千米級水深鋪管船船體總縱強度校核

王文娟 周延東 高嵩 張萬里 阮志豪

摘 要：本文簡要介紹了海洋石油201鋪管船在千米級水深鋪管工況下的改造設計方案及船體總縱強度校核。為適應千米級水深海底管道鋪設作業的使用要求，需對海洋石油201船體結構及設備進行升級改造，同時通過對千米級水深海底管道鋪設及PLET下放安裝工況的船體總縱強度進行校核，證明改造升級后的海洋石油201具有足夠的總縱強度滿足千米級水深海底管道鋪設的使用要求。

關鍵詞：海洋平臺;整體拆除;棄置平臺組塊;雙船浮托法

中圖分類號：U663.2? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）02-0054-03

為緩解國家能源緊張局勢、實現可持續發展戰略，必須繼續加大新領域的開發力度，特別是深海海域的開發力度。但國內目前的整體深水技術能力、裝備狀況不能滿足我國海洋石油發展戰略，也難以適應國家海洋戰略的要求及國際海上權益與資源之爭的形勢。

為加快推進發展深水勘探裝備的進程，力爭深水領域早日獲得突破，實現我國的深水發展戰略，必須盡快建立具有自主知識產權的深水開發技術，并致力于深水起重鋪管船的自主研發。海洋石油201作為我國鋪管作業能力最強的鋪管船，在市場競爭中和國外公司鋪管船相比仍然差距明顯，主要受托管架、張緊器、A&R絞車等的制約，因此大大限制了其深水項目的作業能力，從而降低其國際競爭力。

為了提升海洋石油201的作業能力，拓展作業范圍，現需對海洋石油201的船體結構及設備進行升級改造。托管架由原來的3節增加到4節，并增加船側PLET下放安裝設備。由于船體結構及設備升級改造引起船舶重量分布變化，同時考慮千米級水深海底管道鋪設及PLET下放安裝工況， 需要對海洋石油201的船體總縱強度進行校核。

本文使用18寸、48寸大管徑海管鋪設工況以及PLET下放安裝工況，對船體總縱強度進行分析校核，這對滿足千米級深水鋪管生產需要有著重要意義。

1計算方法

1.1 計算理論

船體總縱強度是指船體結構抵抗縱向彎曲不使整體結構遭受破壞或不允許變形的能力，總縱強度對應的外力是總縱彎曲力，是作用在整個船體上的重力、浮力、波浪水動力和慣性力等[1]。

根據船體總縱強度的概念，在得出船體總縱彎曲力矩和剪力之后，可根據梁理論計算船體總縱彎曲應力和剪應力。根據梁的彎曲理論，總縱彎曲應力為[2]：

式中：

M—計算剖面的總縱彎矩

I—計算剖面對水平中和軸的慣性矩

Z—所求應力點至水平中和軸的垂直距離

船體剖面某位置處的剖面模數為：

剖面模數與外載荷無關，是表征船體結構抵抗彎曲變形能力的一個特征，也是衡量船體強度的一個重要標志。船體梁剖面的剖面模數呈線性分布，距中和軸遠，剖面模數越小。一般船體剖面的中和軸離船底近，甲板距離中和軸遠。因此甲板處的剖面模數最小[3]，本文強度校核只體現甲板處的計算結果。

進行船體總縱強度校核時應選取可能出現最大彎曲應力的危險剖面進行計算。一般船舶應包括以下區域[4]：

貨倉開口剖面;

船體骨架形式發生變化的剖面;

上層建筑端壁處剖面;

主體材料分布變化剖面;

重量分布特殊出現較大彎矩值的剖面。

1.2 數值計算方法

本文使用商用安裝分析軟件MOSES進行海洋石油201千米級水深海底管道鋪設及PLET下放安裝工況的總縱強度校核。

MOSES是一款能夠對固定式和浮式海洋結構物進行時域和頻域計算的商用軟件。MOSES可以對船體外殼進行建模，并考慮剖面模數及彈性模量，以及內部艙室進行建模，并可進行靜水力分析，可以自動生成或手動配置壓載方案，進行船體總縱強度計算和穩性計算等。

2計算工況

本文主要對海洋石油201在千米級水深海底管道鋪設及PLET下放安裝工況靜水狀態的總縱強度進行校核，主要考慮因素如下：

重量分布：空船重量、燃油淡水重量、壓載水重量、貨物重量、托管架重量、新增設備重量等;

浮力分布：各工況裝載條件下浮力沿船長的分布。

2.1重量分布

海洋石油201的空船重量沿船長方向的分布曲線如下圖所示。

除空船重量以外，其他燃油淡水重量、壓載水重量、貨物重量、托管架重量以及新增設備重量按照各個工況情況分別以分布荷載簡化以分布力的形式加載在船模里，以更好地接近實際工程效果。

2.2浮力分布

在MOSES中按照海洋石油201的型線圖及型值表建立了準確的船體模型，按照各個工況的裝載情況指定海洋石油201的吃水之后可以得到各工況下浮力沿船長的分布情況，圖2給出了MOSES模擬的海洋石油201數值模型。

2.3校核剖面

根據海洋石油201的特點和各個工況的載荷分布情況，本文選取以下危險剖面作為總縱強度校核位置。

船體彎曲許用應力為175MPa，計算得出的應力值小于175MPa即為滿足要求[5]。

2.4計算工況

為校核海洋石油201在千米級水深海底管道鋪設及PLET下放安裝工況的總縱強度，本文選取以下十二個代表工況， 其中4個鋪設18寸海管工況，4個鋪設48寸海管工況，4個PLET安裝工況。

主要計算工況如下。

鋪設18寸管徑海管工況：

Case 1-1滿載出港

Case 1-2滿載到港

Case 1-3空載出港

Case 1-4空載到港

鋪設48寸管徑海管工況：

Case 2-1滿載出港

Case 2-2滿載到港

Case 2-3空載出港

Case 2-4空載到港

安裝PLET工況：

Case 3-1滿載出港

Case 3-2滿載到港

Case 3-3空載出港

Case 3-4空載到港

各工況的裝載情況如表2所示。

3校核結果

3.1鋪設18寸管徑海管工況

3.3安裝PLET工況

圖5顯示的是PLET舷側下放系統的示意圖，該系統位于鋪管船第78肋位左舷處，安裝PLET工況加載位置按照表5的四個工況進行計算校核。

4結論

本文通過MOSES軟件對改造升級后的海洋石油201在千米級水深海底管道鋪設及PLET下放安裝工況下的船體總縱強度進行了校核，校核結果驗證了海洋石油201的能力，表明船體總縱強度不是限制海洋石油201深海鋪管能力的因素，改造升級后的海洋石油201具有足夠的總縱強度完成千米級水深海底管道鋪設及PLET下放安裝作業。

海洋石油201的作業能力提升以后，在深水海管項目中更具競爭力，有助于其拓展業務范圍，進軍深水領域，同時也有利開拓國際市場，推進我國深水戰略發展。

參考文獻：

[1]王少青，杜嘉立，徐邦禎.船舶總縱強度的校核[J].大連海事大學學報， 2003，29（3）.

[2]王杰德. 船體強度與結構設計[M]. 北京：國防工業出版社， 1995

[3]黃婉玲.內河鋼質船舶完工總縱強度的校核[J]，船舶檢驗， 2010

[4]中華人民共和國海事局.內河船帕法定檢驗技術規則（2004）[S]，北京：人民交通出版社

[5]中國船級社鋼質內河船舶建造規范（2009）[S]，北京：人民交通出版社