析特別是局部分析中可考慮忽略個別硬點的應力集中的影響，兩個方案都是可行的。方案3相對于方案2結構形式更為簡單，也避免方案2中主甲板上縱向加強筋對應肘板與橫向槽型艙壁端部等效腹板的斜向軌跡線出現交叉的結構焊接硬點。因此選擇方案3作為最后的結構連接方案。

對于方案2，由于鉆井船項目前期布置已經確定，主甲板上縱向的加強筋的位置也不易修改，縱向加強筋基本沒有與橫向槽型艙壁端部平臺對齊，在這種情況下，若在加強筋下面增加肘板，將會與槽型艙壁端部結構軌跡線的斜線方向產生焊接硬點。如果在前期布置階段，將主甲板縱向加強筋調整到橫向槽型艙壁端部面板的正上方，使加強筋對應的肘板避開等效腹板的斜向軌跡線，按照這種方式優化以后的方案可以被認為最適合的方案。

4　結論

1)方案1“板凳”連接結構形式的結構力學性能最好，在干貨艙中可以考慮采用，前提是需要在“板凳”密閉空間內充入惰性氣體以防止內部焊縫的腐蝕破壞，而在液艙中由于對現場施工建造及焊縫檢測要求的提高，不建議采用此種連接結構；如何提高此種結構形式的焊接及焊縫檢測功能有待于進一步研究；

2)其余三種偏心T型材與肘板組合結構形式，方案2和方案3都可以接受。從避免結構硬點方面考慮，方案3是最可行的，力學性能與工藝性能都可以達到較好的水平；

3)方案2的連接結構形式可進一步優化設計，優化布置主甲板縱向加強筋，設計縱向加強筋分布與橫向槽型艙壁端部面板的凸臺之間對應布置，可消除結構焊接硬點，作為最佳方案。

槽型艙壁特別是橫縱交叉的槽型艙壁與主甲板連接結構需要根據不同的荷載要求、加強筋的布置、施工工藝的難易以及焊縫檢測等因素綜合考慮設計。綜合考慮各種因素，僅采用手算方法對此處細部節點結構設計很難滿足實際項目的需要，因此采用有限元分析方法來進行各個方案的對比分析是合理的，能夠分析結構細部硬點等強度的詳細情況。選擇方案3作為最終方案，送審DNV船級社OSLO總部通過了審核，本設計可為鉆井船上干貨艙橫縱槽型艙壁端部節點設計提供實際參考。

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Structural Design of Corrugation Termination for Dry Tank of Drill-ship

GUO Qin-jing, LI Lei, CHEN Shu-min, LI De-jiang, WANG Hong-qing

(R&D Department, CIMC Offshore Engineering Institute, Yantai Shandong 264003, China)

Corrugation bulkhead is used in the inner dry cargo holds of the drill ship including transverse and longitudinal bulkheads. In order to research a reasonable corrugation termination to get good mechanical and welding property, the finite element analysis is carried out and the results are compared among different projects including the stool design and three kinds of unsymmetrical T-Girder with brackets. The most suitable project is chosen, which has been approved by DNV OSLO, which can provide a practical engineer reference for corrugation termination design.

drill-ship; dry tank; corrugated bulkhead; termination structural design; strength analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.037

2015-05-12

2015-06-17

山東省泰山學者藍色產業領軍專家專項

郭勤靜(1982-)，男，碩士，工程師

U663.4

A

1671-7953(2016)01-0174-05

研究方向:海洋平臺結構設計強度分析

E-mail:guoqinjing@hotmail.com