某半潜船型建造中的非常规风险控制

2023-10-18陈旭东朱见华

船舶标准化工程师 2023年5期

陈旭东，朱见华，张雷

（招商局重工（江苏）有限公司，江苏南通 226116）

0 引言

半潜船的特殊性在于具备一定的半潜功能，即可以通过将露天的主甲板潜入水中，进行货物的装载及卸载等工作，并通过浮箱和生活楼提供浮力，保证船舶的继续漂浮作业。目前世界上的半潜船型式较多，邵启一[1]曾对国内外的半潜船型式进行过阐述，其中大部分船型为艏部生活楼基于舯部左右对称，艉部同时设有基于舯部左右对称的浮箱，此类船型在建造过程中主要存在有限空间作业、吊装作业、高空作业等安全风险[2]，此类风险也是船舶在建造过程中时常需要关注的事项，以保证建造的安全，而不同船型在建造中除以上所说的常规风险外，也会存在一些由于船型设计所导致的风险。

本文以某半潜船为例，研究在建造过程中除了有限空间作业、吊装作业、高空作业等常规风险以外，还可能出现的其他非常规风险，如边岛型设计在建造过程中对坞墩布置、边岛吊装以及下水出坞中存在的风险，为了保证建造工作的顺利进行，通过软件进行计算以作为理论依据，并根据计算结果对作业方案进行优化，对建造过程中可能出现的风险进行控制，从而保证船舶建造的顺利进行。

1 船舶建造特点

本船舶在建造前期与其它类型船舶的建造工艺相差不大，采用分段-总段-区域的建造方法流程进行建造，可以大幅度的减少船舶建造过程的时间，有利于及时发现建造中存在的问题，将返工率降到最低水平，确保船舶建造时的效率和质量，并极大地降低建造成本[3]。

本船在主船体通过以上流程建造完成后，就需要进行生活楼和各浮箱的吊装作业，在此吊装过程中需要考虑此类船型所带来的风险，比如浮箱吊装风险、生活楼吊装的风险、边岛设计船型的坞墩布置风险以及下水出坞风险等。在进行吊装风险研究时，由于浮箱的质量较小，本文对较重的边岛生活区的吊装进行研究。

2 坞墩布置风险

半潜船在建造过程中，需要进行坞墩布置，该船在进行坞墩布置设计时需要考虑以下2 点：

1）艉部有4 个浮箱，所以艉部区域质量较重，而艉部区域的线型收缩，船底平坦且面积小，坞墩数量难以增加，故其艉部结构相对危险，需要着重考虑。

2）此船生活楼不同于常规船舶的左右对称，其位于艏部右舷位置且存在一定程度的外飘现象，此处在布置坞墩时需要注意坞墩的受力情况。

2.1 整船坞墩布置

由于本船的边岛式设计，在坐墩过程中会根据全船的船体钢料、铁舾件、机电设备、管路、居装以及涂装等的全船重量对船内的压载舱进行部分压载，保证船舶的平衡，防止船底结构产生接触硬点[2]，结合各项重量对船舶进行初步的坞墩布置，坞墩布置见图1。

图1 船舶建造过程中坞墩布置

船舶在建造过程中共布置了996 个墩子，其中，建造墩834 个、龙骨墩162 个。由于线型原因，艉部只能在呆木和艉轴管处进行坞墩布置，艏部右舷生活楼底部区域的坞墩需要加密布置。整船在压载水调平状态下的质量约为58 000 t，每个墩子的受力约为582 kN，船体受到的支反力也为582 kN，同满足坞墩1 100 kN 承重能力的要求。这种估算结果无法明确显示每一个部分的受力情况，尤其是艉部及艏部生活楼底部区域的甲板受力情况，此方法的计算会带来较高的风险，不利于船舶建造过程中的安全控制，因此为了安全考虑，通过有限元计算，进行安全风险的分析。

2.2 有限元计算分析

本船采用FEMAP 进行有限元建模和分析，在有限元建模过程中纵骨、T 型材面板和各类支柱用梁单元来近似模拟，除了上述之外的各舱壁等构件均采用板单元来近似模拟，以求能较真实的还原实际结构的形式。根据全船质量分布和质心位置等数据，利用力的等效原理将重力施加到相应的有限元模型的节点上。压载水质量采用具备质量和质心位置的多个质量单元进行分散模拟。

在计算中所用到的船体结构的材料特性如下：弹性模量2.1×1011MPa，屈服应力为235 MPa，泊松比0.3，板材的质量密度7.85×103kg/m3。墩子由水泥和垫木组成，其中水泥部分假定为刚性体，垫木部分假定为弹性体。

2.3 计算结果分析

全船有限元分析主要考虑船体的弹性弯曲、船底结构局部弹性变形、船体结构受力传递以及垫木的弹性压缩等要素。因此，有限元分析比简单的坞墩平均受力计算更为准确。图2 是艉部区域船体受力的应力云图，从图2 中可以看出艉轴管位置的船体外板整体受到的应力较大，最大值为58 MPa。此外，考虑到船体的整体性，整个艉轴管区域的应力由一个较小区域的较高值逐渐向四周扩散，应力逐渐降低。呆木区域的坞墩数量相对密集，故其应力相对较小，最大值仅约为30 MPa。当线型逐渐趋向于平坦位置时，船底板整体受到的应力仅为10 MPa左右，此数值对船体的建造带来的风险较小，在可控制范围之内。

图2 艉部区域船体应力分布

此船的线型从艉部向舯部过度时逐渐趋于平缓，所以中间较平坦区域的应力计算与图2 中平坦区域的应力计算结果基本相差不大，当计算到压载水所在区域时，可以看出此时的船体所受到的应力又有所增大，见图3。为在建造时使船保持平衡，向船舶的左舷压载了约4 200 t 压载水，但由于此处线型较为平坦，故在坞墩布置时未进行加密。因此，有限元计算的船体受力要高于其他平坦区域。此处船体所受到的最大应力为68 MPa，而此处坞墩布置在强结构处，故船体不会受到较大的变形影响，。此处坞墩布置带来的建造风险较小，但在建造过程中要时刻注意此处的船体变形情况，并进行安全风险控制。

图3 压载水区域船体应力分布

本船建造过程中，船体最大应力值出现在生活楼底部区域，船体应力分布情况见图4。此处生活楼的设计是外飘形式，其线型变化较大，坞墩数量相对中间平坦区域的数量要少。从有限元计算结果可以看出，生活楼底部区域的外板受到的应力明显变大，部分区域的应力高达156 MPa，此处的受力明显高于其他区域，这对船舶建造过程的安全极为不利。为更好地控制建造过程中的风险，在应力较大的区域进行坞墩加密，同时在生活楼底部增加钢支撑，减小坞墩与船体之间的作用力，降低建造过程中的安全风险，保障船舶建造的顺利进行。

图4 生活楼区域船体应力分布

3 生活楼整体吊装风险

此半潜船的生活楼处于舷侧，其长度较长，宽度较小，高度较高，整体形状类似于一个长方体，不同于常规船舶的边岛式生活楼。此外，该船的生活楼分为水密压载舱和居住舱室这两部分。在建造过程中，项目组根据此生活楼的型式，针对居住舱室部分提出整体吊装的作业方式，此方案可以提高作业效率，但边岛式生活楼高度较高，已发生变形，故整体吊装的安全性需要进行分析。为了保证建造的安全，针对吊载方案进行整体吊装的有限元分析，模拟计算生活楼在整体吊装过程中的应力与变形情况。

根据整体吊装的要求，现计划用2台具有9 000 kN吊载能力的吊机进行联合吊载作业，生活楼的吊装情况见图5。

图5 生活楼吊装示意图

采用FEMAP 软件进行建模分析，生活楼质量为1 100 t，质心与生活楼的壳体的型心基本重合。通过软件模拟无法完全真实体现实际吊装环境，所以模拟结果仅能作为参考，生活楼整体吊装的应力分布和变形情况分别见图6 和图7。

图7 生活楼整体吊装的变形情况

在吊装过程中，吊耳附近的应力是最大的，需要对吊耳附近局部甲板及反面T型腹板进行加厚处理。吊耳肘板要落在骨材上，在走廊附近的吊耳下方增加槽钢，并将其作为立柱。槽钢建议使用最小屈服强度不小于355 MPa 的高强钢，并一直延伸至底部强结构处。生活楼底部的变形量相对较大，建议在生活楼底部的自由边增加1 圈槽钢，以解决吊装过程中变形较大的问题。此外，槽钢加强区域的变形较为严重，整个船体结构在整体吊装过程中的最大变形约为8.1 mm。生活楼整体吊装计算的最大应力见表1，根据计算所得的最大应力小于许用应力，即吊装过程中的应力满足要求。

表1 生活楼整体吊装应力计算

由表1 可知，加强后生活楼整体吊装的强度是符合要求的，在吊装过程中生活楼不会出现较严重的变形。需要注意的是，要保证整体吊装过程中双机联吊的同时性，确保各步骤同步进行。当生活楼在整体吊装至主船体时，需要将生活楼作为一个整体进行下放。在下放过程中需时刻观察主船体底部甲板与坞墩交接处的船体外形，确保船底板在没有出现变形的情况下将整个生活楼逐渐卸至主船体上。

4 下水出坞风险

该船在船坞内建造，在主船体合龙完成且边岛吊装至设计位置并焊接完成后，将船舶首次下水并通过拖轮拖至码头，后续进行船舶内部施工及系统调试等工作。本船四岛式设计使船舶质心相较中心线的横向偏移较大，易出现较大横倾。船舶在下水、出坞过程中，需要保证船舶的水平状态起浮，以防横倾导致的横向偏移和纵倾导致的坞墩受力超出限制等风险。因此，下水过程中需要采用合理的下水方案以保证下水的安全性。

为使船舶能够以水平状态进行起浮，在下水前需要对船舶上的通海口等位置的阀门进行检查，以确保其处于关闭状态，保证船舶在下水期间不会发生意外进水，从而影响船舶的浮态。此外，需要对下水时船舶上的质量和质心等进行统计，并通过稳性计算软件GHS 进行船舶的配载工作以及稳性计算工作，软件计算时船舶坐标轴以艏向为正，向左舷为正，自基线向上为正。船舶在下水平浮时全船的质量和质心情况见表2。