超宽因素对重大件半潜运输的影响研究

刘琳琳，张美兰

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

随着海洋工程设备建造尺寸、重量越来越大，对半潜运输在应用需求方面也在增加[1]。半潜运输采用浮装浮卸方式装卸货物[2]，整个运输作业时间短、效率高及不可分割的整体结构运输优势明显[3]，使之成为当今海上重大件远洋运输及海洋工程作业领域不可或缺的组成部分，越来越多的船企也将目光投入到该运输领域，这使得半潜运输市场竞争日趋激烈[4]。半潜运输要同时满足安全性及经济性，综合重大件的大尺寸及运输船甲板利用率等因素，不可避免遇到货物超出甲板宽度的情况。本文结合项目工程实例，对运输设计过程中的稳性及墩木压应力计算两方面做了相应分析。

1 超宽因素对稳性的影响

半潜运输的超宽重大件涵括钻井平台、铺管船、船坞、模块及工程船等[5]，其中大型钻井平台的运输，船段、浮船坞分段等往往超宽十几米到几十米不等。为了便于分析超宽距离对稳性的影响，基于实际工程项目，选择了结构宽度不随自身船长变化的浮船坞分段作为运输对象，采用横向装载运输方式（货物船长与运输船的船长垂直），计算出一系列不同超宽情况下的稳性，来研究其影响。

半潜运输船“振华28”从关岛至舟山运输浮船坞的2 个分段。“振华28”船长232 m，型宽42 m，型深13.5 m，设计吃水9.2 m，载货甲板面积150 m×42 m。2 个浮船坞分段结构分别长107.45 m、127.75 m，单侧超出甲板的最大宽度是42.875 m，是“振华28”运输史上的最大超宽距离。

1.1 超宽对航行稳性的影响

船舶稳性通过船舶静水力曲线计算得到[6]，但在航行船舶处于横摇大倾角时，货物的入水会影响原有船舶的静水力曲线，为了计算准确，须将货物模型计及在内[7]，即考虑船和货物整体的静水力曲线。

对不考虑货物入水、考虑货物入水（单边超宽42.875 m）及单边超宽5~35 m 情况下的大倾角稳性进行计算。其中单边超宽5~35 m 时，重量重心等与实际项目相同，两边超宽相同，货物宽度不随自身长度变化，即水线面面积均匀增加。汇总静稳性曲线见图1。GZ 为静稳性臂，即重力作用线与浮力作用线之间的垂直距离。横摇角范围取0°~min（θf，θ2，50°），其中 θf为进水角，θ2为风压侧倾力臂和GZ 曲线的第二交叉角。

图1 超宽因素对静稳性曲线的影响Fig.1 Effect of over width on static stability curve

通过图中实际超宽42.875 m 和不计货物的静稳性曲线的对比可得，计入货物模型所得到的大倾角稳性变好较多；该系列的30°横摇角对应GZ值见图2，拟合得最大GZ 与货物超宽距离成二次增长关系。

图2 超宽因素对GZ 的影响Fig.2 Effect of over-width on GZ

1.2 货物入水对下潜/上浮稳性的影响

半潜运输船在浮装浮卸过程中，稳性最差状态是在甲板刚刚入水或出水，此时船舶的水线面最小，稳性最差。超宽货物（浮体）底部部分入水，回复力矩增加，入水状态见图3。

图3 入水状态Fig.3 Submerged status

在甲板入水/出水时进行稳性计算，得到一系列初稳性高GM 值，变化趋势曲线见图4，该图表明GM 与货物超宽距离成二次增长关系。

图4 货物超宽对上浮/下潜稳性的影响Fig.4 Effect of over-width on submerged or floating stability

由以上分析得到，货物浮体超宽对上浮或下潜稳性影响较大，所以在半潜运输重力矩非常大的超宽货物时，计及货物对稳性的影响十分必要。

1.3 实际工程算例

“振华7”从卡塔尔至英国运输某平台。“振华7”船长244.5 m，型宽42 m，型深13.5 m，设计吃水9.2 m，载货甲板面积167.4 m ×42 m；某平台总长102.6 m，型宽84.45 m，型深9.45 m，重量22 600 t，重心高度24.72 m。分别按照不计平台模型及计入模型计算稳性，按照IMO 完整稳性规范[8]进行校核，结果见表1。

表1 完整稳性规范校核结果Table 1 Results of intact stability specification check

由以上实例得到，当运输货物重量超重、重心很高时，不将超宽货物计入船舶航行的静水力分析中，计算结果不满足规范要求，但此时的半潜船是有裕量完成此次运输的，按照实际情况将货物和船舶作为整体进行静水力分析，计算结果满足规范要求，这为超重超大超宽的重大件运输提供了运输可行性，同时节省了调用更大运输船的费用。

2 墩木应力分析

半潜运输中，墩垫木作为常用工装件，在货物和运输船甲板间起到缓冲作用，同时增大摩擦力以克服航行过程中货物所受环境载荷。

在货物未超宽情况下，通常将货物看做刚体来计算货物对墩木的压力，重力较均匀作用于墩木接触面。但是超宽货物在运输船甲板宽度方向跨度大，墩木支撑货物的区域狭窄，货物在自身重力下产生挠度，发生中拱变形。这导致运输船甲板中间和两侧墩垫木受力不均，靠近船舷侧的墩木压力变大，那么将货物看做刚体计算墩木压力得到的结果会与实际有较大偏差。

针对以上情况，在相同的墩木布置、重量重心、环境载荷等条件下，通过计算不考虑货物超宽的墩木应力与考虑货物超宽的墩木应力，以“振华28”从关岛至舟山运输浮船坞的项目为例，分析超宽因素对墩木应力的影响。

2.1 载荷

载荷包括重大件的自身重力、惯性力及风载荷，其中货物的惯性载荷通过耐波性预报软件OCTOPUS 对本航次船舶运动响应进行分析，得到浮船坞分段2 最大加速度为：纵向为0.08g，横向为0.275g，垂向为0.126g（g=9.81 m/s2）。

2.2 不计超宽因素情况下的墩木应力

浮船坞分段2 重8 903 t，自身重心高5.95 m，其墩木布置示意图见图5。

图5 墩木布置示意图Fig.5 Schematic diagram of block layout

将运输船、浮船坞分段2 及墩木组当做刚体，货物因横向、纵向载荷引起的墩木压力计算中，墩木所受压应力与到刚体质心的距离成线性变化，最远处墩木应力最大，见图6。

图6 横向或纵向力下的墩木应力示意图Fig.6 Stress diagram of blocks under horizontal or longitudinal load

上述算例中，横向风载荷为7.4 t，横向风力矩为155 t·m，纵向风载荷为83 t，纵向风力矩为1 737 t·m。墩木组面积为168 m2，自身惯性矩Ix=2.96 m4，Iy=3.53 m4。

纵向、横向及垂向加速度，船坞分段2 的重量及风力矩作用到该刚体上。计算得到最远端距离质心纵向距离23.8 m，距离质心的横向距离为17.15 m，该位置的墩木应力值为0.921 MPa。

2.3 计及超宽因素情况下的墩木应力

货物严重超宽时，在舷外重量下，货物整体发生较严重的中拱变形，此时货物不再适合按照刚体假设处理。利用ANSYS 对“振华28”和浮船坞分段2 进行结构有限元建模，其中舷侧外板、底板、舱壁及肋板等结构利用shell 单元建模，骨材利用beam 单元建模，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3。由于墩木受压不受拉特性，利用spring 单元建模，弹性模量为160 MPa，见图7。

图7 船体结构有限元模型Fig.7 Finite element model of hull

对“振华28”模型船底节点进行x，y，z 向约束；对浮船坞两端节点进行x，y 方向约束。载荷与2.2 节相同。通过以上设置对船舶、浮船坞及墩木组进行有限元分析。

提取墩木spring 单元最大压力为1.06×106N，该单元横剖面为0.6 m×0.6 m，得到最大墩木压应力为2.94 MPa，《海上运输指南》许用值为4 MPa，并且“振华28”与浮船坞的结构应力也在许用范围内。

2.4 结果分析

不计超宽因素情况下的墩木压应力为0.921 MPa，计入超宽因素，在相同的载荷环境下，对运输状态进行实际模拟，得到墩木压应力为2.94 MPa，是刚体假定下的3.19 倍。可见，在货物严重超宽情况下，忽略货物变形，将货物看做刚体的求解方式已不适用，计及超宽货物变形来校核墩木应力十分必要，在设计中必须考虑。

此外，由于船舷两侧墩木的受力远大于货物的刚体假设下的情况，在计算分析墩木压力同时，货物及运输船的局部强度也需校核，以确保船和货物的结构安全，设计时也应予以充分考虑。

3 结语

货物超宽情况在海上重大件半潜运输领域很普遍，通过以上分析，超宽因素对半潜运输的大倾角稳性、下潜/上浮稳性有影响，超宽距离越大，稳性越好。对于运输超重超宽达极限工况的浮体货物，计及实际超宽可增加稳性裕量，增加运输可行性。严重超宽货物在进行墩木设计时，应考虑货物形变对墩木压力分布的影响，建议采用有限元方法进行分析，得到更贴合实际的结果。