駁船裝載大型導管架海上拖航分析

葛為結,黃剛,胡躍川

(寧波高新區海星船舶設計有限公司,浙江 寧波 315000)

導管架整體建造后,滾裝或吊裝至無動力的駁船上再拖航至海上風電場,這是一種經濟性較好的運輸方式。駁船的選型,駁船裝載導管架拖航期間的完整穩性、總縱強度、導管架的綁扎強度及導管架支撐結構的強度,在導管架裝船之前需進行計算及分析,為此,結合法規[1-2]、規范[3]、指南[4]的相關規定對駁船裝載大型導管架進行海上拖航分析。

1 駁船選型分析

關于載運導管架的船型選擇,從以下幾方面考慮。①降低運輸成本,提高經濟性。從底座開始安裝到拖航再到卸載,拖航期間還需選擇合適的氣象條件,整個周期較長,選擇無動力駁船載運導管架的經濟成本相對較低。②駁船的尺度與導管架尺度要相適應。駁船選型中首先要根據導管架尺寸來選擇合適的船寬,船寬要適應導管架支腿下的底座能安裝在甲板上。③駁船要有足夠的排水量和壓載水調節量。在導管架裝船階段根據水位情況需用壓載水進行船舶與碼頭之間高低差的調節,在導管架裝船后需用壓載水調節浮態和干舷,以滿足運輸期間的浮態和通航限高要求。

2 拖航穩性分析

根據《海上拖航指南》的規定,駁船在拖航期間的完整穩性應滿足船旗國主管機關的要求。國內拖航的船舶完整穩性衡準以滿足《船舶與海上設施法定檢驗規則 國內航行海船法定檢驗技術規則》的相關要求。法規對拖航時船上無人的箱形駁的完整穩性主要要求如下。

1)穩性衡準數K應滿足下式要求。

K=lq/lf≥1

(1)

式中:lq為最小傾覆力臂;lf為風壓傾側力臂。

2)在所核算裝載情況下,對于船長為100 m及以下的船舶,復原力臂曲線的正值范圍不小于20°;對于船長為150 m及以上的船舶,復原力臂曲線的正值范圍不小于15°,對于中間船長可以采用線性內插計算。至最大復原力臂對應的橫傾角或進水角為止的(取較小者)復原力臂曲線下的面積應不小于0.08 m·rad。

導管架在船上的布置應考慮對船舶浮態的影響,《海上拖航指南》建議被拖船沿拖帶方向具有一定的尾部縱傾,無論如何不能存在首部縱傾。

3 總縱強度分析

根據《國內航行海船建造規范》(以下簡稱《規范》)的相關要求,船長大于等于65 m的船舶需校核總縱強度。根據船舶的尺度比來確定采用何種方式校核總縱強度。《規范》對箱形駁尺度比同時滿足L/B>3.0、B/D≤6.0可按《規范》第2篇第2章進行總縱強度校核,否則應采用直接計算法確定總縱強度。

4 導管架在拖航期間的綁扎分析

導管架在拖航期間應予以可靠地綁扎和固定,當船舶發生橫搖、縱搖、垂蕩時應確保導管架的平衡。根據《海上拖航指南》的規定,導管架在拖航期間需進行平衡計算,平衡計算應分別校核橫向滑動、橫向翻轉和縱向滑動。

作用在導管架上的橫向力Fy、縱向作用Fx、垂向作用力Fz根據《海上拖航指南》附錄1的規定進行計算。

橫向滑動平衡應滿足:

Fy≤μFz(-)+∑CSi

(2)

橫向翻轉平衡應滿足:

Fy·a≤b·Fz(-)+∑CSi·di

(3)

縱向滑動平衡應滿足:

Fx≤μFz(-)+∑CSi

(4)

式中:μ為摩擦系數,CSi為第i個系固設備的安全工作負荷,a、b為作用力至翻轉中心的力臂。

力和力矩的平衡如果不滿足要求,則需對導管架的系固進行優化和調整,直到滿足平衡要求。

5 導管架底座及船體支撐結構強度

導管架支腿底部甲板上方一般需設置底座,底座的作用有以下幾方面:①將導管架上的作用力經過底座傳遞到船體上;②對甲板起加強作用,減少或不在船體內部加強,從而降低施工難度;③便于運輸完成后把底座拆除,減小加強結構對原空船重量和重心的影響。

導管架底座及船體支撐結構強度一般采用有限元軟件進行建模計算分析。如果所分析的結構應力計算值大于許用應力值則需對結構進行加強和優化,直到滿足強度要求。

6 實例分析

以某升壓站導管架裝載在駁船上進行拖航為例,拖航航線為南通市如皋至溫州蒼南某風電場。

6.1 導管架及運輸駁主要參數

該升壓站導管架由4根支腿的主體結構、圓柱形的樁靴、長方形的防沉桶等組成。導管架自重約2 300 t,底部4根支腿中心距為:34.2 m×29.2 m,支腿之間最大間距:36.52 m×31.52 m,支腿底部至頂部的高度為54.4 m,導管架的外形尺寸見圖1。

圖1 導管架結構及布置示意

駁船主要參數為總長Loa=114.3 m、型寬B=36.6 m、型深D=6.1 m、滿載吃水d=4.5 m、滿載排水量約17 200 t、無限航區、拖航時船上無人的非機動箱形駁,艙內設有19個壓載艙,壓載水總容量約16 000 t。

從船舶參數可知,船寬比導管架支腿間的最大寬度大5.08 m,可滿足導管架支腿及底座布置在主甲板上方,載重量和壓載水量能滿足裝載導管架的要求。

6.2 導管架及底座布置

由于導管架底部的4個防沉桶為非承重結構,不能直接放置于主甲板上,因此在導管架的4根支腿下方需設置4個底座。

底座由上底座和下底座焊接而成,下底座與主甲板焊接。上底座與下底座之間為立柱與斜撐組成的桁架結構,下底座主要筋板與船體構件相對應。設置下底座的目的是:①方便施工人員能進行防沉桶內安裝支腿處的支撐肘板;②將導管架支腿上的作用力分散傳遞給船舶結構。

圖1顯示,導管架布置于主甲板上方中部區域,整體重心略偏舯后。導管架4根支腿放置于上底座頂平臺,支腿四周設有防滑動的支撐肘板,支撐肘板與上底座頂平臺焊接,支撐肘板與支腿之間用實木塞緊。

6.3 拖航穩性計算與分析

導管架裝載后的高度需滿足蘇通大橋的通航高度。根據資料顯示蘇通大橋距水面的最大凈高為62 m,導管架裝載后距水面的安全高度應不大于60 m,船舶裝載導管架后的干舷不超過2.2 m。

為確保安全,拖航時采用加壓載水來減小船舶干舷,降低重心高度。壓載水艙盡量加至滿艙,以減小自由液面對完整穩性的影響。

按沿海航區拖航時船上無人的非機動船進行穩性核算,因拖航時船上無人,燃油、淡水無消耗,完整穩性只需校核一種裝載導管架出港的工況。采用中國船級社的Compass軟件進行穩性核算,拖航穩性的主要參數及衡準見表1。

表1數據表明,該船裝載升壓站導管架的拖航穩性滿足文獻[1]的要求。艏、艉吃水差表明,拖航工況不存在艏部縱傾,符合《海上拖航指南》對被拖船的浮態要求。該工況導管架下方船舶的最大干舷為1.785 m,此時導管架頂部距水面的最大高度為59.585 m,滿足蘇通大橋的通航限高。

表1 駁船拖航穩性的主要參數及穩準

6.4 總縱強度計算與分析

該船為箱形駁,尺度比L/B>3.0、B/D≤6.0,總縱強度按《規范》2篇第2章要求進行校核。

1)波浪彎矩和波浪切力。波浪彎矩和波浪切力按規范公式計算得:

中拱波浪彎矩Mw(+)=556 598.87 kN·m,

中垂波浪彎矩Mw(-)=-575 532.93 kN·m,

中拱波浪切力Fw(+)=13 825.731 kN,

中垂波浪切力Fw(-)=-13 370.888 kN。

上述波浪彎矩和切力計算值已按沿海航區折減15%。

2)重量與浮力分布。拖航工況的重量、浮力沿船長方向分布見圖2,圖中站號根據船長分成20站。

圖2 拖航工況重量、浮力分布

3)許用靜水彎矩和許用靜水切力。根據該船資料,選取肋位號Fr9、Fr17、Fr25、Fr35、Fr40、Fr46作為校核剖面,各剖面的許用靜水彎矩M(-)s和許用靜水切力F(-)s見表2。

表2 各剖面中拱和中垂許用靜水彎矩及;許用靜水切力

4)總縱強度計算及穩準。在拖航工況裝載的基礎上,在Compass軟件中輸入表2中的許用應力值。計算得到最大靜水剪力和彎矩以及與許用值的百分比見表3,各剖面計算數據見表4。

表3 最大剪力和彎矩計算數據

表4 各剖面靜水彎矩和剪力計算數據

由表3可見,最大剪力與許用值之比為98.4%,最大彎矩與許用值之比為23.8%,出現在導管架前端支腿下方區域。由表4可見,各剖面的靜水彎矩和剪力計算結果滿足《規范》要求。

6.5 作用在導管架上的力

拖航期間作用在導管架上的力計算如下。

橫向作用力:

Fy=MAy+Fq+Fw=12 573.81 kN;

縱向作用力:

Fx=MAx+Fq+Fw=4 510.01 kN。

垂向作用力(對導管架滑動平衡、翻轉平衡):Fz(-)=M·(g-a)=16 339.2 kN。

垂向作用力(對底座及船體支撐結構):Fz(+)=M·(g+a)=28 786.8 kN。

其中,導管架自重M=2 300 t,風作用力Fq=665.55 kN,海水飛濺力Fw=26.46 kN,橫向加速度Ay=5.166 m/s2,縱向加速度Ax=1.66 m/s2,垂蕩向加速度a=2.706 m/s2。風作用力、海水飛濺力、加速度按《海上拖航指南》中的規定進行計算。

6.6 導管架在拖航期間力和力矩的平衡分析

6.6.1 橫向翻轉平衡校核

假定導管架橫向翻轉點為左舷或右舷導管架支腿底部中心,橫向翻轉平衡校核如下。

bFz(-)=14.60×16 339.2=238 552.3 kN·m,

Fya=18.20×12 573.81=228 843.34 kN·m。

其中橫向作用力翻轉力臂a=18.2 m,導管架自重抗翻轉力臂b=14.60 m,如圖1所示。

計算結果顯示Fya

由于bFz(-)/(Fya)=1.04,抗翻轉安全系數較小,為確保安全,在導管底部靠舷側水平桿上單邊采用4組鋼絲繩進行系固(見圖1),鋼絲繩最小破斷拉力為535 kN。

增加鋼絲繩系固后的橫向抗翻轉總力矩為301 040.3 kN·m。

鋼絲繩為一次性使用,破斷安全系數取2,每組鋼絲繩按2根計算,抗翻轉力臂取29.2 m。此時抗翻轉安全系由1.04提高至1.32。

6.6.2 橫向滑動平衡校核

為抵抗導管架受橫向作用力不產生滑動,在每根導管架支腿的底座上外側設3塊橫向支撐肘板、內側設3塊橫向支撐肘板,其中每塊肘板的抗剪面積Ay=15 000 mm2。

肘板屈服應力ReH=235 N/mm2,許用剪切應力[τ]=90.38 N/mm2,則外側每塊肘板的安全負荷CS1=90.38×15 000=1 355.7 kN。4根支腿共由12塊肘板承受導管架的橫向作用力,則12塊肘板安全負荷CS12=16 268.4 kN。由6.5節得知橫向作用力Fy=12 573.81 kN,Fy

橫向抗滑動安全系為CS12/Fy=1.29。

為確保安全,在導管架底部底座平臺上墊一層木板或橡膠,此時由自重產生的摩擦力為

μFz(-)=0.3×16 339.2=4 901.76 kN。

此時抗滑動安全系由1.29提高至1.68。

6.6.3 縱向滑動平衡校核

縱向抗滑動的支撐肘板規格和數量同橫向設置,抗滑動安全系為CS12/Fx=3.6,表明導管架縱向滑動平衡滿足《海上拖航指南》要求。

6.7 導管架底座及船體支撐結構強度分析

6.7.1 有限元模型

采用MSC.PATRAN/NASTRAN有限元軟件進行建模并進行受力分析。導管架主支腿采用板(shell)單元、其余采用梁(beam)單元,船體和底座采用板(shell)、梁(beam)結合的單元形式對結構進行模擬建模。主船體模型選取導管架安裝區域的全寬艙段結構,前后端分別位于橫艙壁處。有限元模型見圖3。

圖3 導管架、底座及船體支撐結構模型

導管架放置于底座上,其底部與底座頂平面不焊接,模型中采用MPC方式將導管架支腿底部與底座頂平面關聯Uz,與橫向抗滑動肘板(與作用力同向的肘板)關聯Uy、與縱向抗滑動肘板(與作用力同向的肘板)關聯Ux。

6.7.2 邊界條件

對模型前、后端橫艙壁邊緣上所有節點約束3個線位移:ux=uy=uz=0。

6.7.3 載荷工況

根據《海上拖航指南》對于單獨的工況,最危險的組合如下。

工況1:橫搖+垂蕩;

工況2:縱搖+垂蕩。

載荷按上述2種工況分別通過MPC方式施加于導管架重心位置。

6.7.4 材料特性及許用應力

導管架底座主要以H型鋼和鋼板焊接而成,采用Q345B級鋼,料屈服應力ReH=345 N/mm2。船體結構主要材料為船用A級鋼,材料屈服應力ReH=235 N/mm2。

其中許用應力參考《規范》第2篇第3章第7節對起重設備支撐結構和基座的規定,許用正應力[σ]=0.67ReH,許用剪應力[τ]=0.39ReH,許用相當應力[σe]=0.8ReH。

6.7.5 計算結果及穩準

經分析,底座部分最大應力出現在上底座底部靠舷側區域,船體內部最大應力出現在底座下強橫梁與強肋骨過渡區域。底座和船體結構有限元分析結果及穩準見表5。

表5 底座及船體結構應力結果及穩準 N/mm2

表5顯示船體結構和底座結構的各項應力計算值都小于許用值,表明所分析的結構強度滿足《規范》的相關要求。

7 結論

1)通過對運輸駁選型的分析,確定船寬和壓載水調節能力是選型中最主要的參數,船寬需滿足導管架及底座的布置,壓裝水調節能力需滿足導管架裝載后浮態和干舷的要求。

2)案例分析表明,導管架底部的防沉桶形狀限制了底座的布置空間,不利于導管架上的作用力傳遞給船體,也增加了底座的設計和制作難度。

3)對翻轉平衡的分析表明,導管架自重產生的抗翻轉力矩理論上滿足平衡條件,但安全系數較小,為確保海上拖航安全需提高安全系數。

4)對滑動平衡的分析表明,在導管架底部增加木板或橡膠墊時,摩擦力明顯增加,相比鋼與鋼接觸的濕表面抗滑動能力可提高約30%。

5)對底座及船體支撐結構的強度分析表明,導管架支撐結構僅設置在主甲板上,強度也能滿足規范要求,實現了不在主甲板以下船體內部加強的想法,降低了安裝與拆除支撐結構的施工難度。

6)船舶穩性和總縱強度雖滿足法規和規范的要求,但部分計算值已接近許用值,建議在良好的氣象條件進行拖航。