深水起重鋪管船結構強度分析

汪戰軍 孫雪榮

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

0 引 言

起重鋪管船是集海洋結構物吊裝、石油天然氣管道鋪設于一體的海洋工程裝備。隨著越來越多海上油氣田的開采，起重鋪管船在油氣田開采生產的產業鏈中具有舉足輕重的作用。它既可以在油氣田開采前期進行導管架等海上結構物的吊裝，又可以在油氣田開采后期進行管道鋪設，將石油天然氣輸送至陸地進行加工［1］。

本文將闡述深水起重鋪管船結構形式，并對總縱強度和艉部結構強度進行詳細介紹。

1 船型及結構形式

1.1 主要參數

本文介紹的深水起重鋪管船是一艘電力推進、自航起重的全電焊鋼質鋪管船。船艏呈流線型，方形船艉和圓角舭部，船艏設居住區及直升飛機平臺，船艉設置了1臺固定吊4000 t、全回轉吊3500 t的大型海洋工程起重機，以及1臺作業水深3000 m的固定式托管架。該船航行于無限航區，并可在滿足特定作業環境條件的海域進行作業，主要用于大型海洋工程結構物及設備的吊裝，石油、天然氣海底輸送管道的鋪設。其主要參數如下:

作業工況和待命工況下的環境條件見表1。

表1 鋪管、起重作業工況和待命工況的環境條件

1.2 船體結構形式

本船設有雙層連續甲板，A甲板中后部布置管子堆場及管子傳輸系統，主甲板布置鋪管作業系統。A甲板下的中后部設有4道縱艙壁，將艙室劃分為左右舷縱向管子傳輸線，中部為鋪管作業線。主甲板下設有2道全船貫穿的連續邊縱艙壁和7道水密艙壁；根據功能布置需要，設有多層局部平臺，邊縱艙壁之間設有雙層底，邊縱艙壁以外為單底結構。

本船采用抵抗總縱彎曲和屈曲的能力更強的縱骨架式結構（包括主船體、上層建筑和甲板室等）。為了控制板格大小，防止板格屈曲，縱骨間距取650 mm或700 mm；同時，基于主船體艙內布置盡可能減少加設支柱對總體布置空間的影響以及甲板載荷的考慮等因素，甲板強橫梁的腹板高度又不宜太高；而且，為了合理控制船體結構質量和減少船廠焊接工作量，每4個肋位設置由甲板強橫梁、舷側強肋骨、艙壁垂直桁和底部肋板組成的橫向強框架，以支撐縱向構件，并保證船體橫向強度［2］。

考慮到A甲板10 t/m2的結構負載與總縱強度對A甲板縱向構件起決定作用，A甲板到主甲板之間的結構（包括A甲板結構）均采用最小屈服極限為355 N/mm2的高強度鋼。另外，本船艉部是高載荷、高應力區，在通過局部加厚板緩解應力過分集中的同時，為了提高艉部結構強度和應力標準、抗高載荷能力，艉部區域內的結構采用最小屈服極限為355 N/mm2的高強度鋼；其余區域結構（包括上層建筑、甲板室等）采用屈服極限為235 N/mm2的低碳鋼。

2 船體結構強度分析

2.1 波浪載荷預報

本船的主尺度比超出船級社規范的要求，波浪載荷通過直接計算確定。波浪載荷計算借助DNV船級社開發的SESAM/WADAM和SESAM/POSTRESP程序。建立船體的三維濕表面模型和質量模型，按照三維繞輻射勢流理論，計算作用在船體上的流體動力，獲得波浪誘導的船體剖面剪力和彎矩載荷響應的傳遞函數；進而對航行調遣工況采用北大西洋波浪散布圖進行長期預報，其概率水平取為10-8；鋪管作業工況、起重作業工況和待命工況根據海況條件進行短期預報（見表1）。

波浪彎矩和剪力沿船長分布見圖1、圖2。波浪載荷預報結果見表2。

圖1 波浪彎矩分布圖

圖2 波浪剪力分布圖

表2 波浪載荷預報結果

2.2 船體總縱強度

本船總縱強度分析根據中國船級社CCS《鋼質海船入級規范》［3］和美國船級社ABS《鋼質海船建造與入級規范》［4］的相關要求，選取典型的航行調遣工況、鋪管作業工況、全回轉吊起重作業工況、艉部固定吊起重作業工況和待命工況等5個工況，進行總縱彎曲強度、剪切強度和屈曲強度校核。靜水彎矩和剪力沿船長分布見圖3、圖4。

圖3 靜水彎矩分布圖

圖4 靜水剪力分布圖

由于本船的上層建筑布置在艏部，大型海洋工程起重機和托管架布置在艉部，而且起重機和托管架均設置船體中心線上，船體梁在各裝載工況中均處于中拱狀態，尤其是在起重作業和鋪管作業時，會產生很大的靜水彎矩和靜水剪力。因此，提高鋪管作業和起重作業下，船體結構抵抗總縱彎曲和剪切的能力是本船總縱強度設計的關鍵。

對于產生很大靜水彎矩和剪力的船舶，設置全船貫穿的連續縱艙壁，對提高船體梁的彎曲強度、剪切強度和剛度就顯得尤為重要。

2.3 艉部結構強度

本船艉部起重機作業時，使船體梁在艉部承受高載荷，產生高應力；在艉吊作業時，船體艉部區域會產生較大的彎矩和剪力；在全回轉吊作業時，對船體結構產生彎矩和剪力外，還會產生較大的扭矩。

起重機基座加強采用能提供足夠均勻承載能力的“井”字形艙壁加強形式，即:艉部整個型寬范圍內設置2道橫向艙壁，以及在起重機筒體中心線兩側各設置1道局部縱艙壁，該2道縱艙壁艉部連接至艉封板，艏部過渡為甲板縱桁和旁桁材。此外，在起重機筒體與主要支撐艙壁連接處，采用加厚甲板下局部板格來緩解該處的應力集中。

在進行鋪管作業時，托管架主要承受管線上管子自重（作業達3000 m時，懸浮管子重約600 t）和環境載荷。A字架頂部支撐點承受較大的拉力，采用厚板與艉部起重機筒體基座相連接。托管架和底部支撐點承受較大的壓力，與艉部主船體內的短縱壁連接，并依次過渡為船底縱桁或縱骨。

艉部結構強度分析借助通用的三維有限元軟件MSC/PATRAN和NASTRAN建立艉部局部有限元模型來完成，模型示意圖見圖5。考慮到工程實際作業中，艉部起重機和托管架是單獨作業，分別施加起重機載荷和托管架對船體的反力進行分析和校核。

圖5 艉部結構有限元模型

典型工況下的起重機筒體加強結構應力云圖見圖6。托管架加強結構應力云圖見圖7。

圖6 起重機有限元分析應力云圖

圖7 托管架有限元分析應力云圖

3 結 論

本文闡述了深水起重鋪管船結構形式，結合總縱強度和艉部強度分析，起重鋪管船在結構設計過程應注意以下幾點:

（1）該類工程船的彎矩和剪力沿船長的分布與常規運輸船會略有不同，船體總縱強度結構設計時尤其要注意艉部起重機區域的剪切強度。

（2）利用該類工程船大量的壓載水艙，在滿足船舶總體性能的前提下，通過對各壓載水艙的裝載配置比較，得出最優化的靜水彎矩和剪力，從而降低對總縱強度的要求。

（3）主船體內設艏艉貫穿的連續縱艙壁，對總縱強度、剛度、局部強度和橫向強度的作用不容忽視。

（4）船體高強度鋼的應用會大大提高船體的總體強度能力，減少船體重量，但也直接削弱船體整體剛度。該類工程船中，一般只在高應力區采用高強度鋼，占全船鋼料的20%～30%。

（5）對于起重鋪管船而言，艉部是高載荷、高應力區域，除設置必要的結構加強型艙壁或高腹板桁材外，局部應力集中也需要特別注意，具體可采用加厚板過渡、設置軟趾肘板等方式緩解應力集中。

［1］李含萍，閔兵，康為夏.鋪管船前景及船型開發［J］.船舶，2009（2）:1-4.

［2］喬國瑞，孫雪榮，周佳.3000 t自航起重船結構設計與強度分析［J］.船舶，2011（5）:21-26.

［3］中國船級社.鋼質海船入級規范［M］.北京:人民交通出版社.2012.

［4］ABS.Rules for Building and Classing Steel Vessels［S］.2012.