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2022-05-12意大利百米冠军回应海洋工程驳船设计要点

1海洋工程安装驳船的设计特点

海洋安装驳船一般为非自航,船体线型平直简单,方形系数一般接近于1,在海上拖航过程中需要有拖轮拖带。基于总纵强度考虑,驳船一般采用三或五道纵舱壁设计。由于频繁且精细的压载调节要求,以及破舱稳性考虑,会尽量多的设置船舶分舱。实际操作的时候可把这些舱细分为控潮舱和载荷转移舱。另外由于海洋设施装船及下水的需要,甲板上通常配置贯穿整个船长的甲板滑道,以及艉部用于导管架下水的下水摇臂。图1为导管架下水驳船的示意图,图2为驳船运输导管架时横剖面示意图。安装驳船船体设计区别于其他运输船舶的特点是装载工况复杂。一艘用于导管架和组块安装的驳船在海上安装工作中通常会存在以下特殊工况:①导管架/组块装船(LOAD-OUT);②海上长距离拖航(TOWING);③导管架下水(LAUNCHING);④大型整装组块浮拖(FLOAT-OVER)。随着海洋设施大型化的要求,工程界建造了一些特殊形式的船舶,最典型的T型驳船,用以满足海洋工程上部组块的浮拖安装要求。其基本出发点是减小艏部船宽以减小对导管架上部槽口的宽度要求,而减小船宽导致的水线面面积损失则通过加宽船舶艉部来改善。典型的T型驳如中海油工程公司的海洋石油229驳船,见图3。

2海洋工程安装操作规范

海洋结构物安装是海洋工程开发项目中风险程度最高,投资比重最大的一项工作。国际保险业对该项工作一般需要从事海事保险的第三方机构对海上安装工作从设计到实施阶段进行全面的监控,而海洋工程安装对安装船舶的特殊要求也被包含在相关的规范标准中,用以指导海上安装的规划以及实施。国际上最常用的是海上操作(marineopera-tion)指导规则有DNV的VMO以及NobelDen-tonGuideline规范标准。这些规范标准对相应海上操作中的驳船的性能提出明确细致的要求,而这些标准要求大部分没有被入级规范涵盖。

3船舶稳性要求

相对一般船舶入籍规范,对于海上安装操作,船舶的稳性要求的气象衡准计算不同。对于完整稳性的一般要求是复原力矩曲线下面积应不小于1.4倍风倾力矩曲线下的面积,见图4。其稳性衡准要求可以用(A+B)>1.4(B+C)表示。其A,B,C分别表示曲线中各区域的面积。而破舱稳性的稳性衡准要求则可放宽为(A+B)>(B+C),见图5。除上述作业衡准与入级规范的区别外,真正限制驳船稳性设计的是对作业工况的细致考虑。下面将从几个主要特殊工况来说明。3.1导管架下水导管架下水是一个连续的动态过程,一般稳性计算需要细分多个步骤。由于驳船设计初期难以得到详细的导管架信息,这时候需要假设导管架的一些基本参数,如重量、重心位置、侧面几何尺寸等。导管架在驳船上的状态一般如图6所示,根据经验,大型导管架的桩腿斜率多为1∶6至1∶8,顶部侧面尺寸一般不超过30m,而重心位置L2多数情况下沿导管架中心线约(1/2~2/5)×L1。导管架为桁架结构,在计算风倾弯距时在实体面积基础上做适当折减。对于导管架安装工作,最不利的浮态除运输状态外,应该是在下水过程中的摇臂翻转工况,见图7。此时驳船成较大艉倾(一般6°~8°),水线面面积最小。计算时需考虑导管架作用于摇臂上的导管架净重量的影响。如果没有实际例子,可采用70%导管架干重模拟摇臂总的支反力。3.2导管架或组块装船,以及组块浮拖导管架或组块装船操作则是另外一个连续过程,过程中必须保证船上滑道与陆地滑道平齐。而整个操作时间往往比较长,通常会超过20h,这样带来的问题是潮水变化对船舶浮态的影响,如低平潮时,会导致船舶吃水相对较小,影响船舶稳性,见图8。而组块浮拖上船时的挑战则是吃水太深,导致干舷不足。

4船体结构设计要求

同常规大型船舶一样,大型的运输驳船船体设计主要考虑其总纵强度。由于驳船贯穿纵舱壁较多,因此一般能够提供较大的剖面模数,还能保证较大的剖面抗剪能力。不过安装驳船的设计需要着重考虑的是船舶的操作工况。例如,导管架下水驳船,其最不利工况一般发生在设计吨位的导管架滑移下水时的摇臂转动瞬间,见图9,此时驳船艏部出水导致浮力大幅减小,而艉部则承受集中力作用,使得船中承受较大的总纵弯距,同时艉部承受极大的剖面剪力,见图10。不过此时船舶的受力情况非常复杂,包括船舶自重,船体浮力,摇臂支点处集中力等。另外,在整个过程中船体还会受到包括船舶运动引起的附连水质量在内的旋转惯性力作用,以及由于向前速度引起的水的拖曳力(或者阻尼)作用。除总纵强度外,由于驳船船宽一般较大,其横向强度也需要谨慎对待。船体横向能力是由强肋骨框架保证,所以可以选取典型的船体强肋骨框架,配合典型的压载工况,甲板装载工况,采用类似总纵强度的方法计算,即选取波长等于船宽的波浪考虑类似中拱中垂的影响来模拟浮力的影响。而甲板装载情况则需要根据承载能力图表细致考虑。一般驳船的横向甲板载荷分布情况分为两大类:①甲板均布载荷;②滑道对称集中载荷。而对于异型船舶(如T型)可能还要考虑扭转的影响,特别是运输大型平台组块时,如果组块安放于驳船窄船体甲板时,这种扭转效应相对明显。这时需要采用全船有限元分析的方法来评估扭转对船体变剖面段的影响。此外,由于船舯剖面变化剧烈,往往需要用详细的有限元分析来确定剖面过渡区甲板,舷侧以及底部船体结构的应力集中情况,通常需要在过渡区域采用厚板加强,有的设计甚至采用120mm钢材对该区域进行加强。关于船舶的局部强度,需要考虑如下因素。1)甲板局部承载能力。2)导管架下水时船体艉部入水时静水压力对船体艉部结构的影响。3)船体艉部摇臂轴套支撑结构的强度。4)艏部船体底部拍击的影响(SLAMMING)。其中,通过分析甲板典型结构,节点的局部强度,可以确定船舶甲板许用载荷分布,用以定义甲板典型位置能够承受的集中或均布载荷情况。典型的载荷能力分布如下。1)甲板均布载荷。2)纵壁顶集中载荷。3)纵横舱壁十字交叉点集中载荷能力。4)滑道不同位置处强横梁局部能力。

5系泊系统能力的考虑

船舶配置的系泊设备,主要是舷侧带缆桩。其最主要的作用为设施纵向装船时作为定位系统控制船舶位置。此时为控制船舶的水平移动,一般会设置左右对称的锚泊系统将船舶固定在陆地锚固点,以抵御船舶横向受到风和流的影响。而对于大型设施装船,往往要求的系柱力会很大,一般会大于600kN,如果考虑1.2倍的安全系数,侧会需要配置800kN左右的带缆桩。关于导管架或组块上船过程中对于船舶系泊系统的模拟计算,需要注意的是船舶艉部与码头接触点的边界模拟。考虑到接触点只能承受船长方向的压力,而不足以抵抗侧向载荷,所有的侧向载荷都由锚缆来承担。尤其是艉部最靠近码头的锚缆担负控制船艉侧向位移的作用,见图11。

6压载系统的要求

对于压载系统比较敏感的海上安装操作一般涉及载荷转移,如陆地装船,海上设施过驳操作,组块海上浮拖作业等。这些作业都要求排压载系统提供足够的安全冗余度,一般为150%~200%。故船舶压载系统设计需要提供足够的排压载能力,可参考相关的海洋工程海上操作规范。当然,在实际的项目中,大多数情况下,其排压载能力需要加装额外的独立外压载系统来保证。

7结束语

本文主要关注海洋工程驳船的设计特点以及使用要求,结合相关海洋工程规范的规定,总结海洋安装驳船的基本设计特点,建议设计者除常规设计思路外,应该更多关注实际船舶应用的特殊性。继而保证船舶服务于真实项目时,能够真正满足使用的需要,减少在未来使用中不必要的改造以及相关的详细评估。

作者:王晓芳汪东明单位:中国船级社审图中心上海外高桥造船有限公司

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