半潜船计算压头选取方法研究

张润华,　王　媛,　潘忠兵,　郭建军

(中国船级社上海分社，上海 200135)

半潜船计算压头选取方法研究

张润华,王媛,潘忠兵,郭建军

(中国船级社上海分社，上海 200135)

摘要:考虑到半潜船的沉浮作业特点和结构形式与普通甲板运输船有所不同，针对半潜船特性重点分析了局部强度校核中计算压头h的选取方法，以及沉浮曲线的使用缺陷。通过对实船局部强度的计算结果进行对比分析，并参考挪威船级社的规范要求，讨论适合于半潜船船体构件局部强度计算压头的选取方法，为半潜船提供较为准确的局部强度评估方法，以利于结构优化设计。

关键词:半潜船;局部强度;计算压头;沉浮作业

0引言

随着海洋能源开发活动日益频繁，用于海洋开发设备调遣和海上救捞的特种船舶的市场前景广阔。在当前船舶市场不景气的环境下，海工市场却在日益壮大，特种船舶将成为船舶市场的新亮点[1]。

半潜船作为装运大型海工设施的特种船舶，商业价值较高,在向大型化方向发展的同时，对其结构安全性有着很高的要求[2]。

中国船级社《钢质海船入级规范》2012年规范[3](以下简称2012钢规)给出了半潜船局部强度的校核方法。其中，船体局部强度的校核主要依赖于计算压头h的选取，但h的选取方法没有完全反映半潜船沉浮作业的特点和多层压载舱的设计特点，且2012钢规要求提供的沉浮曲线也无法准确反映半潜船在沉浮作业过程中各压载舱所承受的最大压差。

通过研究半潜船压载舱实际承受载荷的类型和沉浮曲线在h选取中的作用，对比不同船级社的半潜船规范要求，并以38 000 DWT半潜船(布置图见图1，主尺度见表1)和5 000 DWT半潜驳(布置图见图2，主尺度见表2)为例进行实船计算及结果分析，提出了适合中国船级社半潜船规范局部强度计算方法的改进意见，为未来半潜船规范内容的修订提供技术支持。

图1　某38 000 DWT半潜船总布置图

表1　某38 000 DWT半潜船主尺度以及主要参数

表2　某5 000 DWT半潜驳主尺度以及主要参数

1压载舱载荷介绍

半潜船主甲板以下布置有大量压载水舱，以实现半潜船的上浮与下潜。压载舱的h的选取主要取决于排压载方式，目前常见的压载方式有压载水泵、静水(重力)压力、压缩空气3种，各有利弊(见表3)。

表3　半潜船压载方式的比较

一般而言，由压缩空气排放法确定的最大设计压力为压缩空气压力与压载舱深度之和，再把设计压力换算成相当的水压头。其他确定压载水舱的最大压力(或计算压头)的排压载方式则是按照2012钢规的要求,根据舱顶与空气管伸出高度(深舱要求)或可能出现的最大内外水压差确定。

2沉浮曲线介绍[4]

半潜船的工作原理是利用自身排水量的变化来抬举货物，使货物被安全地运送到目的地，和浮船坞工作原理十分相似，因此半潜船规范也引入“沉浮曲线”作为船体结构设计参考。沉浮曲线(见图3)可以直观地反映船舶排水量和压载水量在船舶沉浮过程中随吃水的变化情况，其不仅是对常规的静水力曲线图的补充和完善，还反映了各状态下的内外水压差以及干舷等吃水变化情况(见图3)。

图2　某5 000 DWT半潜驳总布置图

3h的选取方法分析

h的选取直接影响半潜船局部构件的尺寸，是决定半潜船的设计重量的关键因素之一。2012钢规要求半潜船局部强度计算应分别按照航行工况和沉浮作业工况进行校核，不同工况下h的选取方法不同。

3.1航行工况

2012钢规要求航行工况下的h应按深舱选取，由于半潜船沉浮作业的特殊性，压载舱空气管一般都高出艏楼甲板，远远高于举升甲板，如果所有压载舱结构都按照深舱要求设计,会增加船体结构的重量。

注：曲线A为船排水量随吃水的变化曲线；曲线B为空船重量加压载水重量随载水深度的变化曲线；曲线C为空船重量加货物重量再加上压载水重量随载水深度的变化曲线；曲线D为船排水量加货物排水量随吃水的变化曲线(起点在A曲线到达浮箱甲板上垫木高度时的位置)。

图3某半潜船沉浮曲线

为利于半潜船在航行状态和沉浮作业时调整纵倾，将压载水舱在高度方向分上、中、下3层(见图1)，重心高度差异明显，可根据货物重心高度的不同灵活选用不同高度的压载水舱，以达到既保证稳性又不产生剧烈摇摆的目标。部分压载舱和艉浮箱仅在半潜船沉浮作业时才会被使用，船舶航行过程中均为空舱。表4总结了某38 000 DWT半潜船(该船主尺度及主要参数见表1)各航行工况下使用压载舱的情况，从表4可以看出，举升甲板下的最上层压载舱的除了压载舱WB7WUP和WB7WUS外，其他压载舱在航行工况下并没有被使用过，包括船艏部分压载舱和艉浮箱。因此,这些空舱周界的板材在半潜船航行过程中不承受压载水压力。

3.2沉浮作业工况

根据2012钢规的要求，半潜船沉浮作业工况下h的选取主要考虑压载舱可能出现的最大内外水压差或压缩空气的相当计算压头(见表5)。当半潜船的排压载方式是压缩空气时，h为确定值。这里重点讨论用最大内外水压差作为计算压头的选取办法。

如表5第1项所示，若半潜船不采用压缩空气排压载水，则其外侧围壁结构位置的最大内外压差应从沉浮曲线中读出。图3为某半潜船的沉浮曲线，两条阴影曲线分别表示空船沉浮工况下的内外水压差和载货量4 000 t沉浮工况下的内外水压差。考虑到半潜船装载的特定货物为沉箱，在沉浮作业过程中沉箱的排水量计入该船总排水量，则从此沉浮曲线中得到该半潜船在沉浮作业时的压载舱外围壁承受的最大内外水压差为9.2 m。

上述普通沉浮曲线仅能反映平均压载水深和外部吃水的变化，无法反映半潜船每个压载舱内外水压差的变化，也就不能准确校核每个压载舱周界板材的局部强度。虽然沉浮曲线中最大内外水压差为9.2 m，但从该船沉浮操作手册中读出的相关数据表明部分压载舱围壁所承受的压差≥9.2 m(见表6)。

因此,为了使半潜船的结构设计更加优化合理，h的选取应根据实际情况分析，具体选取方法为：

(1) 依据压载舱的实际用途校核局部强度;

(2) 在沉浮操作手册中读取各压载舱准确的最大压差作为h。

表4　某半潜船各航行工况下压载舱配载总结表

表5　2012钢规半潜船沉浮作业工况下h的选取方法

表6　某半潜船沉浮工况内外水压差比较表

4实船计算结果对比

目前挪威船级社和中国船级社的相关规范都有针对半潜船局部强度校核的具体规定。以某半潜船和某半潜驳为例，根据2012钢规的要求和挪威船级社半潜船规范Local strength的要求，分别对两船在沉浮作业工况下使用的压载舱周界板格进行局部强度校核，通过对计算结果进行分析比较，证明研究结果的合理性。实船计算结果内容见表7和表8。

表7　某半潜驳塔楼围壁板局部强度计算结果对比

表8　某半潜船艉浮箱围壁板局部强度计算结果对比

图4　某半潜驳塔楼围壁板厚度计算值对比图

图5　某半潜船艉浮箱围壁板厚计算值对比图

h选取计算板厚对比最大压差/m深舱压头/m两者计算结果平均偏离值/%某半潜驳1017.628某半潜船1113.012

由以上图表中的数据可知：

(1) 艉浮箱或塔楼的围壁板厚度按深舱要求的计算值要大于按内外压差作为计算压头的计算值，半潜驳塔楼围壁板最为明显(见图4);

(2) 用内外最大压差作为压头的计算结果与挪威船级社规范较为接近;

(3) 对于沉浮作业中必须使用的压载舱,可按最大内外压差作为h，但必须在操作手册中写明;

(4) 如所有压载舱均按深舱要求设计，可能会大大增加结构重量(见表9)。

5结语

通过对半潜船计算压头的选取方法进行讨论以及对实船计算的结果进行对比分析，得到以下结论：

1) 由于半潜船沉浮曲线反映的是内部压载舱的平均压载水深度和外部吃水差，若以最大内外水压差作为计算压头，则依据沉浮曲线选取计算压头不能准确反映每个压载舱周界所承受的最大压差，也不利于大型半潜船船体结构的优化设计。

2) 为了使参照2012钢规要求设计的半潜船能更好地体现其船型特点，应按照半潜船航行工况和沉浮作业工况中每个压载舱的实际用途及周界构件所承受的载荷组合校核船体结构局部强度。

3) 设计方可提供各个压载舱的设计压头，并说明设计压头的选取依据，然后按照给出的设计压头确定板材尺寸。当给出的设计压头小于极限内外水压差(最大深沉-压载舱舱底高度)时，需要在完工的装载手册和操作手册中说明对应压载舱的最大内外水压差，并据此限制沉浮装载工况。比如在操作手册中写明：该压载舱不允许在沉浮时排空，即不允许出现最大压差超过设计压头的情况。

参考文献：

[1]王立峰.半潜船及其在海洋运输业中的作用与发展前景[J].中国港湾建设,2011(5): 75-79.

[2]迟少艳,杨青. 38 000 吨级自航半潜船结构设计[J]. 上海造船, 2011(4): 17-20.

[3]中国船级社.钢质海船入级规范[S].北京:人民交通出版社，2012.

[4]董韩扬. 浮船坞的沉浮曲线图[J]. 造船技术，1999(1)：28-29.

收稿日期：2014-10-15

基金项目：中国船级社上海分社科技项目“半潜船规范适用性研究”(SHKY13-02)

作者简介：张润华(1985—)，男，硕士，工程师，主要从事船体审图工作。

文章编号：1674-5949(2015)01-013-07

中图分类号：U674.941

文献标志码：A

Choice of Pressure Head in Designing Submersible Ships

ZhangRunhua，WangYuan，PanZhongbing，GuoJianjun

(China Classification Society，Shanghai 200135，China)

Abstract:This paper focuses on chosing the pressure head in local structural strength check of the semi-submersible ship, which can work in submerged condition at times, therefore, has special structural features making the merging curve difficult to use. The appropriate value of the pressure head is chosen through analyzing calculated data of real ships according to the rules for semi-submersible vessels by CCS and DNV.

Key words:semi-submersible vessel; local structural strengths; pressure head, merging