千米级水深铺管船船体总纵强度校核

    王文娟 周延东 高嵩 张万里 阮志豪

    摘 要：本文简要介绍了海洋石油201铺管船在千米级水深铺管工况下的改造设计方案及船体总纵强度校核。为适应千米级水深海底管道铺设作业的使用要求，需对海洋石油201船体结构及设备进行升级改造，同时通过对千米级水深海底管道铺设及PLET下放安装工况的船体总纵强度进行校核，证明改造升级后的海洋石油201具有足够的总纵强度满足千米级水深海底管道铺设的使用要求。

    关键词：海洋平台;整体拆除;弃置平台组块;双船浮托法

    中图分类号：U663.2? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? 文章编号：1006—7973（2019）02-0054-03

    为缓解国家能源紧张局势、实现可持续发展战略，必须继续加大新领域的开发力度，特別是深海海域的开发力度。但国内目前的整体深水技术能力、装备状况不能满足我国海洋石油发展战略，也难以适应国家海洋战略的要求及国际海上权益与资源之争的形势。

    为加快推进发展深水勘探装备的进程，力争深水领域早日获得突破，实现我国的深水发展战略，必须尽快建立具有自主知识产权的深水开发技术，并致力于深水起重铺管船的自主研发。海洋石油201作为我国铺管作业能力最强的铺管船，在市场竞争中和国外公司铺管船相比仍然差距明显，主要受托管架、张紧器、A&R绞车等的制约，因此大大限制了其深水项目的作业能力，从而降低其国际竞争力。

    为了提升海洋石油201的作业能力，拓展作业范围，现需对海洋石油201的船体结构及设备进行升级改造。托管架由原来的3节增加到4节，并增加船侧PLET下放安装设备。由于船体结构及设备升级改造引起船舶重量分布变化，同时考虑千米级水深海底管道铺设及PLET下放安装工况， 需要对海洋石油201的船体总纵强度进行校核。

    本文使用18寸、48寸大管径海管铺设工况以及PLET下放安装工况，对船体总纵强度进行分析校核，这对满足千米级深水铺管生产需要有着重要意义。

    1计算方法

    1.1 计算理论

    船体总纵强度是指船体结构抵抗纵向弯曲不使整体结构遭受破坏或不允许变形的能力，总纵强度对应的外力是总纵弯曲力，是作用在整个船体上的重力、浮力、波浪水动力和惯性力等[1]。

    根据船体总纵强度的概念，在得出船体总纵弯曲力矩和剪力之后，可根据梁理论计算船体总纵弯曲应力和剪应力。根据梁的弯曲理论，总纵弯曲应力为[2]：

    式中：

    M—计算剖面的总纵弯矩

    I—计算剖面对水平中和轴的惯性矩

    Z—所求应力点至水平中和轴的垂直距离

    船体剖面某位置处的剖面模数为：

    剖面模数与外载荷无关，是表征船体结构抵抗弯曲变形能力的一个特征，也是衡量船体强度的一个重要标志。船体梁剖面的剖面模数呈线性分布，距中和轴远，剖面模数越小。一般船体剖面的中和轴离船底近，甲板距离中和轴远。因此甲板处的剖面模数最小[3]，本文强度校核只体现甲板处的计算结果。

    进行船体总纵强度校核时应选取可能出现最大弯曲应力的危险剖面进行计算。一般船舶应包括以下区域[4]：

    货仓开口剖面;

    船体骨架形式发生变化的剖面;

    上层建筑端壁处剖面;

    主体材料分布变化剖面;

    重量分布特殊出现较大弯矩值的剖面。

    1.2 数值计算方法

    本文使用商用安装分析软件MOSES进行海洋石油201千米级水深海底管道铺设及PLET下放安装工况的总纵强度校核。

    MOSES是一款能够对固定式和浮式海洋结构物进行时域和频域计算的商用软件。MOSES可以对船体外壳进行建模，并考虑剖面模数及弹性模量，以及内部舱室进行建模，并可进行静水力分析，可以自动生成或手动配置压载方案，进行船体总纵强度计算和稳性计算等。

    2计算工况

    本文主要对海洋石油201在千米级水深海底管道铺设及PLET下放安装工况静水状态的总纵强度进行校核，主要考虑因素如下：

    重量分布：空船重量、燃油淡水重量、压载水重量、货物重量、托管架重量、新增设备重量等;

    浮力分布：各工况装载条件下浮力沿船长的分布。

    2.1重量分布

    海洋石油201的空船重量沿船长方向的分布曲线如下图所示。

    除空船重量以外，其他燃油淡水重量、压载水重量、货物重量、托管架重量以及新增设备重量按照各个工况情况分别以分布荷载简化以分布力的形式加载在船模里，以更好地接近实际工程效果。

    2.2浮力分布

    在MOSES中按照海洋石油201的型线图及型值表建立了准确的船体模型，按照各个工况的装载情况指定海洋石油201的吃水之后可以得到各工况下浮力沿船长的分布情况，图2给出了MOSES模拟的海洋石油201数值模型。

    2.3校核剖面

    根据海洋石油201的特点和各个工况的载荷分布情况，本文选取以下危险剖面作为总纵强度校核位置。

    船体弯曲许用应力为175MPa，计算得出的应力值小于175MPa即为满足要求[5]。

    2.4计算工况

    为校核海洋石油201在千米级水深海底管道铺设及PLET下放安装工况的总纵强度，本文选取以下十二个代表工况， 其中4个铺设18寸海管工况，4个铺设48寸海管工况，4个PLET安装工况。

    主要计算工况如下。

    铺设18寸管径海管工况：

    Case 1-1满载出港

    Case 1-2满载到港

    Case 1-3空载出港

    Case 1-4空载到港

    铺设48寸管径海管工况：

    Case 2-1满载出港

    Case 2-2满载到港

    Case 2-3空载出港

    Case 2-4空载到港

    安装PLET工况：

    Case 3-1满载出港

    Case 3-2满载到港

    Case 3-3空载出港

    Case 3-4空载到港

    各工况的装载情况如表2所示。

    3校核结果

    3.1铺设18寸管径海管工况

    3.3安装PLET工况

    图5显示的是PLET舷侧下放系统的示意图，该系统位于铺管船第78肋位左舷处，安装PLET工况加载位置按照表5的四个工况进行计算校核。

    4结论

    本文通过MOSES软件对改造升级后的海洋石油201在千米级水深海底管道铺设及PLET下放安装工况下的船体总纵强度进行了校核，校核结果验证了海洋石油201的能力，表明船体总纵强度不是限制海洋石油201深海铺管能力的因素，改造升级后的海洋石油201具有足够的总纵强度完成千米级水深海底管道铺设及PLET下放安装作业。

    海洋石油201的作业能力提升以后，在深水海管项目中更具竞争力，有助于其拓展业务范围，进军深水领域，同时也有利开拓国际市场，推进我国深水战略发展。

    参考文献：

    [1]王少青，杜嘉立，徐邦祯.船舶总纵强度的校核[J].大连海事大学学报， 2003，29（3）.

    [2]王杰德. 船体强度与结构设计[M]. 北京：国防工业出版社， 1995

    [3]黄婉玲.内河钢质船舶完工总纵强度的校核[J]，船舶检验， 2010

    [4]中华人民共和国海事局.内河船帕法定检验技术规则（2004）[S]，北京：人民交通出版社

    [5]中国船级社钢质内河船舶建造规范（2009）[S]，北京：人民交通出版社