大型物件海上運輸系固方案校核的一般方法

劉子聃 孔祥鋒 張毅 湯麗娜

摘? ? 要：本文通過建立一個甲板運輸駁船運輸導管架的模型，使用理論計算的方法計算出大型物件在海運途中受到的荷載，對系固方案進行了校核，并采用有限元法對運輸駁船船體與運輸工裝的強度進行校核。通過對該模型的完整計算，為大型物件海運系固方案的校核提供了一般計算流程的參考，驗證了該套系固方案校核對海洋工程行業的實用性。

關鍵詞：大型物件；海運；系固方案；強度校核

中圖分類號：U662.9? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

General Method of Checking the Fastening Scheme for Marine Transport of Large Object

LIU Zidan1，? KONG Xiangfeng1，? ZHANG Yi1，? TANG Lina2

（ 1.Guangzhou Salvage Co.， Ltd.，? Guangzhou 510290;? 2.CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 510715）

Abstract： This article establishes a model of a deck transport barge for transporting a jacket， calculates the loads on large objects during sea transportation by using theoretical calculation methods， checks the fastening scheme， and verifies the strength of the transport barge hull and transport equipment by finite element calculation. The complete calculation of this model provides a reference for the general calculation process to check the fastening scheme for marine transport of large objects， and verifies the practicality of checking the fastening scheme in the marine engineering industry.

Key words： large objects; sea transport; fastening scheme; strength verification

1? ? ?前言

長度在14 m以上或寬度在3.5 m以上或高度在３ m以上或者重量在20 t以上的單體貨物或不可解體的成組（捆）貨物本文稱之為大型物件。大型物件具有價值高，風險高，生產運輸周期長，運輸投入成本大的特點[1]。

隨著全球貿易的日益發展，海上運輸已成為大型貨物運輸的重要方式之一，確保貨物在運輸過程中的安全和完好至關重要。在解決貨物在海上運輸過程中受到的外力及氣象影響的挑戰時，合適的系固方案起到了關鍵作用。

大型物件的系固方案一般分為剛性系固與柔性系固[2]。剛性系固是指通過設計專門的底座工裝，固定工裝等方式將運輸對象與船體連接在一起，成為一個整體，從而保證運輸對象在運輸途中的安全穩定的一種系固方法。柔性系固則是利用鋼絲繩、纜繩、鐵鏈等柔性系固工具將運輸對象固定在運輸船上，特點是系固工具只能受拉伸，但易于安裝與拆卸。

本文將以導管架海上運輸為例，建立一個大型貨物海上運輸的剛性系固模型，并對使用的系固方案進行校核。

2? ? 理論分析

本文通過使用中國船級社CSS《海上拖航指南 （2011） 》[3] （以下簡稱《指南》）中附錄一中的計算公式計算大型物件在拖航途中所受到的外力，并使用計算得到的外力作為邊界條件之一施加到有限元模型上進行強度校核。

在大風浪下，船舶進行劇烈的橫搖運動，大型貨物受到各種外力：如慣性力、離心力、風壓力、摩擦力、海浪沖擊力和浮力，其作用直接影響到大型貨物的運輸。各種外力的合力按作用力的方向可分為： 橫向力、縱向力、垂向力。

2.1? ?橫向力

大型貨物在海運途中受到的橫向力由慣性力，風壓力和海浪沖擊力提供。因此橫向力的表達式可以寫為：

Fy=MAy+Fq+Fw? ? ?kN? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：M為貨物質量；Ay為貨物的橫向加速度； Fq為風作用力；Fw為海浪沖擊力。

（2）

式中：g為重力加速度，取9.81 m/s2；rφ為貨物重心至水線處假定的旋轉中心的距離；β為夾角，見圖1；φ0為最大橫搖角；Tφ為橫搖周期。拖航指南里給出橫搖周期的三種取值方法：

（3）

式中：GM為初穩心高度（m），B為船寬（m）。

2.2? ?縱向力

縱向力Fx按下式計算：

Fx=MAx+Fq+Fw? ? ? kN ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：M為貨物質量；Ax為貨物的縱向加速度；Fq為風作用力；Fw為海浪沖擊力。

（5）

式中：rψ為貨物重心至水線處假定的旋轉中心的距離；β為夾角，見圖2；ψ0為最大橫搖角；Tψ為橫搖周期，取值方法參考本文2.1節。

2.3? ?垂向力

垂向力Fz按下式計算：

（6）

式中：a為垂向加速度參數，a=3.75e-0.003 L，但a不必大于3 m/s2；L為船長。

2.4? ?大型貨物運動判斷條件

1）靜力平衡：貨物受到的作用力有慣性力，風作用力，海浪作用力，支承結構（如甲板，底座工裝等）提供的作用力與摩擦力，額外的系固結構提供的作用力（如斜撐，鋼絲繩等）。當使貨物發生移動的作用力大于制止貨物發生移動的作用力時，貨物將發生移動，給貨物和運輸船舶帶來危險。貨物的移動可分為沿船長、船寬和垂直甲板三個方向上的移動。

2）力矩平衡：由于貨物受到的作用力并非都是作用在貨物的重心上的，因此不少作用力都會給貨物帶來力矩。當這些力矩得不到平衡時，貨物將發生翻轉傾覆。

3? ? 模型參數信息

3.1? ?導管架參數

該導管架總高為52 m，重量為850 t；依靠4個主腿站立，呈正方形根開間距為30 m×30 m，重心高度為31.7 m（距離甲板高度）。

3.2? ?船舶參數

船體總長149.8 m、水線長147.09 m、型寬40.2 m、型深8.6 m、設計吃水5.9 m、載重量20 485 t。

3.3? ?環境參數

根據《指南》要求，船舶在航行途中遇到的最大橫搖角為一般為±15°，最大縱搖角為±5°。以此作為極端工況校核導管架的系固方案是否可靠。根據實際施工經驗，此類大型鋼結構運輸船舶一般橫搖角度不會超過±8°，因此按此環境參數校核已經足夠。

3.4? ?運輸布置

導管架居中布置在運輸船上，通常一趟運輸3個導管架。為了提高運輸的安全性，通常將導管架4個主腿盡量布置在艙壁和強肋骨位置。相鄰導管架之間預留一定的起吊安全距離，如圖3所示。

4? ? 理論計算

4.1? 系固前的穩定性校核

對導管架進行受力分析如下。

如圖4所示，假定導管架通過4個腿的插尖處的4個底座工裝與駁船甲板連接在一起，則在船發生搖擺時會受到垂向力，底座提供的綁扎力與支承力，還有慣性力，風作用力與海浪作用力產生的傾覆力矩。參考《指南》可求得導管架所受外力如下。

由表1的數據可知在假定工況下如果導管架只是放在底座工裝上，兩者之間的摩擦力不足以抵消導管架的橫向作用力與縱向作用力。導管架受到的橫向穩定力矩也比橫向傾覆力矩要小。因此，導管架將會發生橫移，縱移和橫傾的運動。

4.2? ?系固后的穩定性校核

由4.1節的計算可知：在運輸過程中，導管架是不穩定的，必須進行綁扎加固。加固方式使用剛性加固的方案，具體加固方案如下：

1）導管架放置于4組底座之上。底座布置在導管架4個腿上的插尖下方，與船體甲板焊接。底座有不同高度的加高座，分別對應導管架不同的插尖長度，使得導管架處于水平放置的狀態；

2）導管架放置就位后，需要加鋼質圓管作為斜撐加固。斜撐上端通過連接板連接至導管架的插尖板上，下端通過連接板與墊板連接到有強結構（縱桁，縱骨，艙壁等）的甲板板上。

部分導管架樁腿以及下部系固方案模型如圖5所示。

由校核可知，橫向制動力安全系數為7.95，橫向抗傾覆安全系數為4.92，縱向制動力安全系數為22.78，縱向抗傾覆安全系數為13.46。加固方案完全可以克服橫向慣性力、縱向慣性力，貨物不會橫向、縱向移動；橫向穩定力矩完全可以克服橫向傾覆力矩，貨物不會發生橫向傾覆。

《指南》給出安全系數在不同工況中的取值如下。

本算例采用剛性系固，應對系固結構進行屈服應力分析，因此取用的安全系數K應為2.6（對接焊接鋼結構（剪切）），而上述校核得到的安全系數均大于2.6。因此認為該系固方案從理論計算方面足以保證本航次導管架運輸的安全性。

5? ? 有限元計算

通過理論分析可得到總體系固的強度，但是支撐底座與甲板的復雜結構難以通過理論分析進行強度校核，因此采用有限元直接計算法對甲板及系固結構進行局部強度分析。

5.1? ?有限元模型

建立底座與部分船體的有限元模型，模型采用殼體單元與梁單元結合來模擬。為節省計算資源，遠離底座布置位置的小尺寸結構如縱骨的面板，加強肘板等在建立模型時忽略[4]。

本算例主要關注系固結構強度與船體甲板強度，對導管架自身強度不作校核，因此無需建立導管架模型，通過遠端力的方式模擬導管架作用于4個支撐底座的力。

底座與船體結構材質為Q235B，材料參數按標準選取。網格尺寸最大為200 mm，最小為100 mm，單元平均質量為0.94，因此認為該模型網格的劃分是合適的。

5.2? ?邊界條件

船體兩端施加固定約束；整個模型受到重力加速度作用。由表1計算得到導管架受到三個方向的外力：橫向作用力：Fy=564.27 t， 縱向作用力：Fx=208.53 t，垂向作用力：Fz（+）=1 059 t。將上述三個外力以遠端力的形式加載至導管架樁腿部分上，作用點選擇導管架的重心位置[5]，如圖6所示。

5.3? ? 計算結果

提取整體、船體以及底座工裝三個對象的應力結果云圖和變形云圖如下。

根據有限元計算結果，船體最大應力出現在左舷底座下方的強橫梁與縱桁的交點處，底座工裝的最大應力出現在左舷縱搖下沉一端的底座的沿船長方向分布的斜撐上。

采用工作應力設計法（WSD）進行系固方案的設計分析。根據ABS的關于移動式海上鉆井平臺的規范《MOBILE OFFSHORE DRILLING UNITS》（2019），考慮了貨物隨船舶運動的各向加速度載荷，結構受力是由多個載荷組合而成，因此WSD法許用應力系數選取1.11，則結構的許用應力值為材料屈服應力/1.11，Q235B的許用應力取值為：[σ] =235/1.11=211.71 MPa。

有限元強度校核結果匯總如下。

根據計算結果，采用該系固方案后，在導管架的運輸途中，船體與底座工作的最大應力均小于材料許用應力211.71 MPa，滿足要求，且具有一定的富余度。因此認為該系固方案是可行的。

6? ? 結束語

本文建立了一個普通甲板駁船運輸導管架的模型，采用理論計算與有限元計算結合的方法對假設的系固方案進行校核，計算結果表明該系固方案是可行的，在海上風電迅猛發展的時代，通過計算校核，排除或降低風險，既預留一定的安全系數，也不過度設計冗余，從而確保風機導管架在海上運輸的安全性和經濟性。

參考文獻

[1]李峰.大件物流關鍵環節運輸方案設計研究 [D].廣州：華南理工大學，2019.

[2]楊守威.裝載重大件貨物系固方式研究 [D]. 武漢：武漢理工大學，2010.

[3]海上拖航指南[S].北京：人民交通出版社，2011.

[4]汪有軍. 重大件貨物海上運輸剛性系固校核方法探討[C]. 中國航海學會救撈專業委員會2009年年會暨救撈發展論壇，2009.

[5]葛為結，黃剛，胡躍川.駁船裝載大型導管架海上拖航分析[J].船海工程，2023 （02）.

作者簡介：劉子聃（1986- ），男，工程師。主要從事海洋工程和海上風電施工工作。

孔祥鋒（1999- ），男，助理工程師。主要從事海洋工程和海上風電施工工作。

收稿日期：2023-08-04