大型物件海上运输系固方案校核的一般方法

刘子聃 孔祥锋 张毅 汤丽娜

摘    要：本文通过建立一个甲板运输驳船运输导管架的模型，使用理论计算的方法计算出大型物件在海运途中受到的荷载，对系固方案进行了校核，并采用有限元法对运输驳船船体与运输工装的强度进行校核。通过对该模型的完整计算，为大型物件海运系固方案的校核提供了一般计算流程的参考，验证了该套系固方案校核对海洋工程行业的实用性。

关键词：大型物件；海运；系固方案；强度校核

中图分类号：U662.9                                文献标识码：A

General Method of Checking the Fastening Scheme for Marine Transport of Large Object

LIU Zidan1，  KONG Xiangfeng1，  ZHANG Yi1，  TANG Lina2

（ 1.Guangzhou Salvage Co.， Ltd.，  Guangzhou 510290;  2.CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 510715）

Abstract： This article establishes a model of a deck transport barge for transporting a jacket， calculates the loads on large objects during sea transportation by using theoretical calculation methods， checks the fastening scheme， and verifies the strength of the transport barge hull and transport equipment by finite element calculation. The complete calculation of this model provides a reference for the general calculation process to check the fastening scheme for marine transport of large objects， and verifies the practicality of checking the fastening scheme in the marine engineering industry.

Key words： large objects; sea transport; fastening scheme; strength verification

1     前言

長度在14 m以上或宽度在3.5 m以上或高度在３ m以上或者重量在20 t以上的单体货物或不可解体的成组（捆）货物本文称之为大型物件。大型物件具有价值高，风险高，生产运输周期长，运输投入成本大的特点[1]。

随着全球贸易的日益发展，海上运输已成为大型货物运输的重要方式之一，确保货物在运输过程中的安全和完好至关重要。在解决货物在海上运输过程中受到的外力及气象影响的挑战时，合适的系固方案起到了关键作用。

大型物件的系固方案一般分为刚性系固与柔性系固[2]。刚性系固是指通过设计专门的底座工装，固定工装等方式将运输对象与船体连接在一起，成为一个整体，从而保证运输对象在运输途中的安全稳定的一种系固方法。柔性系固则是利用钢丝绳、缆绳、铁链等柔性系固工具将运输对象固定在运输船上，特点是系固工具只能受拉伸，但易于安装与拆卸。

本文将以导管架海上运输为例，建立一个大型货物海上运输的刚性系固模型，并对使用的系固方案进行校核。

2    理论分析

本文通过使用中国船级社CSS《海上拖航指南 （2011） 》[3] （以下简称《指南》）中附录一中的计算公式计算大型物件在拖航途中所受到的外力，并使用计算得到的外力作为边界条件之一施加到有限元模型上进行强度校核。

在大风浪下，船舶进行剧烈的横摇运动，大型货物受到各种外力：如惯性力、离心力、风压力、摩擦力、海浪冲击力和浮力，其作用直接影响到大型货物的运输。各种外力的合力按作用力的方向可分为： 横向力、纵向力、垂向力。

2.1   横向力

大型货物在海运途中受到的横向力由惯性力，风压力和海浪冲击力提供。因此横向力的表达式可以写为：

Fy=MAy+Fq+Fw     kN                                                 （1）

式中：M为货物质量；Ay为货物的横向加速度； Fq为风作用力；Fw为海浪冲击力。

（2）

式中：g为重力加速度，取9.81 m/s2；rφ为货物重心至水线处假定的旋转中心的距离；β为夹角，见图1；φ0为最大横摇角；Tφ为横摇周期。拖航指南里给出横摇周期的三种取值方法：

（3）

式中：GM为初稳心高度（m），B为船宽（m）。

2.2   纵向力

纵向力Fx按下式计算：

Fx=MAx+Fq+Fw      kN                                               （4）

式中：M为货物质量；Ax为货物的纵向加速度；Fq为风作用力；Fw为海浪冲击力。

（5）

式中：rψ为货物重心至水线处假定的旋转中心的距离；β为夹角，见图2；ψ0为最大横摇角；Tψ为横摇周期，取值方法参考本文2.1节。

2.3   垂向力

垂向力Fz按下式计算：

（6）

式中：a为垂向加速度参数，a=3.75e-0.003 L，但a不必大于3 m/s2；L为船长。

2.4   大型货物运动判断条件

1）静力平衡：货物受到的作用力有惯性力，风作用力，海浪作用力，支承结构（如甲板，底座工装等）提供的作用力与摩擦力，额外的系固结构提供的作用力（如斜撑，钢丝绳等）。当使货物发生移动的作用力大于制止货物发生移动的作用力时，货物将发生移动，给货物和运输船舶带来危险。货物的移动可分为沿船长、船宽和垂直甲板三个方向上的移动。

2）力矩平衡：由于货物受到的作用力并非都是作用在货物的重心上的，因此不少作用力都会给货物带来力矩。当这些力矩得不到平衡时，货物将发生翻转倾覆。

3    模型参数信息

3.1   导管架参数

该导管架总高为52 m，重量为850 t；依靠4个主腿站立，呈正方形根开间距为30 m×30 m，重心高度为31.7 m（距离甲板高度）。

3.2   船舶参数

船体总长149.8 m、水线长147.09 m、型宽40.2 m、型深8.6 m、设计吃水5.9 m、载重量20 485 t。

3.3   环境参数

根据《指南》要求，船舶在航行途中遇到的最大横摇角为一般为±15°，最大纵摇角为±5°。以此作为极端工况校核导管架的系固方案是否可靠。根据实际施工经验，此类大型钢结构运输船舶一般横摇角度不会超过±8°，因此按此环境参数校核已经足够。

3.4   运输布置

导管架居中布置在运输船上，通常一趟运输3个导管架。为了提高运输的安全性，通常将导管架4个主腿尽量布置在舱壁和强肋骨位置。相邻导管架之间预留一定的起吊安全距离，如图3所示。

4    理论计算

4.1  系固前的稳定性校核

对导管架进行受力分析如下。

如图4所示，假定导管架通过4个腿的插尖处的4个底座工装与驳船甲板连接在一起，则在船发生摇摆时会受到垂向力，底座提供的绑扎力与支承力，还有惯性力，风作用力与海浪作用力产生的倾覆力矩。参考《指南》可求得导管架所受外力如下。

由表1的数据可知在假定工况下如果导管架只是放在底座工装上，两者之间的摩擦力不足以抵消导管架的横向作用力与纵向作用力。导管架受到的横向稳定力矩也比横向倾覆力矩要小。因此，导管架将会发生横移，纵移和横倾的运动。

4.2   系固后的稳定性校核

由4.1节的计算可知：在运输过程中，导管架是不稳定的，必须进行绑扎加固。加固方式使用刚性加固的方案，具体加固方案如下：

1）导管架放置于4组底座之上。底座布置在导管架4个腿上的插尖下方，与船体甲板焊接。底座有不同高度的加高座，分别对应导管架不同的插尖长度，使得导管架处于水平放置的状态；

2）导管架放置就位后，需要加钢质圆管作为斜撑加固。斜撑上端通过连接板连接至导管架的插尖板上，下端通过连接板与垫板连接到有强结构（纵桁，纵骨，舱壁等）的甲板板上。

部分导管架桩腿以及下部系固方案模型如图5所示。

由校核可知，横向制动力安全系数为7.95，横向抗倾覆安全系数为4.92，纵向制动力安全系数为22.78，纵向抗倾覆安全系数为13.46。加固方案完全可以克服横向惯性力、纵向惯性力，货物不会横向、纵向移动；横向稳定力矩完全可以克服横向倾覆力矩，货物不会发生横向倾覆。

《指南》给出安全系数在不同工况中的取值如下。

本算例采用刚性系固，应对系固结构进行屈服应力分析，因此取用的安全系数K应为2.6（对接焊接钢结构（剪切）），而上述校核得到的安全系数均大于2.6。因此認为该系固方案从理论计算方面足以保证本航次导管架运输的安全性。

5    有限元计算

通过理论分析可得到总体系固的强度，但是支撑底座与甲板的复杂结构难以通过理论分析进行强度校核，因此采用有限元直接计算法对甲板及系固结构进行局部强度分析。

5.1   有限元模型

建立底座与部分船体的有限元模型，模型采用壳体单元与梁单元结合来模拟。为节省计算资源，远离底座布置位置的小尺寸结构如纵骨的面板，加强肘板等在建立模型时忽略[4]。

本算例主要关注系固结构强度与船体甲板强度，对导管架自身强度不作校核，因此无需建立导管架模型，通过远端力的方式模拟导管架作用于4个支撑底座的力。

底座与船体结构材质为Q235B，材料参数按标准选取。网格尺寸最大为200 mm，最小为100 mm，单元平均质量为0.94，因此认为该模型网格的划分是合适的。

5.2   边界条件

船体两端施加固定约束；整个模型受到重力加速度作用。由表1计算得到导管架受到三个方向的外力：横向作用力：Fy=564.27 t， 纵向作用力：Fx=208.53 t，垂向作用力：Fz（+）=1 059 t。将上述三个外力以远端力的形式加载至导管架桩腿部分上，作用点选择导管架的重心位置[5]，如图6所示。

5.3    计算结果

提取整体、船体以及底座工装三个对象的应力结果云图和变形云图如下。

根据有限元计算结果，船体最大应力出现在左舷底座下方的强横梁与纵桁的交点处，底座工装的最大应力出现在左舷纵摇下沉一端的底座的沿船长方向分布的斜撑上。

采用工作应力设计法（WSD）进行系固方案的设计分析。根据ABS的关于移动式海上钻井平台的规范《MOBILE OFFSHORE DRILLING UNITS》（2019），考虑了货物随船舶运动的各向加速度载荷，结构受力是由多个载荷组合而成，因此WSD法许用应力系数选取1.11，则结构的许用应力值为材料屈服应力/1.11，Q235B的许用应力取值为：[σ] =235/1.11=211.71 MPa。

有限元强度校核结果汇总如下。

根据计算结果，采用该系固方案后，在导管架的运输途中，船体与底座工作的最大应力均小于材料许用应力211.71 MPa，满足要求，且具有一定的富余度。因此认为该系固方案是可行的。

6    结束语

本文建立了一个普通甲板驳船运输导管架的模型，采用理论计算与有限元计算结合的方法对假设的系固方案进行校核，计算结果表明该系固方案是可行的，在海上风电迅猛发展的时代，通过计算校核，排除或降低风险，既预留一定的安全系数，也不过度设计冗余，从而确保风机导管架在海上运输的安全性和经济性。

参考文献

[1]李峰.大件物流关键环节运输方案设计研究 [D].广州：华南理工大学，2019.

[2]杨守威.装载重大件货物系固方式研究 [D]. 武汉：武汉理工大学，2010.

[3]海上拖航指南[S].北京：人民交通出版社，2011.

[4]汪有军. 重大件货物海上运输刚性系固校核方法探讨[C]. 中国航海学会救捞专业委员会2009年年会暨救捞发展论坛，2009.

[5]葛為结，黄刚，胡跃川.驳船装载大型导管架海上拖航分析[J].船海工程，2023 （02）.

作者简介：刘子聃（1986- ），男，工程师。主要从事海洋工程和海上风电施工工作。

孔祥锋（1999- ），男，助理工程师。主要从事海洋工程和海上风电施工工作。

收稿日期：2023-08-04