潛水支持船減壓艙和船艏舷側(cè)加強結(jié)構(gòu)設(shè)計

董晨霞

(天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司，上海 201612)

0 引言

近年來，海上油氣資源開發(fā)向更深海域發(fā)展，高規(guī)格的深水船舶需求日益增加。飽和潛水支持船作為海洋工程支持船舶中的高端裝備，能夠為潛水人員創(chuàng)造適宜的工作環(huán)境，使其在高壓強條件下完成水下安裝、檢查和維修等作業(yè)。該船型廣泛應(yīng)用于海底施工作業(yè)、水下資源勘探、搜救作業(yè)等領(lǐng)域，具有廣闊的市場前景。

飽和潛水系統(tǒng)由減壓艙、氦氧混合氣體儲存罐、氣體凈化系統(tǒng)、潛水鐘、潛水鐘回收釋放系統(tǒng)、生命支持系統(tǒng)、應(yīng)急逃生系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。減壓艙作為飽和潛水系統(tǒng)中的一個特殊設(shè)備，工作人員下潛工作前后均需在減壓艙內(nèi)加減壓或等待下批工作安排。為了保證減壓艙的正常使用，其下端的加強結(jié)構(gòu)除必須滿足規(guī)范強度要求外，還應(yīng)滿足額外的變形量要求。本文以設(shè)置單套潛水設(shè)備的船型二為例，選取減壓艙下端的加強結(jié)構(gòu)基于規(guī)范的要求和設(shè)備使用的要求對其設(shè)計進(jìn)行闡述，船型一的雙套潛水設(shè)備中的每套減壓艙的加強結(jié)構(gòu)設(shè)計與船型二同理。

另外，基于DNA船級社對于潛水支持船艏舷側(cè)結(jié)構(gòu)的要求不同于CCS船級社和ABS船級社，本文選取入級DNV船級社的船型一作為研究對象，對其船首舷側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計的不同要求進(jìn)行闡述。

1 兩種船型的介紹

1.1 船型一

(1)主尺度：總長124 m，型寬24 m，設(shè)計吃水6.5 m，型深10.2 m。

(2)主要設(shè)備：設(shè)有2臺艉部全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、2臺艏部伸縮式推進(jìn)器和2臺艏部管道式側(cè)推；1臺主吊機、1臺副吊機；固定式24人雙鐘300 m水深飽和潛水系統(tǒng)以及空氣潛水作業(yè)系統(tǒng)。

(3)結(jié)構(gòu)形式：雙底、雙殼，兩層連續(xù)甲板，船艏設(shè)有長艏樓和五層甲板室及一個直升機平臺。

(4)入級船級社：CCS/DNV。

1.2 船型二

(1)主尺度：總長93.6 m，型寬23 m，設(shè)計吃水6.0 m，型深8.6 m。

(2)主要設(shè)備：設(shè)有2臺艉部全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、1臺艏部折翼式推進(jìn)器和2臺艏部管道式側(cè)推；1臺主吊機、1臺副吊機； 固定式12人單鐘300 m水深飽和潛水系統(tǒng)以及空氣潛水作業(yè)系統(tǒng)。

(3)結(jié)構(gòu)形式：雙底、雙殼，兩層連續(xù)甲板，船艏設(shè)有長艏樓和三層甲板室及一個直升機平臺。

(4)入級船級社：ABS。

2 減壓艙基座及下端加強結(jié)構(gòu)設(shè)計

船型一和船型二每套潛水設(shè)備各配有3個減壓艙，減壓艙之間通過連接管路連接。由于減壓艙內(nèi)部有一定的壓強，為防止氣體泄漏造成艙室內(nèi)壓強的變化，因而對連接管與設(shè)備的密封性要求比較高。基于減壓艙之間對接精度要求高，且船體變形不能影響對接精度，因而對減壓艙下的支撐結(jié)構(gòu)提出了比較高的要求，以保證在航行過程中不論中拱狀態(tài)或中垂?fàn)顟B(tài)下任意一個減壓艙和鄰近減壓艙的下支撐結(jié)構(gòu)之間的相對變形量最大不能超過1 mm。考慮到減壓艙的上述要求，必須對該區(qū)域結(jié)構(gòu)采取加強、加密處理措施，即在設(shè)備下方增加了強構(gòu)件及支柱等主要支撐結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行一系列的強度和變形分析來保證達(dá)到上述要求。

2.1 減壓艙基座及下端加強結(jié)構(gòu)強度分析

對減壓艙基座及下端加強結(jié)構(gòu)采用三維有限元模型進(jìn)行強度分析時，為減小邊界條件對模型計算結(jié)果的影響，所取邊界距離評估目標(biāo)保留一定的距離。模型縱向范圍選取了減壓室前后各半個艙室；橫向范圍選取了從左舷到右舷；垂向范圍選取了船底到平臺甲板以上約2 400 mm的范圍(減壓艙放置在平臺甲板上)。模型中涵蓋了該范圍內(nèi)的所有板、縱、橫強框架、縱骨等構(gòu)件。模型中網(wǎng)格大小約為1/2的骨材間距。模型中縱骨、強構(gòu)件面板、支柱、扶強材采用梁單元，其余構(gòu)件采用板單元。模型示意圖如圖1所示，減壓艙與基座及下端加強結(jié)構(gòu)連接示意圖如圖2所示。

圖1 模型示意圖

圖2 減壓艙與基座及下端加強結(jié)構(gòu)連接示意圖

2.1.1模型載荷

根據(jù)ABS規(guī)范第5篇第5章，設(shè)計載荷應(yīng)不小于下述值：

垂向載荷PV=0.102(x-L/70)W

縱向載荷PL=橫向載荷PT=0.5W

式中：x為系數(shù)，實取x=15；L為結(jié)構(gòu)船長，L=87.35 m;W為設(shè)備重量，W=2 551 N(選取最重的減壓艙)。

經(jīng)計算，PV=3 578 N，PL=PT=1 276 N。

2.1.2邊界條件

邊界條件考慮了線位移約束<0,0,0>，角位移約束<0,0,0>。邊界示意如圖3所示。

圖3 邊界示意圖

2.1.3許用應(yīng)力

板單元和梁單元相當(dāng)應(yīng)力σe=0.7Y，板單元剪應(yīng)力τ=0.4Y。

式中：Y為材料屈服應(yīng)力，普通鋼取235 MPa。

經(jīng)計算，σe=164.5 MPa，τ=94 MPa。

2.1.4校核結(jié)果

板單元的相當(dāng)應(yīng)力最大值為47.5 MPa<σe; 板單元剪應(yīng)力最大值為25.4 MPa<τ；梁單元相當(dāng)應(yīng)力最大值為39.1 MPa<σe。

2.2 減壓艙基座及下端加強結(jié)構(gòu)變形分析

減壓艙基座及下端加強結(jié)構(gòu)采用三維有限元模型對其變形進(jìn)行分析。模型縱向范圍選取了減壓室前后各半個艙室；橫向范圍選取了從左舷到右舷；垂向范圍選取了船底到主甲板。模型中涵蓋了該范圍內(nèi)的所有板、縱橫強框架、縱骨等構(gòu)件。模型中網(wǎng)格大小約為1個骨材間距。模型中縱骨、強構(gòu)件面板、支柱、扶強材采用梁單元，其余構(gòu)件采用板單元。

2.2.1模型載荷

2.2.1.1舷外水壓力

舷外水壓力考慮了船舶的結(jié)構(gòu)吃水高度的舷外載荷，其示意圖如圖4所示。

圖4 舷外載荷示意圖

2.2.1.2設(shè)備載荷

減壓艙的重量分別為236、236、255 kN。模型加載中考慮了1.5倍的載荷系數(shù)，其示意圖如圖5所示。

圖5 設(shè)備載荷示意圖

2.2.1.3重量分布

有限元模型中重量分布考慮了核算區(qū)域的所有設(shè)備、鋼結(jié)構(gòu)、舾裝設(shè)備、壓載水、油水等重量。

2.2.1.4邊界彎矩

考慮到船舶在航行過程中，船體產(chǎn)生的總縱彎曲對設(shè)備底座區(qū)域的變形量有一定的影響，模型中模擬了該區(qū)域許用的中拱和中垂合成彎矩。

2.2.2邊界條件

邊界條件考慮了尾端線位移約束<0,0,0>，角位移約束<0,-,->；首端線位移約束<-,0,0>，角位移約束<0,-,0>。0表示約束，-代表放開(不約束)。其示意圖如圖6所示。

圖6 邊界條件示意圖

2.2.3計算結(jié)果

選取了減壓艙下每個鞍板與基座連接區(qū)域的中點位置作為考核點，分別命名為P1，P2，P3，M1，M2，M3，S1，S2，S3，考核點示意如圖7所示。計算后考核點的絕對位移數(shù)值分別見表1和表2。

圖7 考核點示意圖

從表1和表2可以看出，不論在中拱狀態(tài)還是中垂?fàn)顟B(tài)，單個減壓艙基座上表面與減壓艙底座連接區(qū)域之間臨近點的相對位移最大值為0.31 mm，小于變形量不能超過<1 mm要求。

表1中拱狀態(tài)下考核點的位移值mm

中拱狀態(tài)1絕對位移2絕對位移3絕對位移最大相對位移XP0.31500.30700.2880M0.38700.38400.3670S0.35900.35900.35900.0790YP0.09330.10600.1440M0.03880.04390.0535S0.03150.04240.06030.0905ZP9.94009.72009.4400M9.63009.5009.3300S9.64009.49009.25000.3100

表2中垂?fàn)顟B(tài)下考核點的位移值mm

中垂?fàn)顟B(tài)1絕對位移2絕對位移3絕對位移最大相對位移XP0.10300.08660.0847M0.13800.11700.1120S0.09490.09490.09480.0431YP0.02350.02960.0498M0.04160.03960.0375S0.07940.06430.03980.0378ZP6.83006.75006.6100M6.75006.73006.5800S6.85006.83006.79000.2100

3 船艏舷側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到不同船級社對船艏部舷側(cè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求有所不同，比如挪威船級社(DNV)要求自艏垂線起向后0.1L(L指結(jié)構(gòu)船長)之間與夏季載重線以上的區(qū)域要考慮波浪對艏部舷側(cè)結(jié)構(gòu)的砰擊，需要對上述區(qū)域的構(gòu)件進(jìn)行加強，而中國船級社(CCS)和美國船級社(ABS)對潛水支持船的船艏舷側(cè)結(jié)構(gòu)沒有上述要求。需要考核的砰擊示意圖如圖8所示。基于上述的區(qū)別，本文按照DNV船級社的要求對該區(qū)域的舷側(cè)外板的板厚要求進(jìn)行計算與分析，以體現(xiàn)不同要求對應(yīng)的不同取值。

3.1 艏部砰擊壓力的計算

按DNV規(guī)范第3篇第1章要求，對艏部砰擊壓力Ps1進(jìn)行計算。

選取垂向范圍：主甲板至第一甲板間；縱向范圍：Fr154周邊區(qū)域。

式中：C為系數(shù)，C=1.0；Cf為系數(shù)，Cf=0.71；β為水線和縱軸的夾角系數(shù)，β=0.7；V為航速，V=14.5 kn；

L′為結(jié)構(gòu)船長，L′=117.32 m。

經(jīng)計算，Ps1=304.86 MPa。

3.2 外板厚度的核算

按DNV規(guī)范第3篇第1章要求，艏部受波浪砰擊區(qū)域外板厚度t1不小于下式計算所得之值：

式中：ka為系數(shù)，ka=1；σf為材料屈服應(yīng)力,σf=235 MPa；s為扶強材間距，s=0.748 m。

經(jīng)計算，t1=11.79 mm。

3.3 船艏舷側(cè)結(jié)構(gòu)比較

按DNV、CCS和ABS規(guī)范要求的距艏垂線0.1L區(qū)域構(gòu)件示意圖分別如圖9、圖10所示。

通過圖9、圖10對比發(fā)現(xiàn)，按DNV規(guī)范計算的舷側(cè)構(gòu)件規(guī)格要大于按CCS和ABS規(guī)范計算的舷側(cè)構(gòu)件規(guī)格。

hd—夏季載重線到上甲板線之間的垂向距離；α1, α2—考核

面到夏季載重線和上甲板線的距離，如果α1,α2差異比較大，還需要增加考核面；β—水線和縱軸的夾角。

圖8 需考核的砰擊區(qū)域示意

圖9 按DNV規(guī)范要求的距艏垂線0.1 L′

圖10 按CCS和ABS規(guī)范要求的距艏垂線0.1 L′

4 結(jié)語

(1)進(jìn)行潛水支持船減壓艙加強結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)注意減壓艙區(qū)域變形量的特殊要求，采用局部結(jié)構(gòu)加強并結(jié)合三維有限元分析手段校核該區(qū)域的變形量，以滿足設(shè)備的使用要求；為減壓艙提供壓縮空氣的氦氧混合氣體儲存罐頂部構(gòu)件選取時要考慮到空氣罐頂部有連接管路，要預(yù)留一定的空間。

(2)潛水支持船艏舷側(cè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)注意不同船級社對于該類型船艏舷側(cè)結(jié)構(gòu)的不同要求，要重點區(qū)分入級符號，便于對相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行核查，同時設(shè)計時可以考慮減小艏部外飄的程度或加密骨架，以達(dá)到比較經(jīng)濟的目的。

參考文獻(xiàn)：

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