冰载荷下非对称无横撑25 000 t SSCV强度评估

郭勤静，徐立新，王金光，刘建成，薛娟

(1.招商局工业集团有限公司研发中心，广州 深圳 518067;2.招商局海洋装备研究院有限公司,广东 深圳 518067; 3.招商局集团海洋工程技术中心，江苏 海门 226116)

世界海洋油气资源的勘探与开发已经走向深海多年，许多服役多年特别是在靠近极地的平台逐渐开始老化，需要更新换代。大型平台的回收及运输市场需求大，具有超重型起重及大模块运输功能的平台设计与开发，特别是具有冰级符号的新型起重平台很受关注。受操作空间的限制，传统半潜式起重平台/船(semi submersible crane vessel，SSCV)[1]只能进行双吊联合起重，无法实现双吊联合回转，吊装作业需依靠驳船辅助运输模块，平台使用效率受影响。

目前国际已有的超重型起重平台船型，常见的布置是将2个重型吊机布置于艉部，左右下浮体对称，横跨较小并有横撑支撑，纵向甲板较长，如HEEREMA SLEIPNIR超重型起重平台，2个各10 000 t的超重型吊机左右对称布置于艉部，总起重能力20 000 t。传统的设计方案中因工作半径不足，以及左右舷布置的吊机之间距离太短，无法实现联合起重、回转等功能，从而无法将模块转运到主甲板上。另一种特殊设计如GRETA(格雷塔)，联合起重3 600 t，2个1 800 t吊机平行布置于甲板盒一侧，大浮体的上方，采用左右舷非对称浮体无横撑结构设计。可联合起重回转，但缺点是起重吊装能力偏低。

根据功能要求，拟设计一型新型SSCV，需要具备单吊12 500 t起重能力，总起重能力25 000 t，并有充足的联合起重回转半径将模块放置于甲板，满足大型模块安装、拆解并可以运输的功能，可供400～500人居住。目标工作海域为世界范围内包括北海、巴伦支海、墨西哥湾等海域及冰区等的要求，满足冰级A0的符号要求。

1 整体方案及结构总强度分析

1.1 船型主尺度

根据船型功能要求，在总体布置阶段，考虑布置2部12 500 t大吊在主甲板右舷，设计非对称下浮体、无横撑结构船型。在概念设计阶段，重点根据重型吊机的布置如艏艉布置、舷侧单侧布置位置不同，设计对称与非对称下船体船型；根据整船功能排水量要求，确定比较合理的主尺度。对于非对称船型，通过优化2个浮体之间的体积比来提高浮体的稳性，并计算运动响应进行量化对比以改善水动力性能。船型外观布置见图1，主尺度见表1。船体主尺度及其运动响应直接决定了总体强度的应力情况。因此,对于全球首例超大型海上起重设备，需要评估设计的船型整体结构强度能否满足要求；同时要在设计初期考虑冰级符号A0对结构加强的要求及引起船体结构的重量差异。

图1 船型外观图总布置示意

表1 船型主尺度

1.2 平台载荷及计算

根据DNV-RP-C103[2]，特征总体水动力响应考虑横向分离力、转矩、纵向剪力、垂向弯矩、纵向加速度、横向加速度、垂向加速度等，重点关注横向分离力、总体转矩、纵向剪力和垂向弯矩等主要特征载荷的响应，以及最大响应值所对应的波浪周期、浪向及相位。采用设计波方法[5-6]，针对风暴自存吃水的波浪载荷响应进行计算，利用确定性方法计算得到典型设计波的参数，在基础设计前期阶段对风暴自存工况进行简化总体强度评估。考虑本船型设计为左右非对称的浮体，各工况的浪向搜索范围为0°～360°，步长15°。根据规范所述不同工况下引起各个特征向量最大值所对应的危险波长不同，设计波周期不同，根据公式计算特征周期及搜索范围见表2[3]。

表2 设计波特征周期计算及选择范围 s

1.3 总体屈服强度计算及校核

根据半潜平台总体强度简化分析流程[4]，采用SESAM软件创建简化质量模型，板壳模型中所有的舱壁、实肋板等创建成板壳模拟，型材包括框架和加强筋、柱子等全部创建梁单元模拟合理配置刚度矩阵，主要设备、压载等以质量点模拟，在总体有限元模型中加载(永久载荷)、根据压载报告调平得到总体质量模型，见图2。

图2 总体质量模型

网格划分基于强构件间距，边界加载参考DNV-RP-C103边界条件3(约束X,Y,Z位移)-2(约束Y,Z位移)-1(约束Z位移)加载方法。根据表3输入条件计算得到设计波共计30个动态及1个静态工况，进行总体强度计算及动态静态工况后处理组合计算，得到相应工况下的总体屈服强度分析结果。

表3 风暴自存工况下典型设计波参数

1.4 总强度计算结果

通过以上处理计算出所有设计波下的强度结果，进行静态工况与所有动态工况组合叠加及应力搜索，得到风暴自存工况下最大的总体强度应力及屈服强度利用率结果见表4。无横撑结构方案的典型工况下的总体屈服强度结果云图见图3～5。

表4 风暴自存工况下结构总体强度(有无冰载荷)

图3 静态工况屈服强度

图4 横浪分离力下屈服强度-横舱壁

图5 斜浪扭转工况屈服强度-横舱壁

1.5 屈服应力结果分析

组合工况下安全系数取值1.11，材料最大屈服强度为355 MPa，强度分析结果中许用应力为355 MPa/1.11=320 MPa。

表4屈服强度结果表明，除连接处结构强度超过许用应力需进行局部优化设计及细网格分析计算，其余部分结构应力满足要求，船型整体结构应力分布较为合理。

甲板盒纵向舱壁应力幅值较低，较大应力分布在甲板盒横舱壁的左右舷侧部分、立柱与甲板盒内侧连接处、立柱与浮体连接处等特殊连接处，需设计较大弧形板并配合合理的板厚和钢材等级并优化局部结构设计。通过分析不同浪向下的应力结果可知，无横撑结构来克服波浪引起的分离力，以及在水平面内及垂直平面内缺乏支撑结构抵抗斜浪作用到外板结构上引起的总体转矩，是导致全船结构总体强度应力幅值较高的主要原因。无横撑结构对总纵强度影响较小，由于本船船长较长，需设计多个立柱来缩短平台纵向立之间的跨距以提高平台的总纵强度。无横撑结构引起甲板盒横向舱壁左右舷区域应力过高，会导致详细设计时多种形式的开孔难度提高，因此开孔的布置要避开高应力区，布置在平台的低应力区，开孔形式特别是角隅的倒角形式及半径要特殊考虑，同时无横撑结构会导致上部连接处的结构疲劳强度难以满足[7-8]。

2 冰级要求及结构加强

2.1 冰级要求

该平台主甲板需设计为防冻并具有ABS冰级A0符号，使其能在极地1年冰况下的北极环境中正常运行。平台经济拖航速度为11 kn，最大拖航速度15 kn，推进器等机械设备、电气系统、管路等的设计需要满足冰级要求。

艏、艉的形状需要在开阔水域和冰上有最佳的性能。因此艏部的线型设计必须最大限度地减少开放水域的阻力，需要优化具有通过一年冰况的能力。

平台横向宽度比典型的破冰船宽，因此即使平台沿着被破冰船破碎的航道行驶，浮体也可能超出航道，导致浮体艏部必须进行结构加强来抵抗除了开放水道中的砰击荷载外的冰区载荷。对于浮体的艉部，型线设计应尽可能将艉推进器避开破碎的冰块，同时又不影响推进效率。

平台在5～6 kn拖航速度下在碎冰航道上航行需进行结构加强。计算冰载荷用来评估平台局部结构的强度，动态运动分析不需要考虑冰载荷。

2.2 冰载荷下结构设计加强

冰载荷下结构设计与分析以ABS MODU规范[9]为依据。一般情况下，需要在冰载荷下再次计算冰带范围内结构的尺寸，并与初始规范设计值对比，最后完成结构的加强。主要参考ABS MODU Part3, Chap.2, 1.11.1 结合ABS SVR[10]Part6 6-1-5/11 6-1-5/27内容。具体流程如下。

1)确定冰带范围(Ice Belt)。半潜起重平台浮体冰区范围上下边界考虑两个拖航工况12 m(下边界：Lower Ice Line)和14 m(上边界：Upper Ice Line)吃水，见图6。

图6 冰带范围和浮体分区示意

2)确定冰区范围内的船艏区(BOW)、船舯区(MIDBODY分为外侧板壳和内侧板壳)和船艉区(AFT)，见图6。关于这3部分的分区，参考规范规定，浮体参考ABS MODU-PART3上3-2-A1的FIRGURE1。艉部AFT区域从斜角截止部分往艏方向0.025Lw(Lw为浮体全长)，艏BOW区域从艏部俯视图椭圆弧趾端往船尾方向0.012 5Lw。

3)根据冰级A0要求，计算不同区域对应的冰载荷压力p，MPa。

p=K1K2K3D0.2

(1)

式中：K1、K2、K3为与不同冰级符号对应的冰载荷系数，K1、K2参考3-2-A1/Table 3；K3=1.0-0.4sin2β，β为冰带结构上计算位置的张开角度，在垂直面与外壳之间测量；D为在冰带上部边界水线吃水时整船的排水量，t。

4)根据冰载荷压力值计算不同区域的板厚、型材剖面模数等。

与初始规范计算(考虑设计压头、快速压载舱、砰击压力等)值进行比较，选择最大的尺寸值作为最后的结构加强尺寸。大浮体冰带范围内板厚计算值与初始规范计算值对比见表5。

表5 有无冰载荷压力浮体外壳冰区板厚 mm

5)相关设计考虑。

①设计冰载荷压力作用的垂向范围。在确定局部冰区结构尺寸时，A0冰级要求下设计冰载荷压力的垂向范围不小于0.52 m。

②冰区范围加强筋间距。冰带区域内，纵向加强筋数量需要加倍，加强筋间距设计为原来的一半，从750 mm加密为375 mm。

③冰区范围艏尖舱横向框架间距。对于艏尖舱内部和附近，在Lw≤270 m时，横向框架间距需满足不超过2.08Lw+438 mm，即

大浮体不超过934.08 mm，选择900 mm；

小浮体不超过872.72 mm，选择850 mm。

④统计有冰载荷压力下，2个浮体钢结构总重增加600 t左右，相对于2个浮体2万多t的钢结构重量，增加的比例约2%～3%。相对整船结构重量，冰载荷下结构加强增重对整船重量中心几乎没有影响。

6)将冰载荷压力下结构加强尺寸，在总体有限元模型上更新并分析计算，结果补充到表4与未考虑冰载荷计算结果基本相同，只有冰带范围及附近局部区域的结构应力有稍许降低，表明冰载荷主要影响平台局部结构强度，对整体结构强度影响较小。

3 结论

1)无横撑结构船型总体屈服应力分布合理，高应力出现在关键连接处区域，需要进一步细化分析；无横撑结构会导致上部甲板盒与立柱连接处需要设计更大弧度的钢板来解决该区域高应力问题。由于起吊重量很大，相对于目前市面上无横撑起吊4 000 t左右的船型来说，25 000 t无横撑方案的弧形板连接处的结构设计及后期建造难度更高。

2)在无横撑结构半潜起重平台基础上，增加冰级符号要求的设计，形成冰级结构设计加强流程。与无冰载荷时对比，冰载荷下结构加强后钢结构重量增加比率较小，对整体强度影响较小，冰带范围附近的局部结构强度影响较大，并需要大幅增加浮筒艏部板厚以抵抗冰载荷的影响。

随着极地钻井平台的逐步开发应用以及冰区老旧平台的拆卸，极地冰区超大型半潜起重平台需进一步开发设计，设计满足冰区要求甚至更高冰区符号要求的海工起重平台。对于本文所述全球首例船型的开发需要进一步深入研究，①纵向立柱不同数量和间距的布置设计；②大弧形板结构连接形式与传统连接形式对比；③冰级符号的进一步应用研究。