海洋平臺鐵舾裝減重研究

夏廣印，杜之富

中集海洋工程研究院有限公司，山東 煙臺 264670

海洋平臺的系統復雜，成本高昂，作業環境比較惡劣，空船重量會對作業能力起到至關重要的影響，所以對空船重量控制十分嚴格。有些船東甚至會直接把重量控制目標寫入合同，有半潛式鉆井平臺達到了每超重1 t 罰款20 000 美元這樣的超重處罰條款。另外，海工企業對海洋平臺的重量控制也十分嚴格，尤其是對鋼結構、重大設備的重量有嚴格要求。企業在鋼結構的設計、制造環節都十分重視，也會在采購設備時把重量控制要求寫入采購合同，但對于鐵舾裝的重量往往流于形式，并沒有一個嚴格的考核機制。在海工企業中，鐵舾裝工程師往往不會進行結構強度的計算，而僅限于個人的經驗，普遍參考前面的項目來進行設計。參考的鏈條長了以后，出于保守考慮，就自然會變得強度余量過大，從而造成超重。

如果想提升鐵舾裝工程師的整體設計水平，使其都具備像結構工程師一樣的強度計算能力并不現實。這就需要提供一個標準的設計模板，讓鐵舾裝工程師照模板進行設計，即能滿足強度，又不會產生太大的設計余量?；谏鲜瞿康模疚囊曰ㄤ摪宓脑O計為例展開鐵舾裝件設計研究。

1 規范設計分析研究

作者查閱了相關的船級社規范、海上人命安全 公 約 和Mobile Offshore Drilling Units（MODU）Code 的相關要求，發現對于花鋼板設計，規范僅有保證安全的指導性要求。

本文參考船體結構的相關規定，研究適用于花鋼板的設計標準并進行相關計算，設計出符合安全性的指導性要求數據表格，可以指導工程師對照表格進行相關材料規格的選型。

根據花鋼板的實際使用位置情況分類，花鋼板的使用分為室內和室外2 種；根據安裝形式又分為螺釘連接和焊接2 種形式。而室外的花鋼板，出于防腐的要求，均為焊接連接。

1.1 花鋼板的規范計算依據

鋪花鋼板的區域均為機械區，但花鋼板自身并不承受機械設備的載荷，通常花鋼板厚度為4.5 mm或5.0 mm。

1.1.1 美國船級社設計依據

依據美國船級社(以下簡稱ABS)的MODU 3-1-3/1.11.3，對于工作區域，取1.28 m 的設計壓頭[1]。

計算花鋼板的強度參考甲板室的計算，考慮1 mm 的腐蝕余量。根據MODU3-2-3/15.5 計算甲板室板厚的公式[1]為

根據式(1)，可以推出花鋼板的間距s 計算公式：

由于花鋼板的厚度為4.5 mm 或5.0 mm，可以推導出花鋼板的大支撐間距在板厚4.5 mm 時為1.03 m；板厚5.0 mm 時為1.18 m。如果所處的環境較好，可以不考慮腐蝕余量，則允許的最大支撐距離分別為1.33 和1.47 m。

由于式(1)的前提條件是花鋼板與型材進行焊接，邊界條件相當于固支；而有時是采用的螺栓連接，邊界條件相當于簡支。顯然不能直接采用式(2)的計算結果。由于規范的板也是基于梁理論來推導的，所以對于邊界條件為簡支的情況可以根據梁理論進行反推[2]。根據受均布載荷的受力模式分析，簡支和固支條件下的最大彎矩分別如下文公式所示。

簡支條件下，整個跨度內受均布載荷[3]，最大彎矩和最大剪力分別為

式中：Q 為整個跨度內的總載荷； l為跨距。

而兩端固支，受均布載荷的條件下，最大彎矩在兩固支點位置，最大剪力也在兩固支點位置。最大彎矩和最大剪力分別為[2]

對比固支與簡支的最大彎矩和最大剪力會發現，同等載荷同等彎矩條件下，簡支的最大彎矩是固支的1.5 倍。而根據參考文獻[2]的推導過程可知，板厚的平方與最大彎矩成正比。所以對于螺栓連接花鋼板，板厚的公式可以由式(1)演變為

根據式(3)，可以推導出螺栓連接花鋼板間距s 的計算公式：

可以算出花鋼板的最大支撐間距在板厚4.5 mm時為0.84 m；板厚5.0 mm 時為0.96 m。如果所處的環境較好，可以不考慮腐蝕余量，則允許的最大支撐距離分別為1.08 m 和1.20 m。

對于花鋼板下的支撐構件，通常選用工字鋼。前面給定了支撐間距，后面就需要確定支撐構件的規格。為了使設計規范化，確定花鋼板下的支撐構件的有效支撐距離不超過3.5 m。剖面模數(ABS 標準)計算公式仍然采用甲板室的計算[1]：

對于不同厚度下的間距取值由表1 列出。

表1 不同情況下的型材規格

由于鋪設花鋼板的位置一般都成長條形，并且離下面的鋼結構甲板很近，作為夾層使用，所以不必像常規的鋼結構一樣設置強梁，一般支撐到兩側的鋼結構上即可。如果確實有需要提供支撐，可以設置支柱。由于支柱的高度比較小，為了采購和安裝方便，采用同一規格的型材作為支柱即可。

1.1.2 中國船級社設計依據

依據中國船級社(以下簡稱CCS)的《海上移動平臺入級規范》2-2-5/2.5.1.2 規定，作業區域的設計載荷為p=9 kN/m2[4]。

依據CCS《海上移動平臺入級規范》2-3-2/3.2.7.8，板厚計算公式[4]為

式中K 為材料系數，對于普通鋼K=1。對比式(5)和(1)可以發現，CCS 和ABS 計算公式是完全一樣的。所以型材間距的計算同樣可以采用式(2)進行計算。

由于CCS 規定的設計載荷為9 kN/m2，需要換算成設計壓頭。根據CCS《海上移動平臺入級規范》2-3-2/3.2.3.2，設計載荷等效設計壓頭h=0.14p+0.3=1.56 m[4]。

根據式(2)，可以算出花鋼板的大支撐間距在板厚4.5 mm 時為0.93 m；板厚5.0 mm 時為1.07 m。如果所處的環境較好，可以不考慮腐蝕余量，則允許的最大支撐距離分別為1.20 m 和1.33 m。

根據式(4)，可以計算出進行螺栓連接時的花鋼板最大允許支撐間距在板厚4.5 mm 時為0.84 m；板厚5.0 mm 時為0.96 m。如果所處的環境較好，可以不考慮腐蝕余量，則允許的最大支撐距離分別為1.08 和1.20 m。

花鋼板下的支撐構件，參考《海上移動平臺入級規范》2-3-2/3.2.7.9 執行[4]，剖面模數(CCS 標準)為

式中K 為材料系數，普通鋼K=1。

對于不同厚度下的間距取值由表2 列出。

表2 按CCS 規范計算不同情況下的型材規格

1.1.3 挪威?勞氏船級社設計依據

依據挪威?勞氏船級社(以下簡稱DNVGL)的規 范 DNVGL-OS-C101-Design of Offshore Steel Structures, General (LRFD Method)(2-2-4.2)規定，設備間(也稱“機械區”)取設計載荷為5 kN/m2[5]。

根據DNVGL-OS-C101 中2-4-6/6.3，板厚計算公式[5]為

由式(6)可以推導出型材間距的計算公式：

式中：ka為板格的比例系數，通常長寬比都大于3，取ka=1； pd為設計壓力，由前文可知 pd=5 kN/m2;σpd1為設計許用彎曲應力，按靜載設計，取1.67 的安全系數， σpd1=141 MPa ； kpp為邊界條件系數，對于焊接花鋼板，按固支設計， kpp=1；對于螺栓連接花鋼板，按簡支設計， kpp=0.5。

根據式(7)得出最大允許支撐間距。焊接花鋼板厚度為4.5 mm 時允許最大支撐間距為1.51 m；板厚為5.0 mm 時允許最大支撐間距為1.68 m。但是，從式(6)可以看出，并沒有考慮腐蝕余量，如果考慮1 mm 的腐蝕余量，厚度為4.5 mm 時允許最大支撐間距為1.18 m；板厚為5.0 mm 時允許最大支撐間距為1.34 m。

螺栓連接花鋼板厚度為4.5 mm 時允許最大支撐間距為1.07 m；板厚為5.0 mm 時允許最大支撐間距為1.19 m。如果考慮1 mm 的腐蝕余量，花鋼板厚度為4.5 mm 時允許最大支撐間距為0.83 m；板厚為5.0 mm 時允許最大支撐間距為0.95 m。

花鋼板下的支撐構件[5]，參考DNVGL-OSC101, Design of Offshore Steel Structures,General-LRFD Method 2-4-6/6.4.1 執行，剖面模數(DNVGL 標準)為

式中：型材跨距取l=3.5 m；設計壓力 pd=5 kN/m2；彎曲支撐的形式，焊接時按固支計算 km=12，螺栓連接時按簡支計算 km=8； 許用設計彎曲應力 σpd2同前面的板材計算，取 σpd2=141 MPa；端部形式系數kps， 焊接時按固支計算， kps=1.0，螺栓連接時按簡支計算， kps=0.9。

根據以上數據，可以計算出不同狀態下的型材規格。對于不同厚度下的間距取值由表3 列出。

表3 按DNVGL 規范計算不同情況下的型材規格

對比表1～3 分別采用3 家船級社規范計算的數據可以發現，CCS 的設計最為保守，DNVGL 的設計安全余量最小。通常情況下無論入級是哪個船級社，可以按ABS 的規格進行取值，因為這部分不需要船級社的審查。

1.2 花鋼板的力學計算依據

從上面的規范計算依據來看，前提條件都是花鋼板承受均布載荷，而花鋼板在實際使用時承受的均布載荷只有自重，而承受人員重量、人員攜帶的工具重量、臨時放置的小型設備重量、維修時放置的設備零部件的重量，它們的特點是接觸面積較小、重量較輕，一般在9.81 kN 以下。所以這一部分的載荷計算應該按接觸正應力計算。

從規范來看，DNVGL 也在也在Design of Offshore Steel Structures, General-LRFD Method 2-2/4.2中規定了設計點應力水平，為5 kN。由此可見，設計9.81 kN 的接觸點應力是足夠的。但是，由于設備的放置是臨時性的，放置時考慮到花鋼板的強度較弱，需要進行墊鋼板來加強。而經常性的載荷為人的載荷，按每個人攜帶工具時最大重量1 kN 計算，考慮2 個人站在一起協同操作的極限工況。

等厚矩形板的最大應力[6]和最大撓度[7]計算如下。在四邊固支、中間承受集中力的情況下，受到最大應力與最大撓度分別為

式中： α為系數，與長寬比相關，取1.008；P 為集中壓力，分P=9.81 kN 和P=2 kN 這2 種情況； β為系數，和長寬比相關，取0.079 17；b 為支撐寬度，同式(2)中的s，取值按式(2)計算；E 為彈性模量，取值 2.1×105MPa。

以ABS 規范設計的數據為準進行計算，板厚分為4.5 和5.0 mm 這2 種情況，每種板厚情況又分別考慮腐蝕余量和不考慮腐蝕余量，計算結果如表4 所示。

表4 焊接花鋼板最大正應力和最大撓度

從表4 可以看出，在臨時放置設備時，無論是最大正應力，還是最大撓度，如不墊鋼板進行臨時性加強，均不滿足要求，會產生較大的變形，應力也遠遠超過許用標準，會產生塑性變形。而墊鋼板滿足規范要求。

四邊簡支的情況與四邊固支的情況計算公式仍然是式(8)和(9)，但系數取值有所不同， α取1.008， β取0.185 1。

由于四邊簡支的情況比四邊固支的情況更為危險，所以放置設備時仍然需要進行墊鋼板進行臨時加強，在這里不進行不墊鋼板的強度計算，計算結果如表5 所示。

表5 螺栓連接的花鋼板最大正應力和最大撓度

從表5 可以看，最大的應力滿足設計要求，最大撓度略大，為23.7 mm，但此時的最大應力為165 MPa，仍然在彈性范圍內，屬彈性變形，待人員離開后會恢復原樣。

2 有限元校核

選用典型的設計工況進行校核，分為固支和簡支2 種情況。

1)工況1。板厚4.5 mm，焊接，取一個板長3.5 m、寬1.03 m 的板格，按四邊固支計算。有限元模型如圖1 所示。

圖1 工況1 有限元模型

在中間施加9 810 N 的集中力，應力計算結果如圖2 所示。

圖2 工況1 應力云圖

從應力云圖上可以看出，除了集中力施加的中心位置有比較大的應力集中之外(這個可以忽略，因為實際的力會有一個接觸面積，而不是一個點)，周圍的應力在170 MPa 左右，與計算的結果接近，滿足要求。

2)工況2。板厚4.5 mm，螺栓連接，取一個板長3.5 m、寬0.84 m 的板格，按四邊簡支計算。有限元模型如圖3 所示。

圖3 工況2 有限元模型

在中間施加9 810 N 的集中力，應力計算結果如圖4 所示。

圖4 工況2 應力云圖

從應力云圖上可以看出，中間應力集中區域比焊接固定的范圍略大，但周圍的應力在170 MPa左右，與計算結果接近，滿足要求。

3 花鋼板設計標準

根據不同船級社的規范設計公式對比分析，以及各家的設計輸入情況分析，經過強度計算，可以得出標準的花鋼板設計要求。

設計標準值如表6 所示。表6 為標準的指導性文件，設計的最小厚度不低于表6 厚度，型材間距不大于表6 的值，標準的型材規格不小于表6的值。進行設計時直接查表即可，而不必進行復雜的計算。

表6 花鋼設計選型表

4 結論

本文從強度和使用的根源上提出海洋平臺鐵舾裝標準化設計方案，比現有的參考的方式更為科學。

1)根據鐵舾裝從業技術人員的特點，制定出標準化的設計模板，簡單明了，不需要復雜的計算就可以直接掌握。

2)從材料力學的基礎上，依據實際使用情況，參照各大船級社規范，如ABS、DNVGL、CCS 等，又不照搬規范，從理論上給出設計依據。

依據本文的研究，可以根據船型的特點進行進一步的優化，從而符合企業的實際需求。