半潛船船體改造設計分析

郭志強

(舟山中遠海運重工有限公司，浙江 舟山 316131)

近年來，隨著人類生產(chǎn)活動的需要，以及造船水平的提高和造船所用材料的改進，船舶和海工產(chǎn)品呈現(xiàn)出大型化的趨勢。就目前的造船產(chǎn)能分布來看，大型化的船舶和海工產(chǎn)品主要集中在中國、韓國、新加坡和日本建造，而這些產(chǎn)品在建造完成后大多服務于墨西哥灣、巴西等世界主要石油產(chǎn)出區(qū)。這些大型化的船舶和海工產(chǎn)品從建造廠到它們最終的服務區(qū)域有相當長的距離，由于部分海工產(chǎn)品自身無動力，并且考慮到運輸途中的安全性和便利性，海工產(chǎn)品從建造廠到其最終服務區(qū)域基本上是采用半潛船干拖的方式裝載運輸。

面對越來越大型化的海工產(chǎn)品，使用航運市場上現(xiàn)有的半潛船裝載運輸，無論是從半潛船的尺度上、還是半潛船的強度上都面臨著挑戰(zhàn)，但是如果為了某一種海工產(chǎn)品的運輸而量身定做專門新造半潛船，這顯然是不夠經(jīng)濟的。當下流行的做法是在現(xiàn)有半潛船的基礎上加以臨時性的改造，以使半潛船滿足大型海工產(chǎn)品運輸航次任務的需要，比如本文所提到的在現(xiàn)有半潛船舷側(cè)加裝浮體的方式，此舉對使用現(xiàn)有半潛船運輸大件貨物(大型海工產(chǎn)品)具有重要意義。

現(xiàn)有半潛船的改造需要經(jīng)過詳細的計算和周密的考慮，以保證半潛船改造后的船體強度，本文以某半潛船運輸大型海洋石油鉆井平臺為例，對半潛船船體改造設計進行論證分析。

1 運輸狀態(tài)

某半潛船執(zhí)行運輸大型海洋石油鉆井平臺作業(yè)，其中半潛船總長216.7 m，型寬43.0 m，主甲板型深13.0 m，設計吃水9.68 m，載貨甲板尺度177.6 m×43.0 m，載荷48 163 t；作為貨物的鉆井平臺總長88.8 m，總寬59.0 m，總質(zhì)量22 698 t，將半潛船與鉆井平臺主要參數(shù)做對比，半潛船與鉆井平臺主要參數(shù)對比如表1所示，從表1明顯可見，鉆井平臺寬度超出半潛船船寬16.0 m。

表1 半潛船與鉆井平臺主要參數(shù)對比

半潛船運輸鉆井平臺的裝載效果圖如圖1所示，鉆井平臺在寬度方向上兩舷側(cè)明顯超出半潛船船寬，鉆井平臺兩側(cè)缺少半潛船給予的有效支撐。

圖1 半潛船運輸鉆井平臺的裝載效果圖

2 半潛船船體改造

針對此大型海洋石油鉆井平臺的裝載運輸，為了解決貨物超寬問題，并保證運輸時半潛船對海洋石油鉆井平臺有足夠的支撐，以及確保滿足船舶的穩(wěn)性衡準，采取在半潛船舷側(cè)新安裝4個附加浮體的方式對半潛船船體進行臨時性改造，4個浮體均為鋼材質(zhì)焊接安裝式浮體，附加浮體分為2組，每組左右舷對稱，安裝在半潛船船首1組，船尾1組，半潛船船體改造具體示意如圖2所示。

圖2 半潛船船體改造示意圖

其中，單個艉部浮體長度24.0 m，寬度8 m，高度6 m，質(zhì)量140 t；單個艏部浮體長度16.8 m，寬度8 m，高度6 m，質(zhì)量110 t。4個浮體均使用DH36級別高強度船用鋼材制造[1]，鋼材密度為7 850 kg/m3，DH36級別鋼材的屈服強度(σy)為355 MPa，安全系數(shù)取為0.8，故其許用應力為284 MPa，浮體的參數(shù)如表2所示。

表2 浮體的參數(shù)

3 新加浮體及其周邊船體結(jié)構(gòu)強度校核

因4個浮體結(jié)構(gòu)相似，取左前浮體為例進行強度校核，強度校核采用有限元強度分析的方法進行，在有限元強度分析過程中除另有說明外，各單位均使用國際單位制，即力的單位為N、長度單位為m、力矩單位為N·m、應力單位為MPa。有限元強度分析基本過程為先對浮體及其周邊船體結(jié)構(gòu)進行有限元模型建模，然后對建好的有限元模型施加約束(即邊界條件)，接下來是對有限元模型進行載荷加載，包括外部載荷和自身載荷的加載，外部載荷即是鉆井平臺對其的壓應力，自身載荷即為其自身質(zhì)量，最后是對施加好約束和載荷的模型進行求解，得出應力值[2]。

3.1 有限元模型建模

有限元模型建模的依據(jù)為浮體結(jié)構(gòu)圖紙和半潛船結(jié)構(gòu)圖紙，根據(jù)相關結(jié)構(gòu)圖紙信息對浮體結(jié)構(gòu)和其周邊船體結(jié)構(gòu)進行有限元建模，浮體結(jié)構(gòu)和周邊船體結(jié)構(gòu)全部采用板單元進行模擬，在對板單元進行網(wǎng)格劃分時，平均網(wǎng)格尺寸劃分為200×200，但浮體支架與浮體本體連接處為危險截面，因此將連接處網(wǎng)格尺寸細化為100×100進行分析。

3.2 對模型施加約束(邊界條件)

在周邊船體結(jié)構(gòu)建模時已經(jīng)包含了鄰近艙段的前后端橫艙壁和鄰近舷側(cè)的縱向艙壁，選取前后端橫艙壁和縱向艙壁作為邊界，對其所在面上所有單元的節(jié)點施加約束，約束條件為限制節(jié)點在X、Y、Z3個方向的位移。

3.3 載荷加載

本次運輸任務中半潛船所裝載的鉆井平臺總質(zhì)量為22 698 t，其對浮體及周邊船體結(jié)構(gòu)的壓應力載荷是通過半潛船甲板與鉆井平臺之間的墊木傳遞到半潛船上的。在將鉆井平臺總的壓應力進行分解，并經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理和簡化后，鉆井平臺對浮體及周邊船體結(jié)構(gòu)的載荷如圖3所示，圖3中數(shù)字單位為牛頓，鉆井平臺對半潛船和新加浮體的壓應力施加到各個相關單元的節(jié)點上，這也是半潛船及新加浮體所受的外部載荷；同時半潛船和新加浮體本身亦受重力，在有限元強度分析軟件設置時，已經(jīng)將此情況考慮在內(nèi)，這也是半潛船及新加浮體所受的自身載荷。

圖3 鉆井平臺對浮體及周邊船體結(jié)構(gòu)的載荷

3.4 有限元應力分析

經(jīng)過上述步驟的準備，有限元模型已經(jīng)具備最后求解應力的條件，利用軟件內(nèi)置求解器對模型進行應力求解，得出浮體和周邊船體結(jié)構(gòu)所受的應力，其典型橫剖面應力云圖如圖4所示。通過分析應力云圖，可見在鉆井平臺的運輸中，浮體周邊船體結(jié)構(gòu)所受最大應力值為225 MPa，新加浮體所受最大應力值為256 MPa，均小于各自的許用應力284 MPa，將求解得出的應力匯總?cè)绫?所示。

圖4 有限元模型典型橫剖面應力云圖

表2 應力匯總表

4 結(jié)束語

從對半潛船新加浮體船體改造設計的論證與分析可知，在本次運輸中新加浮體及半潛船的結(jié)構(gòu)強度是足夠的，鉆井平臺運輸任務安全可靠。在實際工作中，如本例情況貨物重量在半潛船的載重量以內(nèi)，但貨物尺寸超寬超長等的案例很多，通過將現(xiàn)有半潛船船體進行適貨性改造，并對船體改造設計進行充分論證與分析，以保證半潛船船體改造的強度和遠洋大件運輸?shù)陌踩?，此舉對于使用現(xiàn)有半潛船運輸大件貨物具有一定的借鑒意義。