某半潛船型建造中的非常規風險控制

陳旭東，朱見華，張 雷

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇南通 226116）

0 引言

半潛船的特殊性在于具備一定的半潛功能，即可以通過將露天的主甲板潛入水中，進行貨物的裝載及卸載等工作，并通過浮箱和生活樓提供浮力，保證船舶的繼續漂浮作業。目前世界上的半潛船型式較多，邵啟一[1]曾對國內外的半潛船型式進行過闡述，其中大部分船型為艏部生活樓基于舯部左右對稱，艉部同時設有基于舯部左右對稱的浮箱，此類船型在建造過程中主要存在有限空間作業、吊裝作業、高空作業等安全風險[2]，此類風險也是船舶在建造過程中時常需要關注的事項，以保證建造的安全，而不同船型在建造中除以上所說的常規風險外，也會存在一些由于船型設計所導致的風險。

本文以某半潛船為例，研究在建造過程中除了有限空間作業、吊裝作業、高空作業等常規風險以外，還可能出現的其他非常規風險，如邊島型設計在建造過程中對塢墩布置、邊島吊裝以及下水出塢中存在的風險，為了保證建造工作的順利進行，通過軟件進行計算以作為理論依據，并根據計算結果對作業方案進行優化，對建造過程中可能出現的風險進行控制，從而保證船舶建造的順利進行。

1 船舶建造特點

本船舶在建造前期與其它類型船舶的建造工藝相差不大，采用分段-總段-區域的建造方法流程進行建造，可以大幅度的減少船舶建造過程的時間，有利于及時發現建造中存在的問題，將返工率降到最低水平，確保船舶建造時的效率和質量，并極大地降低建造成本[3]。

本船在主船體通過以上流程建造完成后，就需要進行生活樓和各浮箱的吊裝作業，在此吊裝過程中需要考慮此類船型所帶來的風險，比如浮箱吊裝風險、生活樓吊裝的風險、邊島設計船型的塢墩布置風險以及下水出塢風險等。在進行吊裝風險研究時，由于浮箱的質量較小，本文對較重的邊島生活區的吊裝進行研究。

2 塢墩布置風險

半潛船在建造過程中，需要進行塢墩布置，該船在進行塢墩布置設計時需要考慮以下2 點：

1）艉部有4 個浮箱，所以艉部區域質量較重，而艉部區域的線型收縮，船底平坦且面積小，塢墩數量難以增加，故其艉部結構相對危險，需要著重考慮。

2）此船生活樓不同于常規船舶的左右對稱，其位于艏部右舷位置且存在一定程度的外飄現象，此處在布置塢墩時需要注意塢墩的受力情況。

2.1 整船塢墩布置

由于本船的邊島式設計，在坐墩過程中會根據全船的船體鋼料、鐵舾件、機電設備、管路、居裝以及涂裝等的全船重量對船內的壓載艙進行部分壓載，保證船舶的平衡，防止船底結構產生接觸硬點[2]，結合各項重量對船舶進行初步的塢墩布置，塢墩布置見圖1。

圖1 船舶建造過程中塢墩布置

船舶在建造過程中共布置了996 個墩子，其中，建造墩834 個、龍骨墩162 個。由于線型原因，艉部只能在呆木和艉軸管處進行塢墩布置，艏部右舷生活樓底部區域的塢墩需要加密布置。整船在壓載水調平狀態下的質量約為58 000 t，每個墩子的受力約為582 kN，船體受到的支反力也為582 kN，同滿足塢墩1 100 kN 承重能力的要求。這種估算結果無法明確顯示每一個部分的受力情況，尤其是艉部及艏部生活樓底部區域的甲板受力情況，此方法的計算會帶來較高的風險，不利于船舶建造過程中的安全控制，因此為了安全考慮，通過有限元計算，進行安全風險的分析。

2.2 有限元計算分析

本船采用FEMAP 進行有限元建模和分析，在有限元建模過程中縱骨、T 型材面板和各類支柱用梁單元來近似模擬，除了上述之外的各艙壁等構件均采用板單元來近似模擬，以求能較真實的還原實際結構的形式。根據全船質量分布和質心位置等數據，利用力的等效原理將重力施加到相應的有限元模型的節點上。壓載水質量采用具備質量和質心位置的多個質量單元進行分散模擬。

在計算中所用到的船體結構的材料特性如下：彈性模量2.1×1011MPa，屈服應力為235 MPa，泊松比0.3，板材的質量密度7.85×103kg/m3。墩子由水泥和墊木組成，其中水泥部分假定為剛性體，墊木部分假定為彈性體。

2.3 計算結果分析

全船有限元分析主要考慮船體的彈性彎曲、船底結構局部彈性變形、船體結構受力傳遞以及墊木的彈性壓縮等要素。因此，有限元分析比簡單的塢墩平均受力計算更為準確。圖2 是艉部區域船體受力的應力云圖，從圖2 中可以看出艉軸管位置的船體外板整體受到的應力較大，最大值為58 MPa。此外，考慮到船體的整體性，整個艉軸管區域的應力由一個較小區域的較高值逐漸向四周擴散，應力逐漸降低。呆木區域的塢墩數量相對密集，故其應力相對較小，最大值僅約為30 MPa。當線型逐漸趨向于平坦位置時，船底板整體受到的應力僅為10 MPa左右，此數值對船體的建造帶來的風險較小，在可控制范圍之內。

圖2 艉部區域船體應力分布

此船的線型從艉部向舯部過度時逐漸趨于平緩，所以中間較平坦區域的應力計算與圖2 中平坦區域的應力計算結果基本相差不大，當計算到壓載水所在區域時，可以看出此時的船體所受到的應力又有所增大，見圖3。為在建造時使船保持平衡，向船舶的左舷壓載了約4 200 t 壓載水，但由于此處線型較為平坦，故在塢墩布置時未進行加密。因此，有限元計算的船體受力要高于其他平坦區域。此處船體所受到的最大應力為68 MPa，而此處塢墩布置在強結構處，故船體不會受到較大的變形影響，。此處塢墩布置帶來的建造風險較小，但在建造過程中要時刻注意此處的船體變形情況，并進行安全風險控制。

圖3 壓載水區域船體應力分布

本船建造過程中，船體最大應力值出現在生活樓底部區域，船體應力分布情況見圖4。此處生活樓的設計是外飄形式，其線型變化較大，塢墩數量相對中間平坦區域的數量要少。從有限元計算結果可以看出，生活樓底部區域的外板受到的應力明顯變大，部分區域的應力高達156 MPa，此處的受力明顯高于其他區域，這對船舶建造過程的安全極為不利。為更好地控制建造過程中的風險，在應力較大的區域進行塢墩加密，同時在生活樓底部增加鋼支撐，減小塢墩與船體之間的作用力，降低建造過程中的安全風險，保障船舶建造的順利進行。

圖4 生活樓區域船體應力分布

3 生活樓整體吊裝風險

此半潛船的生活樓處于舷側，其長度較長，寬度較小，高度較高，整體形狀類似于一個長方體，不同于常規船舶的邊島式生活樓。此外，該船的生活樓分為水密壓載艙和居住艙室這兩部分。在建造過程中，項目組根據此生活樓的型式，針對居住艙室部分提出整體吊裝的作業方式，此方案可以提高作業效率，但邊島式生活樓高度較高，已發生變形，故整體吊裝的安全性需要進行分析。為了保證建造的安全，針對吊載方案進行整體吊裝的有限元分析，模擬計算生活樓在整體吊裝過程中的應力與變形情況。

根據整體吊裝的要求，現計劃用2臺具有9 000 kN吊載能力的吊機進行聯合吊載作業，生活樓的吊裝情況見圖5。

圖5 生活樓吊裝示意圖

采用FEMAP 軟件進行建模分析，生活樓質量為1 100 t，質心與生活樓的殼體的型心基本重合。通過軟件模擬無法完全真實體現實際吊裝環境，所以模擬結果僅能作為參考，生活樓整體吊裝的應力分布和變形情況分別見圖6 和圖7。

圖7 生活樓整體吊裝的變形情況

在吊裝過程中，吊耳附近的應力是最大的，需要對吊耳附近局部甲板及反面T型腹板進行加厚處理。吊耳肘板要落在骨材上，在走廊附近的吊耳下方增加槽鋼，并將其作為立柱。槽鋼建議使用最小屈服強度不小于355 MPa 的高強鋼，并一直延伸至底部強結構處。生活樓底部的變形量相對較大，建議在生活樓底部的自由邊增加1 圈槽鋼，以解決吊裝過程中變形較大的問題。此外，槽鋼加強區域的變形較為嚴重，整個船體結構在整體吊裝過程中的最大變形約為8.1 mm。生活樓整體吊裝計算的最大應力見表1，根據計算所得的最大應力小于許用應力，即吊裝過程中的應力滿足要求。

表1 生活樓整體吊裝應力計算

由表1 可知，加強后生活樓整體吊裝的強度是符合要求的，在吊裝過程中生活樓不會出現較嚴重的變形。需要注意的是，要保證整體吊裝過程中雙機聯吊的同時性，確保各步驟同步進行。當生活樓在整體吊裝至主船體時，需要將生活樓作為一個整體進行下放。在下放過程中需時刻觀察主船體底部甲板與塢墩交接處的船體外形，確保船底板在沒有出現變形的情況下將整個生活樓逐漸卸至主船體上。

4 下水出塢風險

該船在船塢內建造，在主船體合龍完成且邊島吊裝至設計位置并焊接完成后，將船舶首次下水并通過拖輪拖至碼頭，后續進行船舶內部施工及系統調試等工作。本船四島式設計使船舶質心相較中心線的橫向偏移較大，易出現較大橫傾。船舶在下水、出塢過程中，需要保證船舶的水平狀態起浮，以防橫傾導致的橫向偏移和縱傾導致的塢墩受力超出限制等風險。因此，下水過程中需要采用合理的下水方案以保證下水的安全性。

為使船舶能夠以水平狀態進行起浮，在下水前需要對船舶上的通?？诘任恢玫拈y門進行檢查，以確保其處于關閉狀態，保證船舶在下水期間不會發生意外進水，從而影響船舶的浮態。此外，需要對下水時船舶上的質量和質心等進行統計，并通過穩性計算軟件GHS 進行船舶的配載工作以及穩性計算工作，軟件計算時船舶坐標軸以艏向為正，向左舷為正，自基線向上為正。船舶在下水平浮時全船的質量和質心情況見表2。

表2 船舶在下水平浮時全船的質量和質心情況

在進行全船的配載工作時，需將下水時船舶的空船質心以及船上的臨時質量質心按照相關要求加載至計算軟件中，用于彎矩、剪力等數據的計算。船舶調平至少需要壓載水4 480.4 t，此狀態下船舶的浮態相關數據見表3。

船舶在上述浮態調載過程中，還需要注意調載過程中不同壓載對船舶彎矩和剪力的影響，最終壓載方案的實際彎矩和剪力要小于設計時的許用彎矩和許用剪力。軟件計算所得的彎矩和剪力與許用值的百分比見表4，百分比均小于100%，此壓載方案滿足要求。

表4 彎矩和剪力與許用值的百分比

該壓載方案使船舶在下水時保持平浮狀態，能更好地規避橫傾和縱傾導致的風險，保證作業的進度。當船舶實現完全水平自由漂浮后，需通過拖輪將船舶拖至碼頭進行后期作業。由于本船的生活樓和浮箱均設計成外飄的形式，在拖航過程中需要注意外飄平臺與周邊建筑的間隔，防止發生碰撞事故而影響后期作業。

5 結論

邊島式半潛船的設計和建造過程均存在許多挑戰，若考慮不周很容易造成生產事故，對船舶的建造進度極其不利。因此，在建造工作中要時刻注意風險的識別與控制，以保證項目建造工作的順利進行。本文通過研究在建造過程中由于船型設計而帶來的非常規風險，可得到如下結論：

1）塢墩在部分區域的受力較大，需要通進行塢墩的加密布置，降低單個塢墩與船底板的作用力，提高作業安全性。

2）邊島生活樓在吊裝過程中易發生變形，增加了作業的危險性，需要根據理論計算，進行局部區域的加強，從而實現生活樓整體吊裝的安全吊載作業。

3）需要在船舶下水出塢時需通過調載保證船舶的自由平浮，減少發生橫向滑移的風險，提高作業的安全性。