一种非对称半潜式起重平台有无横撑方案对比

郭勤静，徐立新，王金光，刘建成，陆海东，Indra Datta

(1.招商局工业集团有限公司 研发中心，广东 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 南通 226116)

0 引 言

世界海洋油气资源的勘探与开发已经走向深海多年，许多服役多年的平台逐渐老化，大型平台的回收及运输市场潜力巨大，设计与开发具有超大起重能力和大模块运输功能的半潜式起重平台逐渐占据平台安装拆卸运输市场的份额。在这种超重型起重、拆解、大模块运输功能需求下，对于有无横撑，特别是无横撑结构设计的新船型，整个船体结构的总体强度能否满足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，变得格外重要。目前国内针对横撑结构已有一些具体研究及工程应用[1-8]。从这些文献可以看出，有无横撑设计的产品在市场中有着不同的竞争力。

所设计的船型基于某超重型半潜式起重生活平台，将2个12 500 t起重机平行布置于大浮筒上方对应的甲板盒一侧，计划采用非对称浮筒结构设计，考虑25 000 t联合起吊，需要对船型设计方案进行实际分析。从无横撑与有横撑两种船型出发，探讨设计有无横撑选择的多种影响因素。然后从结构设计角度出发，基于同一个总体质量模型，对无横撑与有横撑方案的整体结构强度进行分析对比，进而对该船型是否设计横撑提供一定的量化参考依据，便于半潜式起重平台船型开发及优化。

1 设计有无横撑结构考虑因素

主要从商务、设计、建造、风险等4个方面进行考虑：

(1)商务方面。从市场上看，超重型无横撑船型更新颖，对目标客户吸引力大；从资本支出上，无横撑船型超大的上部连接处弧形板材料级别高，焊接工艺难度大，材料与建造成本更高；从运营成本上，无横撑船型在相同航速下DP功率消耗更低，在同等功率下航速更快、操作性更佳、运营成本更低。

(2)设计方面。从稳性设计上，相对于25 000 t起重船船体总重来说，有无横撑结构引起整船重量重心的差别较小，影响较小；从运动气隙和砰击上，有横撑船型存在横撑砰击问题，且有横撑阻尼更大，抨击分析计算难度大；从结构设计上，有横撑船型涉及横撑的布置、横撑连接处设计和强度疲劳分析，有无横撑船型的结构设计效率需要详细对比。

(3)建造方面。从施工建造设备、码头深度、船坞条件等方面进行考虑，无横撑结构下水难度较大，在建造上存在一定的困难。考虑冰载荷下的拖航操作，无横撑船型易于拖航。

(4)风险方面。对于超重型起重平台，如单侧布置2个12 500 t重型起重机、联合起吊25 000 t、有冰级符号的船型，有无横撑都存在一定风险。

对于工程设计研究来说，主要从设计方面对比有无横撑、不同横撑方案之间的结构强度。

2 非对称无横撑方案

以一种非对称无横撑结构船型的概念设计作为实例进行对比分析。

2.1 船型主尺度

船型外观布置如图1所示，主尺度如表1所示。

图1 船型外观总布置图

表1 船型主尺度

2.2 平台载荷及计算

根据DNV-RP-C103[9]，平台总体强度的控制因素较多，重点关注横向分离力、横向扭矩、纵向剪力和垂向弯矩等主要特征量的响应，以及最大响应值所对应的波浪周期、浪向和相位。采用设计波方法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，即概念设计完成时，对风暴自存工况进行简化强度评估，对比此工况下船型结构极限强度的计算结果。

考虑本船型设计为左右非对称浮筒，各工况的浪向搜索范围为0°～360°，步长为15°。根据公式计算特征周期及选择范围如表2所示。

表2 设计波特征周期计算及选择范围 s

2.3 总体屈服强度计算及校核

根据半潜式平台总体强度简化分析流程[10]，采用SESAM软件创建简化质量模型，在板壳模型中所有舱壁、实肋板等创建成板并以壳单元模拟，型材包括框架、加强筋、柱子等全部以梁单元模拟，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)并根据压载报告调平得到总体质量模型如图2所示，网格单元划分大小为强梁间距，边界条件参考DNV-RP-C103[9]3点约束(3-2-1)方法。采用根据表3计算得到的设计波共计30个动态和1个静态工况，进行总体强度计算，并进行动态静态工况组合，得到相应总体屈服强度分析结果。

图2 总体质量模型-无横撑方案

表3 风暴自存工况下典型设计波参数

续表3 风暴自存工况下典型设计波参数

2.4 总强度计算

无横撑结构方案在典型工况下的总体屈服强度结果如图3和图4所示。

图3 无横撑方案静态工况屈服强度

图4 无横撑方案分离力下屈服强度

3 有横撑方案

3.1 横撑结构设计评估

第2节所述实例船型具有接近70 m的超大内跨度，横撑结构的设计和布置较困难，横撑的长度太长，长细比(长度与回转半径比)和径厚比(直径与厚度比)数值较大，对横撑自身强度及连接处的结构设计强度也提出更高的要求。将2根或3根横撑平行布置，布置3根横撑会减小每根横撑的直径并增加横撑之间的连接处强度处理问题。对2根横撑布置方案来说，不同的间距会影响结构的应力传递，需要量化对比不同间距所引起的结构整体强度及连接处局部强度。

基于同一个结构质量模型，以简化梁模拟横撑，采用刚架梁简化评估方法[4]评估不同方案的总体强度。列举几种主要横撑布置形式(见表4和图5)，将其与无横撑结构方案进行定量对比。

表4 典型横撑布置形式

图5 4种不同的横撑布置方案

3.2 有横撑方案强度

有横撑结构(方案2)在典型工况下的屈服强度结果如图6和图7所示，可直接看出甲板盒左右舷的横舱壁、甲板、艏艉封板等处总体屈服强度有明显不同。

图6 有横撑方案静态工况屈服强度(max.400 MPa)

图7 有横撑方案分离力下屈服强度(max.15 MPa)

所有方案特殊位置的应力大小如表5所示。由表5可知，有无横撑结构的总体屈服强度各有不同。从如下几个方面进行分析。

表5 不同方案结构总强度对比 MPa

(1)结构重量重心。与无横撑方案相比，加横撑会稍微减少上部连接处(甲板盒与立柱之间)弧形板设计及板厚(从50～60 mm降低至35～45 mm)，但增加横撑会增加横撑与立柱连接处结构重量，导致结构重量增加。有横撑方案模型的总体重心降低0.3 m左右，对总体强度影响较小。

(2)典型区域。甲板盒与立柱连接处：有无横撑方案的横向位置应力接近；对于纵向外板，无横撑方案应力偏大，易出现局部高应力，有横撑方案可降低该现象使应力较为均匀，二者相差200 MPa左右，此处板厚无横撑方案稍高于有横撑方案。立柱与浮筒连接处：有无横撑方案纵向外板上的应力基本一致，差别在20～30 MPa；有无横撑方案在总纵强度上几乎没有差别；对于水平面内平台在斜浪上的抗扭转能力，由于纵向长度过长，几个横向的水平横撑与纵向浮筒组成的水平面对平台抗扭转能力的增强效果不明显。

与无横撑方案相比，有横撑方案会将甲板盒与立柱以及甲板盒内部的高应力在一定程度上转移至下船体，虽在一定程度上降低了上部连接处高应力幅值，却导致横撑与立柱连接处高应力区域的出现，使结构设计强度校核面临更大的挑战。

(3)船体主要舱壁。甲板盒作为抵抗横浪产生的弯矩和斜浪产生的扭矩的最主要结构部分，其整个厚度对总体强度影响较大。对于甲板盒主甲板和底甲板中部区域，有横撑方案的结构应力比无横撑方案低90～110 MPa。对于甲板盒艏艉封板舱壁，有横撑方案比无横撑方案低100 MPa左右。对于甲板盒内部横舱壁，有横撑方案结构应力比无横撑方案低40 MPa左右，应力主要分布在左右舷处于浮筒正上方的横舱壁。有无横撑对整个船体纵向结构的强度影响较小。

(4)甲板盒开孔。有横撑方案可有效抵抗分离力，并在一定程度上降低扭转的影响，从而降低甲板盒中处于浮筒正上方的横舱壁的应力，有利于横舱壁上门孔等大开孔布置。反之，无横撑方案使浮筒正上方大面积横舱壁应力较高，引起大门孔等布置困难，提高开孔布置及强度分析的难度。因此在甲板盒内横舱壁上开孔布置及分析计算上，有横撑方案稍优于无横撑方案。

3.3 结构设计效率

综上所述：与无横撑方案相比，有横撑(或再增加斜撑)方案在上部甲板盒与立柱连接处、甲板盒艏艉封板、横舱壁及上下甲板等区域的应力偏小；在甲板盒横向舱壁开孔及连接处结构强度解决难度上，有横撑方案设计难度有一定程度的降低，但有横撑方案的横撑、横撑与下船体连接区域应力都较高；无横撑方案在结构设计上只需把设计重点放在甲板盒与立柱连接处、甲板盒横向舱壁上，有横撑方案除需要解决上述位置结构强度问题外，还需要解决立柱-浮筒-横撑连接处强度、横撑强度、横撑承受波浪砰击、拖航难度等技术难题，特别是较大的长细比和径厚比使屈曲强度的校核更有挑战性。因此，对于本型半潜式起重生活平台，无横撑方案在结构设计效率上更有优势。

4 结 论

对于本船型，从整体要求出发考虑设计方案，无横撑非对称船型结构设计优于有横撑非对称设计船型，在有横撑方案中方案2较合理。

多方案对比分析可为新船型的开发设计和结构设计方案定型提供直接参考，有无横撑方案各有优劣，但是否设计横撑，需要根据总体功能及市场需求来决定。

对于超重型联合回转起吊和模块运输要求的半潜式平台，在设计选型上需进一步研究如下内容：(1)对称与非对称大型半潜式起重船型设计开发；(2)无横撑方案连接处结构疲劳强度评估；(3)不同支撑形式(横撑、斜撑等)与甲板盒厚度组合方案强度评估；(4)极地冰级要求下结构设计评估。