某起重鋪管船航行中的托管架綁扎校核與結構分析

張 偉， 寧 飛

(1.煙臺打撈局，山東 煙臺 264012； 2.哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

某起重鋪管船在上海建造，首航至印尼卡里姆。在航行時，2節托管架綁扎在甲板上，1節托管架固定在艉部鋪管作業位置，因此需要對該船進行波浪載荷預報和托管架綁扎及其結構應力計算。甲板貨物的綁扎系固是航行安全的關鍵點，一般在運輸船的穩性等滿足要求的前提下，良好的綁扎是保證海洋結構物安全運輸的首要條件[1]。為保證運輸安全，諸如美國石油協會(API)、挪威船級社(DNV)等在其規范[2-3]中對綁扎均有指導性要求。采用MOSES軟件進行建模，將計算得到的環境參數導入結構分析計算機系統(Structural Analysis Computer System，SACS)進行托管架綁扎校核[4-5]，經多次實踐與計算印證，計算結果與實際情況吻合度較高。

1 計算模型

該船總長為199.0 m，型寬為48.6 m，型深為15.0 m，作業甲板至基線為22.5 m，設計吃水為7.5 m，最大吃水為10.6 m，設計航速為13 kn，定位系統為DP 3級。在艉部布置1臺起重能力為5 000 t的全回轉起重機，適應水深為3 000 m。該船航行中的托管架布置如圖1所示。

圖1 某起重鋪管船航行中的托管架布置

為得到該船在運載托管架時的極限環境條件，應對航行中的極端惡劣氣象海況，為航行安全提供安全預報，基于MOSES軟件建立船體模型及船體-托管架模型，如圖2所示。

圖2 基于MOSES軟件建立的船體模型及船體-托管架模型

船體模型是為進行靜水力計算，對比該船穩性計算書以確定模型的準確性。船體模型需要與船體設計盡可能一致，且滿足中國船級社(CCS)規范規定的誤差要求。船體-托管架模型是為進行水動力分析計算，按照規范及船舶設計任務書計算船體-托管架的極限運動響應，得到波浪作用下的船體最大響應幅值算子(Response Amplitude Operator，RAO)值[6]。采用SACS對運輸過程中的托管架進行綁扎校核，在MOSES軟件計算結果中得到環境參數后對艉部托管架進行結構分析[7]。綁扎在甲板上的2節托管架，在MOSES軟件中計算運動響應時可采用等效重量及風面積，根據API規范，采用模塊法對有效投影面積進行計算，從而得到相應的風力系數[8]。

艉部托管架處于待命(Stand-by)航行狀態，共4個鉸點，2個上鉸點通過連桿與液壓設備連接鎖定，2個下鉸點與艉部鉸鏈結構鉸接。無論是在航行中還是在鋪管作業中，下鉸點均為托管架支撐點，是結構分析的重點。艉部托管架模型及鉸點如圖3所示，右圖中的鉸點最終與船上的液壓步進器連接，完成與船體的鉸接(SACS等效模型與照片略有區別)，約束點為上鉸點TOP A/TOP B和下鉸點BOT A/BOT B。

圖3 艉部托管架模型及鉸點示例

2 計算分析

2.1 波譜函數

運動分析采用三維勢流理論，為獲得船體-托管架運動響應，在MOSES軟件中設置單位振幅波，并將每個波的運動方程線性化，再結合不同的范圍，得到近似值的極值。對于1組相遇波周期，其周期為3～25 s，波向相對船軸向為0°～315°。六自由度幅值RAO在計算時考慮所有重量組成，即船舶重量、壓載及有定義的貨物，因此將每個自由度的運動RAO乘以頻譜平方，再乘以概率因子，即可得到頻譜運動值。以相同方式，程序針對每個結構點的振幅和相位方面的運動響應，計算設計海況下的運動響應，輸出預報結果。在MOSES軟件中，近海和海灣采用JONSWAP譜，開闊海域采用ISSC譜[9]，該船主要航行在南海海域，因此采用ISSC譜進行計算，波譜函數[10]為

(1)

式中：ω為譜峰角頻率，rad/s；Hs為有義波高；T1為特征周期。

考慮波的不確定性，計算0°～315°、間隔45°、共8個方向(0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°)的波浪響應值。

2.2 運動響應分析

船體-托管架運動響應統計采用瑞利分布法統計極值，函數定義為

(2)

為統計超出波高總個數的1/p個大波高的統計極值，對該函數進行解析，最終表述為

(3)

式中：A1/p為1/p的統計極值；p為連續記錄的波高總個數。

計算統計1/1 000的極值，可表述為A1/1 000=3.72σ。據此計算分析，得到RAO計算值。

波浪信息參考船舶設計信息及中國南海最危險海區設計參數，確定最大波高為8.2 m，吃水為10.0 m。在穩定分析所確定的航行狀態下，計算8個浪向，通過時域分析方法確定艉部托管架RAO曲線，如圖4所示。

圖4 艉部托管架RAO曲線

采用時域計算方法，計算3 h時長，提取數據整理得到艉部托管架各浪向加速度極值，如表1所示。

3 航行安全評估

基于確定的航行條件進行船舶穩性校核，結果如圖5所示。穩性計算以國際海事組織(IMO)穩性要求為基礎，計算結果滿足穩性要求；同時進行總縱強度校核，彎矩及剪力均小于許用值，最大彎矩為許用值的62.5%，最大剪力為許用值的63.7%。穩性及總縱強度均滿足規范及航行安全的要求。

圖5 連接點受力結果

在航行中，無論是在重量還是在中心高度或貨物價值方面，托管架均為重點。因此，安全預報主要考慮艉部托管架。將表1中的艉部托管架各浪向加速度極值組合疊加放至SACS中，進行航行中的結構安全預報。需要注意的是：表1中的6個加速度是艉部鉸鏈點的加速度，采用SACS進行計算時應確定托管架重心點至鉸鏈的相對位置。該船的相應數據為：x方向20.8 m，y方向9.8 m，z方向8.7 m。

表1 艉部托管架各浪向加速度幅值

將加速度極值導入SACS中進行節點計算分析。需要注意的是：艉部托管架在航行時部分入水，應考慮一定的浮力，在計算時進行相應設置。托管架的4個連接點均為鉸接，在計算時需要考慮航行工況下的鉸點受力及托管架內部節點受力。計算結果如表2所示。對比各節點設計最大許用值，各節點受力均小于設計許用值，滿足規范及航行安全的要求(TOP A/TOP B僅考慮拉應力)。

表2 艉部托管架鉸點受力統計

圖6 托管架1主要桿件節點UC值及桿件

4 結 語

在船舶穩性等航行條件得到保證的前提下，有效的綁扎措施及綁扎校核是保證安全運輸的手段，且所有的綁扎計算及設計均須滿足規范標準。以MOSES軟件及SACS為基礎，對某起重鋪管船進行船舶航行安全預報，主要進行艉部托管架結構分析，兼顧船舶穩性及總縱強度。由計算結果可知：艉部托管架主要連桿節點UC值均小于1，滿足安全要求。相關計算為該船航行安全提供數據支持，可為其他類似船舶的航行運輸提供參考。