超深水钻井船隔水管舱段结构总体强度分析

王永刚

(中远海运重工有限公司 技术研发中心， 辽宁 大连 116600)

0 引言

海洋工程装备是我国战略性新兴产业和高端装备制造业的重要组成部分，《中国制造2025》已将其列为重点发展领域[1]。超深水钻井船能够适应深海作业，机动性强，自持时间长，甲板面积和可变载荷大，有一定储油能力，相对总投资少，是非常理想的超深海钻探作业装备[2-3]。开展对新一代超深水钻井船的设计研发，可以增强企业在国际海工装备市场的竞争力。

随着海上钻井平台(船)作业水深的增加，作为海底井口和平台(船)的连接通道，隔水管重量和体积也不断增大。位于主甲板以下的隔水管舱段，由于布置和作业要求，内部不允许有任何支撑结构，对结构布置和整体刚度有比较严格的要求，故需要进行整体强度校核。

本文以新一代超深水钻井船的隔水管舱段为研究目标，结合ABS Drillship 规范要求，利用Drillship 2.0 软件对目标区域内结构进行总体强度分析，并进行有效地改进和优化。

1 隔水管存储形式

隔水管系统是海底井口与钻井船之间的连接通道，具有隔离海水、引导钻具、循环钻井液、起下海底防喷器组、系附压井、防喷、增压管线、补偿钻井船的升沉运动等功能，应用于勘探和钻采平台、浮式钻井船上。为保障钻井船的横摇稳性，隔水管多采用平放的存储形式，见图1。从存储位置可以分为两类：一类是把隔水管堆栈于主甲板以上。如“大连开拓者”号钻井船，主甲板上设有隔水管存储模块[4]；另一类是把隔水管堆栈于主甲板以下的隔水管舱室内，称为紧凑型布置。如PRD12000 钻井船，其隔水管布置于月池前端的舱室内，从双层底堆栈至主甲板以上，甲板采用大开口形式。紧凑型布置方案可以有效降低整船重心，增大甲板的使用面积和船舶稳性，是未来发展的趋势。

图1 隔水管布置方案

目标钻井船可于3 500 m以上水深处作业，隔水管总重超过4 000 t，体积庞大，占用面积大，其存储形式对整体布置和结构设计有很大的影响。超深水钻井船采用紧凑型布置方案，以平行堆栈的方式将隔水管存储于主船体的隔水管舱段。舱段位于主甲板以下，月池前端。甲板左舷设有一个28 700 mm×2 500 mm的开孔，用于隔水管的装卸和传输。隔水管布置图见图2。

2 隔水管舱段结构布置与设计

从图2可以看出，整个舱段的横纵跨距分别达到36.4 m和33.6 m。由于作业要求，隔水管舱段不允许有任何垂向支撑结构和横纵方向的舱壁结构，对船体梁的总纵强度和结构的局部强度都有十分不利的影响。该舱段采用纵骨架式，外板靠近甲板和主甲板靠近舷侧部分采用局部增加甲板厚度的方式来增加甲板的剖面模数，提高总纵强度。甲板主要支撑构件使用纵横交错的T型材结构，见图3。大跨距需要增加T型材的尺寸和剖面模数以满足强度要求；同时舱室内由于吊装作业，需要保证舱室内吊梁有足够的活动空间，对主甲板支撑构件的尺寸有限制，两者相矛盾，为此主甲板支撑构件设计时采用1 100 mm×22 mm腹板和500 mm×30 mm面板的拼接T型材，在保证腹板尺寸的前提下通过增大面板的宽度和板厚增加剖面模数。

图2 隔水管舱段布置图

图3 典型横框结构图

3 总体强度校核

使用Femap软件建立三维结构有限元模型，利用美国船级社(ABS)开发的Drillship 2.0 软件，结合ABS Drillship Guide，在总纵弯曲应力基础上，叠加局部载荷引起的板架弯曲、纵骨弯曲及板的弯曲，校核关键结构的屈服、屈曲及疲劳强度。

3.1 有限元模型及边界条件

采用全宽全深三舱段模型，模型至少包含目标舱段及前后各一个舱段内的主要结构，范围至前后舱段端部的横舱壁结构。隔水管舱段结构全部使用高强钢，最小屈服强度为355 MPa。以建造厚度建立三舱段有限元模型，见图4。全部隔水管作为整体用质量点单元模拟，通过REB3刚性单元与舱室内底的肋板相连接，能够加权分配和传递力和弯矩，加载方式见图5。

图4 三舱段有限元模型

图5 隔水管货物加载模型

模型端部施加刚体位移约束，由模型艉向端面MPC(关联纵向构件)X方向线位移约束、两个端面横向构件的Z方向弹簧约束与两个端面垂向构件的Y方向弹簧约束构成。调节弯矩分别施加在两个端面的MPC(关联纵向构件)上。

3.2 计算工况

超深水钻井船有三种典型运营模式：航行、钻井和风暴自存[5]。每一种运营模式都需要进行总体强度分析，计算装载工况至少应包括：

(1) 包含最大静水船体梁剖面载荷(垂向弯矩及剪力)对应的装载工况——对应不同目标校核舱段，分别以静水弯矩(区分中垂中拱)与剪力(区分正负)作为控制载荷进行筛选，得到对应绝对值最大控制载荷的装载工况。

(2) 在静水中舱压实验工况——每个舱在测试静水压头下临近舱是空舱，吃水为1/3结构吃水。对于双层底中的舱，测试静水压头是到透气管高度和舱壁甲板中的大者，对于其他舱为到透气管高度和高出舱顶2.4 m的大者。

对于每一种装载工况，针对不同目标控制载荷，要采用不同的载荷组合方式进行总体强度分析。隔水管舱段总体计算的装载工况选择信息见表1，载荷组合方式见表2，其中：工况LC1～LC8用于校核垂向弯矩为控制载荷的工况，LC9～LC10用于校核垂向剪力为控制载荷的工况。

表1 强度计算装载工况表

3.3 载荷加载

计算载荷包含船体梁载荷、外部载荷和内部载荷。船体梁载荷包含垂向弯矩、垂向剪力和水平弯矩、水平剪力，其计算公式如下：

Mv-total=Msw+kukcβVBMMwv

(1)

Fv-total=Fsw+kukcβVSFFwv

(2)

MHE=kukcβHBMMH

(3)

FHE=kukcβHSFFH

(4)

式中：Mv-total、Fv-total、MHE、FHE分别为需要加载的垂直弯矩、垂直剪力和水平弯矩、水平剪力；Msw、Fsw分别为静水弯矩和剪力，取自装载手册，考虑到钻井船设备数量和种类繁多及重量控制复杂等因素，静水弯矩和剪力增加10%裕量；ku为载荷系数，ku=1；kc为不同组合工况中船体梁载荷的修正系数，见表2；Mwv、Fwv、MH、FH分别为相应工况下夏季载重线时由波浪引起的垂向弯矩和垂向剪力、水平弯矩和水平剪力；βVBM、βVSF、βHBM、βHSF分别为作业海域相对于北大西洋海域关于垂向弯矩和垂剪力、水平弯矩和水平剪力的环境烈度因子，在结构设计的初始构件尺寸确定阶段就可以充分考虑指定作业地点海况下的载荷烈度[6]。

表2 载荷工况中载荷组合系数表

在Drillship 2.0软件系统中，通过定义作业海域波浪环境计算环境烈度因子，进而计算波浪弯矩、波浪剪力、外部压力、相对波面升高、船体运动的加速度和幅值；结合构件类型和舱室的定义实现内部载荷的施加以及腐蚀的扣除，并实现不同构件类型屈服因子和屈曲因子的归一化。

3.4 计算结果

舱段内结构强度校核结果通过屈服因子和屈曲因子来呈现，见表3。屈服因子和屈曲因子最大值不能超过1。

从表3可以看出，甲板和舷侧外板板架的屈曲和屈服因子偏低。为了保证船体梁总纵强度，对该结构进行了较大范围的板厚增加。部分非水密构件的利用率比较高，是由于局部结构的应力集中导致，能够满足规范要求。甲板纵桁面板，包括开孔附近纵桁面板以承受拉应力为主，压应力很低，不存在屈曲问题。图6和图7分别显示纵向强框屈曲因子云图和整体变形及应力云图。

表3 修改后的构件强度分析结果

图6 纵向强框屈曲因子云图

图7 隔水管舱段整体变形和应力云图

3.5 结果分析

3.5.1 双层底结构

双层底结构在隔水管舱的空载工况，即表1中的LC10B与船体梁中拱载荷相叠加时处于危险状态。其原因是因为舱室内部空载，双层底结构承受向上的波浪载荷，承载形式见图8。舱室横纵跨距大，双层底结构整体向内部弯曲，横纵肋板的端部承受很大的剪应力，产生局部高应力和剪切失稳。虽然纵向跨距比横向跨距偏小，但是由于总纵应力的叠加，其失效范围更大，见图9。底板结构承受很大的压应力，大范围板格存在屈曲问题，需要特别关注，可采用局部嵌入板增加板厚的方式进行加强。针对底部纵桁端部和肋板端部利用子模型进行局部加强和细化模型分析后，满足强度要求。 底部肋板加强方案见图3，屈服因子云图见图10。

图8 隔水管舱段底部结构受力示意图

图9 隔水管舱段底部结构变形和应力云图

图10 双底肋板端部细化模型屈服因子云图

3.5.2 双层壳底部肋板

双层壳肋板结构在靠近内底的位置承受较大剪应力的同时，还有大型减轻孔产生的应力集中，是需要关注的危险结构。自存工况下与横浪载荷相叠加形成最危险工况，外部承受较大的水动力载荷。对该区域结构进行局部子模型细化计算其屈服和疲劳强度，对开孔角隅采用25 mm嵌入板局部加强(见图3)后，使用C-curve计算得到开孔角隅处疲劳寿命为131 a，屈服因子为0.995，结果见图11，满足规范要求。

3.5.3 甲板横梁端部结构

大跨距的甲板横梁端部需要很大的回复弯矩抵抗其在甲板载荷和中垂船体梁载荷联合作用下产生的大弯曲变形。初始设计中，与甲板横梁端部相连接的双层壳内甲板横梁和纵舱壁垂直桁结构太弱，不能提供足够强的端部约束，导致连接结构自身扭转而产生大变形，应力水平超出许用值。双壳内甲板横梁腹板加深，面板加宽加厚后，采用与隔水管舱内甲板横梁相同规格的T型材，纵舱壁垂直桁腹板局部增厚，见图12。整个甲板横梁成为整体，由双层壳为其提供端部约束，大大降低该区域的应力水平。

图11 双层壳底部肋板屈服因子云图

4 结论

(1)屈服方面：需要关注双层底肋板、纵桁的端部、甲板横梁的端部及双层壳底部肋板等结构，这些区域都存在高剪应力或局部应力集中，可以通过局部增加板厚来降低应力水平。

(2)屈曲方面：需要关注双层底纵桁的端部和底板结构，可以通过增加板厚来提高屈曲强度。

(3)该计算方法和流程也用于该船货油舱段、泥浆舱段的总体强度校核，均满足规范要求，可以为其他钻井船提供参考。

图12 甲板横梁端部结构修改与应力对比