驳船装载大型导管架海上拖航分析

葛为结,黄刚,胡跃川

(宁波高新区海星船舶设计有限公司,浙江 宁波 315000)

导管架整体建造后,滚装或吊装至无动力的驳船上再拖航至海上风电场,这是一种经济性较好的运输方式。驳船的选型,驳船装载导管架拖航期间的完整稳性、总纵强度、导管架的绑扎强度及导管架支撑结构的强度,在导管架装船之前需进行计算及分析,为此,结合法规[1-2]、规范[3]、指南[4]的相关规定对驳船装载大型导管架进行海上拖航分析。

1 驳船选型分析

关于载运导管架的船型选择,从以下几方面考虑。①降低运输成本,提高经济性。从底座开始安装到拖航再到卸载,拖航期间还需选择合适的气象条件,整个周期较长,选择无动力驳船载运导管架的经济成本相对较低。②驳船的尺度与导管架尺度要相适应。驳船选型中首先要根据导管架尺寸来选择合适的船宽,船宽要适应导管架支腿下的底座能安装在甲板上。③驳船要有足够的排水量和压载水调节量。在导管架装船阶段根据水位情况需用压载水进行船舶与码头之间高低差的调节,在导管架装船后需用压载水调节浮态和干舷,以满足运输期间的浮态和通航限高要求。

2 拖航稳性分析

根据《海上拖航指南》的规定,驳船在拖航期间的完整稳性应满足船旗国主管机关的要求。国内拖航的船舶完整稳性衡准以满足《船舶与海上设施法定检验规则 国内航行海船法定检验技术规则》的相关要求。法规对拖航时船上无人的箱形驳的完整稳性主要要求如下。

1)稳性衡准数K应满足下式要求。

K=lq/lf≥1

(1)

式中:lq为最小倾覆力臂;lf为风压倾侧力臂。

2)在所核算装载情况下,对于船长为100 m及以下的船舶,复原力臂曲线的正值范围不小于20°;对于船长为150 m及以上的船舶,复原力臂曲线的正值范围不小于15°,对于中间船长可以采用线性内插计算。至最大复原力臂对应的横倾角或进水角为止的(取较小者)复原力臂曲线下的面积应不小于0.08 m·rad。

导管架在船上的布置应考虑对船舶浮态的影响,《海上拖航指南》建议被拖船沿拖带方向具有一定的尾部纵倾,无论如何不能存在首部纵倾。

3 总纵强度分析

根据《国内航行海船建造规范》(以下简称《规范》)的相关要求,船长大于等于65 m的船舶需校核总纵强度。根据船舶的尺度比来确定采用何种方式校核总纵强度。《规范》对箱形驳尺度比同时满足L/B>3.0、B/D≤6.0可按《规范》第2篇第2章进行总纵强度校核,否则应采用直接计算法确定总纵强度。

4 导管架在拖航期间的绑扎分析

导管架在拖航期间应予以可靠地绑扎和固定,当船舶发生横摇、纵摇、垂荡时应确保导管架的平衡。根据《海上拖航指南》的规定,导管架在拖航期间需进行平衡计算,平衡计算应分别校核横向滑动、横向翻转和纵向滑动。

作用在导管架上的横向力Fy、纵向作用Fx、垂向作用力Fz根据《海上拖航指南》附录1的规定进行计算。

横向滑动平衡应满足:

Fy≤μFz(-)+∑CSi

(2)

横向翻转平衡应满足:

Fy·a≤b·Fz(-)+∑CSi·di

(3)

纵向滑动平衡应满足:

Fx≤μFz(-)+∑CSi

(4)

式中:μ为摩擦系数,CSi为第i个系固设备的安全工作负荷,a、b为作用力至翻转中心的力臂。

力和力矩的平衡如果不满足要求,则需对导管架的系固进行优化和调整,直到满足平衡要求。

5 导管架底座及船体支撑结构强度

导管架支腿底部甲板上方一般需设置底座,底座的作用有以下几方面:①将导管架上的作用力经过底座传递到船体上;②对甲板起加强作用,减少或不在船体内部加强,从而降低施工难度;③便于运输完成后把底座拆除,减小加强结构对原空船重量和重心的影响。

导管架底座及船体支撑结构强度一般采用有限元软件进行建模计算分析。如果所分析的结构应力计算值大于许用应力值则需对结构进行加强和优化,直到满足强度要求。

6 实例分析

以某升压站导管架装载在驳船上进行拖航为例,拖航航线为南通市如皋至温州苍南某风电场。

6.1 导管架及运输驳主要参数

该升压站导管架由4根支腿的主体结构、圆柱形的桩靴、长方形的防沉桶等组成。导管架自重约2 300 t,底部4根支腿中心距为:34.2 m×29.2 m,支腿之间最大间距:36.52 m×31.52 m,支腿底部至顶部的高度为54.4 m,导管架的外形尺寸见图1。

图1 导管架结构及布置示意

驳船主要参数为总长Loa=114.3 m、型宽B=36.6 m、型深D=6.1 m、满载吃水d=4.5 m、满载排水量约17 200 t、无限航区、拖航时船上无人的非机动箱形驳,舱内设有19个压载舱,压载水总容量约16 000 t。

从船舶参数可知,船宽比导管架支腿间的最大宽度大5.08 m,可满足导管架支腿及底座布置在主甲板上方,载重量和压载水量能满足装载导管架的要求。

6.2 导管架及底座布置

由于导管架底部的4个防沉桶为非承重结构,不能直接放置于主甲板上,因此在导管架的4根支腿下方需设置4个底座。

底座由上底座和下底座焊接而成,下底座与主甲板焊接。上底座与下底座之间为立柱与斜撑组成的桁架结构,下底座主要筋板与船体构件相对应。设置下底座的目的是:①方便施工人员能进行防沉桶内安装支腿处的支撑肘板;②将导管架支腿上的作用力分散传递给船舶结构。

图1显示,导管架布置于主甲板上方中部区域,整体重心略偏舯后。导管架4根支腿放置于上底座顶平台,支腿四周设有防滑动的支撑肘板,支撑肘板与上底座顶平台焊接,支撑肘板与支腿之间用实木塞紧。

6.3 拖航稳性计算与分析

导管架装载后的高度需满足苏通大桥的通航高度。根据资料显示苏通大桥距水面的最大净高为62 m,导管架装载后距水面的安全高度应不大于60 m,船舶装载导管架后的干舷不超过2.2 m。

为确保安全,拖航时采用加压载水来减小船舶干舷,降低重心高度。压载水舱尽量加至满舱,以减小自由液面对完整稳性的影响。

按沿海航区拖航时船上无人的非机动船进行稳性核算,因拖航时船上无人,燃油、淡水无消耗,完整稳性只需校核一种装载导管架出港的工况。采用中国船级社的Compass软件进行稳性核算,拖航稳性的主要参数及衡准见表1。

表1数据表明,该船装载升压站导管架的拖航稳性满足文献[1]的要求。艏、艉吃水差表明,拖航工况不存在艏部纵倾,符合《海上拖航指南》对被拖船的浮态要求。该工况导管架下方船舶的最大干舷为1.785 m,此时导管架顶部距水面的最大高度为59.585 m,满足苏通大桥的通航限高。

表1 驳船拖航稳性的主要参数及稳准

6.4 总纵强度计算与分析

该船为箱形驳,尺度比L/B>3.0、B/D≤6.0,总纵强度按《规范》2篇第2章要求进行校核。

1)波浪弯矩和波浪切力。波浪弯矩和波浪切力按规范公式计算得:

中拱波浪弯矩Mw(+)=556 598.87 kN·m,

中垂波浪弯矩Mw(-)=-575 532.93 kN·m,

中拱波浪切力Fw(+)=13 825.731 kN,

中垂波浪切力Fw(-)=-13 370.888 kN。

上述波浪弯矩和切力计算值已按沿海航区折减15%。

2)重量与浮力分布。拖航工况的重量、浮力沿船长方向分布见图2,图中站号根据船长分成20站。

图2 拖航工况重量、浮力分布

3)许用静水弯矩和许用静水切力。根据该船资料,选取肋位号Fr9、Fr17、Fr25、Fr35、Fr40、Fr46作为校核剖面,各剖面的许用静水弯矩M(-)s和许用静水切力F(-)s见表2。

表2 各剖面中拱和中垂许用静水弯矩及;许用静水切力

4)总纵强度计算及稳准。在拖航工况装载的基础上,在Compass软件中输入表2中的许用应力值。计算得到最大静水剪力和弯矩以及与许用值的百分比见表3,各剖面计算数据见表4。

表3 最大剪力和弯矩计算数据

表4 各剖面静水弯矩和剪力计算数据

由表3可见,最大剪力与许用值之比为98.4%,最大弯矩与许用值之比为23.8%,出现在导管架前端支腿下方区域。由表4可见,各剖面的静水弯矩和剪力计算结果满足《规范》要求。

6.5 作用在导管架上的力

拖航期间作用在导管架上的力计算如下。

横向作用力:

Fy=MAy+Fq+Fw=12 573.81 kN;

纵向作用力:

Fx=MAx+Fq+Fw=4 510.01 kN。

垂向作用力(对导管架滑动平衡、翻转平衡):Fz(-)=M·(g-a)=16 339.2 kN。

垂向作用力(对底座及船体支撑结构):Fz(+)=M·(g+a)=28 786.8 kN。

其中,导管架自重M=2 300 t,风作用力Fq=665.55 kN,海水飞溅力Fw=26.46 kN,横向加速度Ay=5.166 m/s2,纵向加速度Ax=1.66 m/s2,垂荡向加速度a=2.706 m/s2。风作用力、海水飞溅力、加速度按《海上拖航指南》中的规定进行计算。

6.6 导管架在拖航期间力和力矩的平衡分析

6.6.1 横向翻转平衡校核

假定导管架横向翻转点为左舷或右舷导管架支腿底部中心,横向翻转平衡校核如下。

bFz(-)=14.60×16 339.2=238 552.3 kN·m,

Fya=18.20×12 573.81=228 843.34 kN·m。

其中横向作用力翻转力臂a=18.2 m,导管架自重抗翻转力臂b=14.60 m,如图1所示。

计算结果显示Fya

由于bFz(-)/(Fya)=1.04,抗翻转安全系数较小,为确保安全,在导管底部靠舷侧水平杆上单边采用4组钢丝绳进行系固(见图1),钢丝绳最小破断拉力为535 kN。

增加钢丝绳系固后的横向抗翻转总力矩为301 040.3 kN·m。

钢丝绳为一次性使用,破断安全系数取2,每组钢丝绳按2根计算,抗翻转力臂取29.2 m。此时抗翻转安全系由1.04提高至1.32。

6.6.2 横向滑动平衡校核

为抵抗导管架受横向作用力不产生滑动,在每根导管架支腿的底座上外侧设3块横向支撑肘板、内侧设3块横向支撑肘板,其中每块肘板的抗剪面积Ay=15 000 mm2。

肘板屈服应力ReH=235 N/mm2,许用剪切应力[τ]=90.38 N/mm2,则外侧每块肘板的安全负荷CS1=90.38×15 000=1 355.7 kN。4根支腿共由12块肘板承受导管架的横向作用力,则12块肘板安全负荷CS12=16 268.4 kN。由6.5节得知横向作用力Fy=12 573.81 kN,Fy

横向抗滑动安全系为CS12/Fy=1.29。

为确保安全,在导管架底部底座平台上垫一层木板或橡胶,此时由自重产生的摩擦力为

μFz(-)=0.3×16 339.2=4 901.76 kN。

此时抗滑动安全系由1.29提高至1.68。

6.6.3 纵向滑动平衡校核

纵向抗滑动的支撑肘板规格和数量同横向设置,抗滑动安全系为CS12/Fx=3.6,表明导管架纵向滑动平衡满足《海上拖航指南》要求。

6.7 导管架底座及船体支撑结构强度分析

6.7.1 有限元模型

采用MSC.PATRAN/NASTRAN有限元软件进行建模并进行受力分析。导管架主支腿采用板(shell)单元、其余采用梁(beam)单元,船体和底座采用板(shell)、梁(beam)结合的单元形式对结构进行模拟建模。主船体模型选取导管架安装区域的全宽舱段结构,前后端分别位于横舱壁处。有限元模型见图3。

图3 导管架、底座及船体支撑结构模型

导管架放置于底座上,其底部与底座顶平面不焊接,模型中采用MPC方式将导管架支腿底部与底座顶平面关联Uz,与横向抗滑动肘板(与作用力同向的肘板)关联Uy、与纵向抗滑动肘板(与作用力同向的肘板)关联Ux。

6.7.2 边界条件

对模型前、后端横舱壁边缘上所有节点约束3个线位移:ux=uy=uz=0。

6.7.3 载荷工况

根据《海上拖航指南》对于单独的工况,最危险的组合如下。

工况1:横摇+垂荡;

工况2:纵摇+垂荡。

载荷按上述2种工况分别通过MPC方式施加于导管架重心位置。

6.7.4 材料特性及许用应力

导管架底座主要以H型钢和钢板焊接而成,采用Q345B级钢,料屈服应力ReH=345 N/mm2。船体结构主要材料为船用A级钢,材料屈服应力ReH=235 N/mm2。

其中许用应力参考《规范》第2篇第3章第7节对起重设备支撑结构和基座的规定,许用正应力[σ]=0.67ReH,许用剪应力[τ]=0.39ReH,许用相当应力[σe]=0.8ReH。

6.7.5 计算结果及稳准

经分析,底座部分最大应力出现在上底座底部靠舷侧区域,船体内部最大应力出现在底座下强横梁与强肋骨过渡区域。底座和船体结构有限元分析结果及稳准见表5。

表5 底座及船体结构应力结果及稳准 N/mm2

表5显示船体结构和底座结构的各项应力计算值都小于许用值,表明所分析的结构强度满足《规范》的相关要求。

7 结论

1)通过对运输驳选型的分析,确定船宽和压载水调节能力是选型中最主要的参数,船宽需满足导管架及底座的布置,压装水调节能力需满足导管架装载后浮态和干舷的要求。

2)案例分析表明,导管架底部的防沉桶形状限制了底座的布置空间,不利于导管架上的作用力传递给船体,也增加了底座的设计和制作难度。

3)对翻转平衡的分析表明,导管架自重产生的抗翻转力矩理论上满足平衡条件,但安全系数较小,为确保海上拖航安全需提高安全系数。

4)对滑动平衡的分析表明,在导管架底部增加木板或橡胶垫时,摩擦力明显增加,相比钢与钢接触的湿表面抗滑动能力可提高约30%。

5)对底座及船体支撑结构的强度分析表明,导管架支撑结构仅设置在主甲板上,强度也能满足规范要求,实现了不在主甲板以下船体内部加强的想法,降低了安装与拆除支撑结构的施工难度。

6)船舶稳性和总纵强度虽满足法规和规范的要求,但部分计算值已接近许用值,建议在良好的气象条件进行拖航。