半潜船船体改造设计分析

郭志强

(舟山中远海运重工有限公司，浙江 舟山 316131)

近年来，随着人类生产活动的需要，以及造船水平的提高和造船所用材料的改进，船舶和海工产品呈现出大型化的趋势。就目前的造船产能分布来看，大型化的船舶和海工产品主要集中在中国、韩国、新加坡和日本建造，而这些产品在建造完成后大多服务于墨西哥湾、巴西等世界主要石油产出区。这些大型化的船舶和海工产品从建造厂到它们最终的服务区域有相当长的距离，由于部分海工产品自身无动力，并且考虑到运输途中的安全性和便利性，海工产品从建造厂到其最终服务区域基本上是采用半潜船干拖的方式装载运输。

面对越来越大型化的海工产品，使用航运市场上现有的半潜船装载运输，无论是从半潜船的尺度上、还是半潜船的强度上都面临着挑战，但是如果为了某一种海工产品的运输而量身定做专门新造半潜船，这显然是不够经济的。当下流行的做法是在现有半潜船的基础上加以临时性的改造，以使半潜船满足大型海工产品运输航次任务的需要，比如本文所提到的在现有半潜船舷侧加装浮体的方式，此举对使用现有半潜船运输大件货物(大型海工产品)具有重要意义。

现有半潜船的改造需要经过详细的计算和周密的考虑，以保证半潜船改造后的船体强度，本文以某半潜船运输大型海洋石油钻井平台为例，对半潜船船体改造设计进行论证分析。

1 运输状态

某半潜船执行运输大型海洋石油钻井平台作业，其中半潜船总长216.7 m，型宽43.0 m，主甲板型深13.0 m，设计吃水9.68 m，载货甲板尺度177.6 m×43.0 m，载荷48 163 t；作为货物的钻井平台总长88.8 m，总宽59.0 m，总质量22 698 t，将半潜船与钻井平台主要参数做对比，半潜船与钻井平台主要参数对比如表1所示，从表1明显可见，钻井平台宽度超出半潜船船宽16.0 m。

表1 半潜船与钻井平台主要参数对比

半潜船运输钻井平台的装载效果图如图1所示，钻井平台在宽度方向上两舷侧明显超出半潜船船宽，钻井平台两侧缺少半潜船给予的有效支撑。

图1 半潜船运输钻井平台的装载效果图

2 半潜船船体改造

针对此大型海洋石油钻井平台的装载运输，为了解决货物超宽问题，并保证运输时半潜船对海洋石油钻井平台有足够的支撑，以及确保满足船舶的稳性衡准，采取在半潜船舷侧新安装4个附加浮体的方式对半潜船船体进行临时性改造，4个浮体均为钢材质焊接安装式浮体，附加浮体分为2组，每组左右舷对称，安装在半潜船船首1组，船尾1组，半潜船船体改造具体示意如图2所示。

图2 半潜船船体改造示意图

其中，单个艉部浮体长度24.0 m，宽度8 m，高度6 m，质量140 t；单个艏部浮体长度16.8 m，宽度8 m，高度6 m，质量110 t。4个浮体均使用DH36级别高强度船用钢材制造[1]，钢材密度为7 850 kg/m3，DH36级别钢材的屈服强度(σy)为355 MPa，安全系数取为0.8，故其许用应力为284 MPa，浮体的参数如表2所示。

表2 浮体的参数

3 新加浮体及其周边船体结构强度校核

因4个浮体结构相似，取左前浮体为例进行强度校核，强度校核采用有限元强度分析的方法进行，在有限元强度分析过程中除另有说明外，各单位均使用国际单位制，即力的单位为N、长度单位为m、力矩单位为N·m、应力单位为MPa。有限元强度分析基本过程为先对浮体及其周边船体结构进行有限元模型建模，然后对建好的有限元模型施加约束(即边界条件)，接下来是对有限元模型进行载荷加载，包括外部载荷和自身载荷的加载，外部载荷即是钻井平台对其的压应力，自身载荷即为其自身质量，最后是对施加好约束和载荷的模型进行求解，得出应力值[2]。

3.1 有限元模型建模

有限元模型建模的依据为浮体结构图纸和半潜船结构图纸，根据相关结构图纸信息对浮体结构和其周边船体结构进行有限元建模，浮体结构和周边船体结构全部采用板单元进行模拟，在对板单元进行网格划分时，平均网格尺寸划分为200×200，但浮体支架与浮体本体连接处为危险截面，因此将连接处网格尺寸细化为100×100进行分析。

3.2 对模型施加约束(边界条件)

在周边船体结构建模时已经包含了邻近舱段的前后端横舱壁和邻近舷侧的纵向舱壁，选取前后端横舱壁和纵向舱壁作为边界，对其所在面上所有单元的节点施加约束，约束条件为限制节点在X、Y、Z3个方向的位移。

3.3 载荷加载

本次运输任务中半潜船所装载的钻井平台总质量为22 698 t，其对浮体及周边船体结构的压应力载荷是通过半潜船甲板与钻井平台之间的垫木传递到半潜船上的。在将钻井平台总的压应力进行分解，并经过转换处理和简化后，钻井平台对浮体及周边船体结构的载荷如图3所示，图3中数字单位为牛顿，钻井平台对半潜船和新加浮体的压应力施加到各个相关单元的节点上，这也是半潜船及新加浮体所受的外部载荷；同时半潜船和新加浮体本身亦受重力，在有限元强度分析软件设置时，已经将此情况考虑在内，这也是半潜船及新加浮体所受的自身载荷。

图3 钻井平台对浮体及周边船体结构的载荷

3.4 有限元应力分析

经过上述步骤的准备，有限元模型已经具备最后求解应力的条件，利用软件内置求解器对模型进行应力求解，得出浮体和周边船体结构所受的应力，其典型横剖面应力云图如图4所示。通过分析应力云图，可见在钻井平台的运输中，浮体周边船体结构所受最大应力值为225 MPa，新加浮体所受最大应力值为256 MPa，均小于各自的许用应力284 MPa，将求解得出的应力汇总如表2所示。

图4 有限元模型典型横剖面应力云图

表2 应力汇总表

4 结束语

从对半潜船新加浮体船体改造设计的论证与分析可知，在本次运输中新加浮体及半潜船的结构强度是足够的，钻井平台运输任务安全可靠。在实际工作中，如本例情况货物重量在半潜船的载重量以内，但货物尺寸超宽超长等的案例很多，通过将现有半潜船船体进行适货性改造，并对船体改造设计进行充分论证与分析，以保证半潜船船体改造的强度和远洋大件运输的安全性，此举对于使用现有半潜船运输大件货物具有一定的借鉴意义。