海洋平臺(tái)鐵舾裝減重研究

夏廣印，杜之富

中集海洋工程研究院有限公司，山東 煙臺(tái) 264670

海洋平臺(tái)的系統(tǒng)復(fù)雜，成本高昂，作業(yè)環(huán)境比較惡劣，空船重量會(huì)對(duì)作業(yè)能力起到至關(guān)重要的影響，所以對(duì)空船重量控制十分嚴(yán)格。有些船東甚至?xí)苯影阎亓靠刂颇繕?biāo)寫(xiě)入合同，有半潛式鉆井平臺(tái)達(dá)到了每超重1 t 罰款20 000 美元這樣的超重處罰條款。另外，海工企業(yè)對(duì)海洋平臺(tái)的重量控制也十分嚴(yán)格，尤其是對(duì)鋼結(jié)構(gòu)、重大設(shè)備的重量有嚴(yán)格要求。企業(yè)在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造環(huán)節(jié)都十分重視，也會(huì)在采購(gòu)設(shè)備時(shí)把重量控制要求寫(xiě)入采購(gòu)合同，但對(duì)于鐵舾裝的重量往往流于形式，并沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)格的考核機(jī)制。在海工企業(yè)中，鐵舾裝工程師往往不會(huì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算，而僅限于個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)，普遍參考前面的項(xiàng)目來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。參考的鏈條長(zhǎng)了以后，出于保守考慮，就自然會(huì)變得強(qiáng)度余量過(guò)大，從而造成超重。

如果想提升鐵舾裝工程師的整體設(shè)計(jì)水平，使其都具備像結(jié)構(gòu)工程師一樣的強(qiáng)度計(jì)算能力并不現(xiàn)實(shí)。這就需要提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)模板，讓鐵舾裝工程師照模板進(jìn)行設(shè)計(jì)，即能滿足強(qiáng)度，又不會(huì)產(chǎn)生太大的設(shè)計(jì)余量。基于上述目的，本文以花鋼板的設(shè)計(jì)為例展開(kāi)鐵舾裝件設(shè)計(jì)研究。

1 規(guī)范設(shè)計(jì)分析研究

作者查閱了相關(guān)的船級(jí)社規(guī)范、海上人命安全 公 約 和Mobile Offshore Drilling Units（MODU）Code 的相關(guān)要求，發(fā)現(xiàn)對(duì)于花鋼板設(shè)計(jì)，規(guī)范僅有保證安全的指導(dǎo)性要求。

本文參考船體結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)定，研究適用于花鋼板的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，設(shè)計(jì)出符合安全性的指導(dǎo)性要求數(shù)據(jù)表格，可以指導(dǎo)工程師對(duì)照表格進(jìn)行相關(guān)材料規(guī)格的選型。

根據(jù)花鋼板的實(shí)際使用位置情況分類，花鋼板的使用分為室內(nèi)和室外2 種；根據(jù)安裝形式又分為螺釘連接和焊接2 種形式。而室外的花鋼板，出于防腐的要求，均為焊接連接。

1.1 花鋼板的規(guī)范計(jì)算依據(jù)

鋪花鋼板的區(qū)域均為機(jī)械區(qū)，但花鋼板自身并不承受機(jī)械設(shè)備的載荷，通常花鋼板厚度為4.5 mm或5.0 mm。

1.1.1 美國(guó)船級(jí)社設(shè)計(jì)依據(jù)

依據(jù)美國(guó)船級(jí)社(以下簡(jiǎn)稱ABS)的MODU 3-1-3/1.11.3，對(duì)于工作區(qū)域，取1.28 m 的設(shè)計(jì)壓頭[1]。

計(jì)算花鋼板的強(qiáng)度參考甲板室的計(jì)算，考慮1 mm 的腐蝕余量。根據(jù)MODU3-2-3/15.5 計(jì)算甲板室板厚的公式[1]為

根據(jù)式(1)，可以推出花鋼板的間距s 計(jì)算公式：

由于花鋼板的厚度為4.5 mm 或5.0 mm，可以推導(dǎo)出花鋼板的大支撐間距在板厚4.5 mm 時(shí)為1.03 m；板厚5.0 mm 時(shí)為1.18 m。如果所處的環(huán)境較好，可以不考慮腐蝕余量，則允許的最大支撐距離分別為1.33 和1.47 m。

由于式(1)的前提條件是花鋼板與型材進(jìn)行焊接，邊界條件相當(dāng)于固支；而有時(shí)是采用的螺栓連接，邊界條件相當(dāng)于簡(jiǎn)支。顯然不能直接采用式(2)的計(jì)算結(jié)果。由于規(guī)范的板也是基于梁理論來(lái)推導(dǎo)的，所以對(duì)于邊界條件為簡(jiǎn)支的情況可以根據(jù)梁理論進(jìn)行反推[2]。根據(jù)受均布載荷的受力模式分析，簡(jiǎn)支和固支條件下的最大彎矩分別如下文公式所示。

簡(jiǎn)支條件下，整個(gè)跨度內(nèi)受均布載荷[3]，最大彎矩和最大剪力分別為

式中：Q 為整個(gè)跨度內(nèi)的總載荷； l為跨距。

而兩端固支，受均布載荷的條件下，最大彎矩在兩固支點(diǎn)位置，最大剪力也在兩固支點(diǎn)位置。最大彎矩和最大剪力分別為[2]

對(duì)比固支與簡(jiǎn)支的最大彎矩和最大剪力會(huì)發(fā)現(xiàn)，同等載荷同等彎矩條件下，簡(jiǎn)支的最大彎矩是固支的1.5 倍。而根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]的推導(dǎo)過(guò)程可知，板厚的平方與最大彎矩成正比。所以對(duì)于螺栓連接花鋼板，板厚的公式可以由式(1)演變?yōu)?/p>

根據(jù)式(3)，可以推導(dǎo)出螺栓連接花鋼板間距s 的計(jì)算公式：

可以算出花鋼板的最大支撐間距在板厚4.5 mm時(shí)為0.84 m；板厚5.0 mm 時(shí)為0.96 m。如果所處的環(huán)境較好，可以不考慮腐蝕余量，則允許的最大支撐距離分別為1.08 m 和1.20 m。

對(duì)于花鋼板下的支撐構(gòu)件，通常選用工字鋼。前面給定了支撐間距，后面就需要確定支撐構(gòu)件的規(guī)格。為了使設(shè)計(jì)規(guī)范化，確定花鋼板下的支撐構(gòu)件的有效支撐距離不超過(guò)3.5 m。剖面模數(shù)(ABS 標(biāo)準(zhǔn))計(jì)算公式仍然采用甲板室的計(jì)算[1]：

對(duì)于不同厚度下的間距取值由表1 列出。

表1 不同情況下的型材規(guī)格

由于鋪設(shè)花鋼板的位置一般都成長(zhǎng)條形，并且離下面的鋼結(jié)構(gòu)甲板很近，作為夾層使用，所以不必像常規(guī)的鋼結(jié)構(gòu)一樣設(shè)置強(qiáng)梁，一般支撐到兩側(cè)的鋼結(jié)構(gòu)上即可。如果確實(shí)有需要提供支撐，可以設(shè)置支柱。由于支柱的高度比較小，為了采購(gòu)和安裝方便，采用同一規(guī)格的型材作為支柱即可。

1.1.2 中國(guó)船級(jí)社設(shè)計(jì)依據(jù)

依據(jù)中國(guó)船級(jí)社(以下簡(jiǎn)稱CCS)的《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》2-2-5/2.5.1.2 規(guī)定，作業(yè)區(qū)域的設(shè)計(jì)載荷為p=9 kN/m2[4]。

依據(jù)CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》2-3-2/3.2.7.8，板厚計(jì)算公式[4]為

式中K 為材料系數(shù)，對(duì)于普通鋼K=1。對(duì)比式(5)和(1)可以發(fā)現(xiàn)，CCS 和ABS 計(jì)算公式是完全一樣的。所以型材間距的計(jì)算同樣可以采用式(2)進(jìn)行計(jì)算。

由于CCS 規(guī)定的設(shè)計(jì)載荷為9 kN/m2，需要換算成設(shè)計(jì)壓頭。根據(jù)CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》2-3-2/3.2.3.2，設(shè)計(jì)載荷等效設(shè)計(jì)壓頭h=0.14p+0.3=1.56 m[4]。

根據(jù)式(2)，可以算出花鋼板的大支撐間距在板厚4.5 mm 時(shí)為0.93 m；板厚5.0 mm 時(shí)為1.07 m。如果所處的環(huán)境較好，可以不考慮腐蝕余量，則允許的最大支撐距離分別為1.20 m 和1.33 m。

根據(jù)式(4)，可以計(jì)算出進(jìn)行螺栓連接時(shí)的花鋼板最大允許支撐間距在板厚4.5 mm 時(shí)為0.84 m；板厚5.0 mm 時(shí)為0.96 m。如果所處的環(huán)境較好，可以不考慮腐蝕余量，則允許的最大支撐距離分別為1.08 和1.20 m。

花鋼板下的支撐構(gòu)件，參考《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》2-3-2/3.2.7.9 執(zhí)行[4]，剖面模數(shù)(CCS 標(biāo)準(zhǔn))為

式中K 為材料系數(shù)，普通鋼K=1。

對(duì)于不同厚度下的間距取值由表2 列出。

表2 按CCS 規(guī)范計(jì)算不同情況下的型材規(guī)格

1.1.3 挪威?勞氏船級(jí)社設(shè)計(jì)依據(jù)

依據(jù)挪威?勞氏船級(jí)社(以下簡(jiǎn)稱DNVGL)的規(guī) 范 DNVGL-OS-C101-Design of Offshore Steel Structures, General (LRFD Method)(2-2-4.2)規(guī)定，設(shè)備間(也稱“機(jī)械區(qū)”)取設(shè)計(jì)載荷為5 kN/m2[5]。

根據(jù)DNVGL-OS-C101 中2-4-6/6.3，板厚計(jì)算公式[5]為

由式(6)可以推導(dǎo)出型材間距的計(jì)算公式：

式中：ka為板格的比例系數(shù)，通常長(zhǎng)寬比都大于3，取ka=1； pd為設(shè)計(jì)壓力，由前文可知 pd=5 kN/m2;σpd1為設(shè)計(jì)許用彎曲應(yīng)力，按靜載設(shè)計(jì)，取1.67 的安全系數(shù)， σpd1=141 MPa ； kpp為邊界條件系數(shù)，對(duì)于焊接花鋼板，按固支設(shè)計(jì)， kpp=1；對(duì)于螺栓連接花鋼板，按簡(jiǎn)支設(shè)計(jì)， kpp=0.5。

根據(jù)式(7)得出最大允許支撐間距。焊接花鋼板厚度為4.5 mm 時(shí)允許最大支撐間距為1.51 m；板厚為5.0 mm 時(shí)允許最大支撐間距為1.68 m。但是，從式(6)可以看出，并沒(méi)有考慮腐蝕余量，如果考慮1 mm 的腐蝕余量，厚度為4.5 mm 時(shí)允許最大支撐間距為1.18 m；板厚為5.0 mm 時(shí)允許最大支撐間距為1.34 m。

螺栓連接花鋼板厚度為4.5 mm 時(shí)允許最大支撐間距為1.07 m；板厚為5.0 mm 時(shí)允許最大支撐間距為1.19 m。如果考慮1 mm 的腐蝕余量，花鋼板厚度為4.5 mm 時(shí)允許最大支撐間距為0.83 m；板厚為5.0 mm 時(shí)允許最大支撐間距為0.95 m。

花鋼板下的支撐構(gòu)件[5]，參考DNVGL-OSC101, Design of Offshore Steel Structures,General-LRFD Method 2-4-6/6.4.1 執(zhí)行，剖面模數(shù)(DNVGL 標(biāo)準(zhǔn))為

式中：型材跨距取l=3.5 m；設(shè)計(jì)壓力 pd=5 kN/m2；彎曲支撐的形式，焊接時(shí)按固支計(jì)算 km=12，螺栓連接時(shí)按簡(jiǎn)支計(jì)算 km=8； 許用設(shè)計(jì)彎曲應(yīng)力 σpd2同前面的板材計(jì)算，取 σpd2=141 MPa；端部形式系數(shù)kps， 焊接時(shí)按固支計(jì)算， kps=1.0，螺栓連接時(shí)按簡(jiǎn)支計(jì)算， kps=0.9。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出不同狀態(tài)下的型材規(guī)格。對(duì)于不同厚度下的間距取值由表3 列出。

表3 按DNVGL 規(guī)范計(jì)算不同情況下的型材規(guī)格

對(duì)比表1～3 分別采用3 家船級(jí)社規(guī)范計(jì)算的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，CCS 的設(shè)計(jì)最為保守，DNVGL 的設(shè)計(jì)安全余量最小。通常情況下無(wú)論入級(jí)是哪個(gè)船級(jí)社，可以按ABS 的規(guī)格進(jìn)行取值，因?yàn)檫@部分不需要船級(jí)社的審查。

1.2 花鋼板的力學(xué)計(jì)算依據(jù)

從上面的規(guī)范計(jì)算依據(jù)來(lái)看，前提條件都是花鋼板承受均布載荷，而花鋼板在實(shí)際使用時(shí)承受的均布載荷只有自重，而承受人員重量、人員攜帶的工具重量、臨時(shí)放置的小型設(shè)備重量、維修時(shí)放置的設(shè)備零部件的重量，它們的特點(diǎn)是接觸面積較小、重量較輕，一般在9.81 kN 以下。所以這一部分的載荷計(jì)算應(yīng)該按接觸正應(yīng)力計(jì)算。

從規(guī)范來(lái)看，DNVGL 也在也在Design of Offshore Steel Structures, General-LRFD Method 2-2/4.2中規(guī)定了設(shè)計(jì)點(diǎn)應(yīng)力水平，為5 kN。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)9.81 kN 的接觸點(diǎn)應(yīng)力是足夠的。但是，由于設(shè)備的放置是臨時(shí)性的，放置時(shí)考慮到花鋼板的強(qiáng)度較弱，需要進(jìn)行墊鋼板來(lái)加強(qiáng)。而經(jīng)常性的載荷為人的載荷，按每個(gè)人攜帶工具時(shí)最大重量1 kN 計(jì)算，考慮2 個(gè)人站在一起協(xié)同操作的極限工況。

等厚矩形板的最大應(yīng)力[6]和最大撓度[7]計(jì)算如下。在四邊固支、中間承受集中力的情況下，受到最大應(yīng)力與最大撓度分別為

式中： α為系數(shù)，與長(zhǎng)寬比相關(guān)，取1.008；P 為集中壓力，分P=9.81 kN 和P=2 kN 這2 種情況； β為系數(shù)，和長(zhǎng)寬比相關(guān)，取0.079 17；b 為支撐寬度，同式(2)中的s，取值按式(2)計(jì)算；E 為彈性模量，取值 2.1×105MPa。

以ABS 規(guī)范設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，板厚分為4.5 和5.0 mm 這2 種情況，每種板厚情況又分別考慮腐蝕余量和不考慮腐蝕余量，計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

表4 焊接花鋼板最大正應(yīng)力和最大撓度

從表4 可以看出，在臨時(shí)放置設(shè)備時(shí)，無(wú)論是最大正應(yīng)力，還是最大撓度，如不墊鋼板進(jìn)行臨時(shí)性加強(qiáng)，均不滿足要求，會(huì)產(chǎn)生較大的變形，應(yīng)力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)許用標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)產(chǎn)生塑性變形。而墊鋼板滿足規(guī)范要求。

四邊簡(jiǎn)支的情況與四邊固支的情況計(jì)算公式仍然是式(8)和(9)，但系數(shù)取值有所不同， α取1.008， β取0.185 1。

由于四邊簡(jiǎn)支的情況比四邊固支的情況更為危險(xiǎn)，所以放置設(shè)備時(shí)仍然需要進(jìn)行墊鋼板進(jìn)行臨時(shí)加強(qiáng)，在這里不進(jìn)行不墊鋼板的強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5 所示。

表5 螺栓連接的花鋼板最大正應(yīng)力和最大撓度

從表5 可以看，最大的應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求，最大撓度略大，為23.7 mm，但此時(shí)的最大應(yīng)力為165 MPa，仍然在彈性范圍內(nèi)，屬?gòu)椥宰冃危藛T離開(kāi)后會(huì)恢復(fù)原樣。

2 有限元校核

選用典型的設(shè)計(jì)工況進(jìn)行校核，分為固支和簡(jiǎn)支2 種情況。

1)工況1。板厚4.5 mm，焊接，取一個(gè)板長(zhǎng)3.5 m、寬1.03 m 的板格，按四邊固支計(jì)算。有限元模型如圖1 所示。

圖1 工況1 有限元模型

在中間施加9 810 N 的集中力，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖2 所示。

圖2 工況1 應(yīng)力云圖

從應(yīng)力云圖上可以看出，除了集中力施加的中心位置有比較大的應(yīng)力集中之外(這個(gè)可以忽略，因?yàn)閷?shí)際的力會(huì)有一個(gè)接觸面積，而不是一個(gè)點(diǎn))，周圍的應(yīng)力在170 MPa 左右，與計(jì)算的結(jié)果接近，滿足要求。

2)工況2。板厚4.5 mm，螺栓連接，取一個(gè)板長(zhǎng)3.5 m、寬0.84 m 的板格，按四邊簡(jiǎn)支計(jì)算。有限元模型如圖3 所示。

圖3 工況2 有限元模型

在中間施加9 810 N 的集中力，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。

圖4 工況2 應(yīng)力云圖

從應(yīng)力云圖上可以看出，中間應(yīng)力集中區(qū)域比焊接固定的范圍略大，但周圍的應(yīng)力在170 MPa左右，與計(jì)算結(jié)果接近，滿足要求。

3 花鋼板設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)不同船級(jí)社的規(guī)范設(shè)計(jì)公式對(duì)比分析，以及各家的設(shè)計(jì)輸入情況分析，經(jīng)過(guò)強(qiáng)度計(jì)算，可以得出標(biāo)準(zhǔn)的花鋼板設(shè)計(jì)要求。

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值如表6 所示。表6 為標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)性文件，設(shè)計(jì)的最小厚度不低于表6 厚度，型材間距不大于表6 的值，標(biāo)準(zhǔn)的型材規(guī)格不小于表6的值。進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)直接查表即可，而不必進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。

表6 花鋼設(shè)計(jì)選型表

4 結(jié)論

本文從強(qiáng)度和使用的根源上提出海洋平臺(tái)鐵舾裝標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方案，比現(xiàn)有的參考的方式更為科學(xué)。

1)根據(jù)鐵舾裝從業(yè)技術(shù)人員的特點(diǎn)，制定出標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)模板，簡(jiǎn)單明了，不需要復(fù)雜的計(jì)算就可以直接掌握。

2)從材料力學(xué)的基礎(chǔ)上，依據(jù)實(shí)際使用情況，參照各大船級(jí)社規(guī)范，如ABS、DNVGL、CCS 等，又不照搬規(guī)范，從理論上給出設(shè)計(jì)依據(jù)。

依據(jù)本文的研究，可以根據(jù)船型的特點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，從而符合企業(yè)的實(shí)際需求。