深水多功能水下工程作业船结构设计

金瑞健王永成

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300461；2.上海船舶研究设计院，上海201203）

船舶结构

深水多功能水下工程作业船结构设计

金瑞健1王永成2

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300461；2.上海船舶研究设计院，上海201203）

深水多功能水下工程作业船是一艘配置大型水下工程作业装备、集成多项水下作业功能的深水海域油气田开采配套船舶。该船集大型深水水下结构物安装、柔性管/电缆铺设、水下机器人（ROV）、锚系处理和潜水支持等多项功能于一身。该船安装以及预设作业功能布置的大型作业设备，体积庞大、额定负荷高，船体结构要承受巨大的作业载荷。同时根据深水工程作业的要求，设备的配置和船体结构布局需要综合协调优化，以满足船体结构的强度要求和深水水下工程作业的功能实现。

深水多功能水下工程作业船；强度分析；作业设备加强；振动评估

0 前言

目前，随着陆地资源的枯竭，深水的油气勘探开发已经成为世界油气开发的热点。海洋工程装备成为深海战略产业里的高端产品。深水水下工程作业是深水油气田开发生产链中的重要环节，设计建造一型作业能力强大、功能完备的水下工程船，对实现深水资源开发，特别是我国南海海域海底资源的利用十分必要，意义重大。

深水多功能水下工程船是集大型深水水下结构物安装、柔性管铺设、锚系处理、ROV作业和潜水支持等多项功能于一体的深水工程作业船舶。它可以满足我国南海、东南亚、中东、西非、巴西和墨西哥湾等世界主要海区的作业要求，总体作业能力在国际同类船舶中处于先进水平。

该船配置的主要工程作业设备达到同类船型中的领先水平，能满足深水工程作业要求。但外形尺寸庞大、设备负荷较大，对船体结构在结构布置、船体总强度、局部结构加强和结构振动等方面都要进行综合控制平衡，以实现深水水下作业的功能要求。以下就该船结构设计的重点加以介绍。

1 船舶主要参数

1.1 船舶主尺度

总长140.75 m

垂线间长127.85 m

型宽29.00 m

主甲板高度12.80 m

平台甲板高度8.80 m

中间甲板高度5.80 m

夏季载重线吃水8.50 m

结构吃水9.00 m

该船为双船级，入CCS和DNV船级社，挂中华人民共和国国旗，航行于无限航区。

船级符号如下：

CCS：

★CSA，Special Purpose Ship（2008），Ice Class B，DP-3，Lifting Appliance，Helicopter Facilities，PSPC（B），In Water Survey

★CSM，AUT-0，OMBO，Clean，COMF（NOISE 3），COMF（VIB 3）

DNV：

+1A1，ICE-E，SPS，DPS3，CRANE，HELDK，BIS，COAT-PSPC（B），CLEAN，E0，NAUT-OSV（A），DK（+），COMF-V（3）C（3）

该船设有一层连续干舷甲板，船首设4层首楼，露天首楼甲板作为直升机甲板。船中中心线位置布置7.2 m×7.2 m开孔尺寸的月池。月池上设置垂直铺缆支架，月池四周1.4 m宽度范围内设阻尼板结构。月池后设置卷管盘舱，其左右各设1部工程吊车；月池前设置后机舱和前机舱。后机舱上方的主甲板布置锚处理绞车，绞车埋置于上层建筑内。船首设置3个独立首部推进舱。尾部设置主推进器，船尾安装尾滚筒和“A”架。总布置侧视图见图1。

图1 总布置侧视图

该船为钢质全焊接结构，主船体采用纵横混合骨架结构型式，即船体梁上缘甲板区域和船底区域采用纵骨架式结构，其他为横骨架式。船中结构月池布置见图2。

2 船体梁载荷工况和强度

2.1 船体梁载荷工况

该船按CCS和DNV船级社现行规范对船体梁总纵强度要求校核。在船舶的航行工况外，对工程作业工况的确定进行了充分的考虑。在配置的作业工况中，除了安排实际装船的作业设备相对应的工况外，特别配置了强度极限工况，以便该船预配置的作业功能所需设备的换装和工程作业的配载灵活，提高该船工程作业的适用性能。

该船主要作业工况有：铺缆工况、工程吊装作业工况、锚系处理工况。

预配强度工况有：最大中拱工况和最大中垂工况。

2.2 船体梁强度

该船月池贯穿船底，月池四周又紧凑布置了工程作业设备。各种开口集中在船中部范围内。这些开口在计算船体梁剖面模数时都需扣除，连续可计入总纵强度的甲板纵向构件也多被间断，使船体梁的剖面模数骤减，月池所在区域甲板处的剖面模数影响最大。船中月池区域布置的又均为大型作业装备，甲板下支撑结构的局部强度应力水平也较高。确定船体梁总强度的冗余度十分重要，并需随各个作业设备的额定负荷进行逐步协调。

由于作业工况中出现的静水载荷比较大，该船主船体在强力甲板开口处应扣除的开口宽度总和超过了船宽的50%。该船的主船体采用普通结构钢的前提下，总强度根据装载工况确定相应的许用静水载荷。从图3所示的许用静水弯矩剪力包络线可以看出，许用静水载荷值取较小的冗余度。对于由作业设备带来的较大集中载荷产生的应力，采取局部结构改为高强度钢材料以及调整支撑结构的方式来满足强度要求。

图2 月池位置横剖面

图3 许用静水弯矩剪力包络线

通常，配置标准尺寸工作月池的深水工程船系列，由于开口较大，加之月池周围必然配备重型作业设备，对于船体梁的总纵强度需根据实际项目的布置综合考量。主船体梁采用高强度钢或普通钢各有利弊。采用高强度钢方案可使总强度的冗余度提高，便于甲板上的作业设备加强。普通钢的方案主要是建造成本低，易于施工，但会相应增加结构重量，因局部设备加强引起更多修改。在强度不能满足时，仍要采用高强度钢或改变结构布局才能解决。因此，在设计初期确定合适的主船体材料需要综合多方面因素平衡考虑。

3 船体结构局部强度和设备加强

3.1 月池结构设计优化

该船中部设置的方形工作月池，用于柔性管、电缆铺设作业以及饱和潜水作业。在月池上端安装月池盖，下端为开敞式开口。月池设计为双壳阻尼板结构，阻尼板形式为适当开孔比例的开孔板结构。标准月池净开孔尺寸为7.2m×7.2m。为降低月池内流体运动与外部波浪的不同步现象，在月池顶部甲板下设通往舷外的透气管道，以平衡月池上部由波浪运动引起的空气垫压力变化。透气设计示意见图4。接处设置转圆有利于降低船舶阻力。在中低航速下，适当尺度的转圆半径对降低船舶的阻力效果较明显。另外，月池的垂向内围壁的开孔数量对月池内的流体激荡影响也很重要，过多和过少的开孔都不能达到最佳的效果。该船优选的阻尼板形式与转圆的配置可以减少因开设月池而增加的船舶阻力，降低船舶功率消耗，可以在同类设计中参照采用。

图4 月池透气设计示意图

鉴于月池结构在海工船设计中经常被采用，但工程实践中没有相关规范内容作为设计依据，也没有成熟的经验和理论可作为指导。因此，设计一种优化的月池结构对这类船舶的建造很有意义，特别是降低月池对阻力产生的影响尤为重要。

月池为一个上下贯通船体结构开口，对于船体湿表面而言是一个陷落腔，月池腔内的流体会随着船舶运动而产生相应的运动。因此，月池内部流体的升沉活塞运动及晃荡与船外波浪运动的不同步会增加船舶航行的阻力以及月池腔内的激荡，对船舶航行以及月池作业产生影响。为了最大限度地降低这些影响，以试验优选的方法对月池结构进行了改进研究，即用不同开孔面积比例形式的阻尼板结构组合不同尺寸的月池下口转圆。通过船模试验方法筛选出最佳匹配。

通过月池壁压力试验和船模阻力试验，优选出了月池以开孔面积15%比例的阻尼板结构配以R700底口转圆的最优方案。这个优选方案具有较好的减荡降阻效果。表1和表2为阻力试验结果换算到实船有效功率对比（换算考虑空气阻力和舭龙骨影响）。图5为有效功率Pe曲线。

综合以上试验结果，可以确定，对无底盖设计的月池，在月池下开口的垂向内围壁与船底外板的连

图5 有效功率Pe曲线

表1 相同阻尼板与不同转圆半径框架配置实船有效功率Pe的比较

3.2 垂直铺缆系统设备加强

柔性管铺设作为该船的核心作业功能，具有铺管高效、系统庞大、作业流程复杂等特征。该作业线中最关键的两大节点设备为直立式软管铺设塔和储缆卷管盘。这2套设备的体积和重量庞大，不仅在整体布置方面要重点考虑，而且其支撑结构的强度问题也相当突出，需综合船体结构布置以及总强度协调平衡。

3.2.1 直立式软管铺设塔支撑结构

垂直铺缆系统的软管铺设塔安装在月池上方，主撑杆支点设于月池角隅处，上撑杆支点设于第5甲板后端，塔架布置如图6所示。铺设塔的下端支撑位置载荷为集中力，连接眼板需穿过主甲板。由于载荷很大，月池两侧均布置在纵向舱壁上。支撑塔架的水平撑杆布置于第5上层建筑甲板，水平撑杆连接处的载荷也较大，靠桁架式结构难以承载如此大的集中载荷。根据逐步计算分析后的结果，修改了支撑位置的结构布置，增设了对应位置的纵向支撑围壁结构，使这部分加强结构的强度满足了规范的要求。

下文简述铺设塔支撑结构的计算分析过程。

分析计算的软管铺设塔支撑结构有限元模型分为2个模型计算。包括塔架下主要支撑构件、甲板结构、舱壁和桁材等。

计算载荷为制造商提供的塔架支点载荷。设计载荷根据作业工况和航行工况的环境条件计算。作业工况极限载荷的环境条件见表3。航行工况的环境条件根据规范计算值确定。

图6 软管铺设塔布置侧视示意图

表3 月池位置软管铺设塔作业工况环境载荷

根据设定的环境条件以及软管铺设塔的工况，规范要求确定的设计载荷如表4和表5所示，将表中载荷按14种工况分别计算2个独立的模型。

表4 软管铺设作业工况塔架支点载荷kN

应力衡准根据DNV规范确定为：

正应力：［σ］=160f1N/mm2，

剪应力：［τ］=90f1N/mm2

纵向合成正应力［σc］=190f1N/mm2

f1为材料系数：

普通钢（NV-NS）：f1=1.00

高强钢（NV-36）：f1=1.39

由于塔架主支点的支撑结构位于船中区域，要考虑总纵应力和局部强度应力合成。

部分计算结果见表6和表7。

表5 船舶自存工况塔架支点载荷kN

表6 甲板最大单元应力N/mm2

表7 最大纵向合成应力N/mm2

塔架加强部分工况下的有限元计算结构变形和应力云图见图7～10。

图7 软管铺设塔支撑结构月池处变形

图8 软管铺设塔支撑结构上建变形

图9 软管铺设塔支撑结构相当应力云图

图10 铺设塔第5甲板下结构剪应力云图

3.2.22 500 t卷管盘支撑结构

作为铺缆系统的一部分，卷管盘具有卷管和储缆能力。该船将卷管盘设置于内底上卷管盘舱内，与安装在甲板上相比，减少占用甲板面积和对稳性的不利影响。但是，对于结构来说，一个装载2 500 t线缆的巨大运转机构，需要较强的双层底结构支撑，圆环形的基座加强结构在设计上也有很多困难，特别是在与纵横结构相交叉的位置，需要特别注意。而主甲板作为载货甲板与双层底之间只有1根支柱连接设在卷管盘中心，甲板载货存在卷管盘装满时同时运载的情况，甲板载荷会对船底结构产生影响。因此，该位置建立了整个舱的结构模型，卷管盘的载荷根据船舶自存工况下的船舶运动和加速度求得。

建立的有限元模型包括卷管盘舱所有的主要构件、双层底、外板、主甲板、平台、舱壁、肋板和桁材等。图11、图12为建立的模型。

图11 卷管盘舱结构模型

卷管盘作业的载荷按厂商提供的工况载荷确定。

应力标准根据DNV规范确定为：

正应力：［σ］=160f1N/mm2，

剪应力：［τ］=90f1N/mm2

部分计算结果摘录见表8和表9。

图12 卷管盘下结构模型

表8 主甲板结构的最大单元应力N/mm2

表9 卷管盘下加强结构的最大单元应力N/mm2

部分结构应力云图见图13～14。

通过对卷管盘支撑结构的分析和设计，解决了大型卷管盘圆环形基座支撑结构的加强难题，使设计结构达到了特殊设备安装的要求。同时，通过对设计结构问题的优化处理，对该类设备基座设计提出了进一步优化和改进的建议，使之更适于安装在双层底结构上。例如在每个滚轮位置以短支柱形式结合环形框结构可以更容易实现与船底结构的连接，而且对保证整个工作面的水平度也更有利，这些经验可以在后续项目上尝试。

图13 舱壁和纵桁的应力云图（LC2）

图14 舱壁和纵桁的剪应力云图（LC2）

4 振动

4.1 目的和要求

该船有很高的振动和噪声要求，以提高工程作业人员和乘员的舒适感以及更好的保护重要设备。为了控制船舶振动，除了要求设备安装减振装置和弹性管连接之外，应评估计算结构的振动性能，预防过大的有害振动的产生。

4.2 船体结构振动

该船根据要求对船体结构进行了振动的分析评估。通过局部振动计算，发现部分上层建筑需加以局部调整。而通过总振动计算，验证了设计结构满足对振动的要求。

4.2.1 船体总振动

该船通过建立整船三维有限元模型进行总振动计算。整船三维有限元模型包括主船体、首楼、上层建筑结构。船体总振动固有频率计算结果见表10。

表10 船体总振动固有频率Hz

在主机额定工况下，该船的螺旋桨轴频为2.76 Hz、叶频为11.07 Hz。从计算结果看，船体垂向总振动固有频率计算值均能避开螺旋桨轴频，而叶频也已超过船体垂向总振动计算的固有频率值。因此，螺旋桨轴频和叶频均能避开共振，不会引起明显的船体垂向总振动。

4.2.2 强迫响应计算

在螺旋桨叶频激振力作用下，设计工况下对整船模型进行振动响应计算。根据DNV船级社舒适度要求，船员舱室和工作处所的振动水平需满足DNV规范第5分册第12章第2节要求。该船取舒适度3级符号，振动需满足对应振动水平要求。振动衡准如表11所示。

表11 货船乘客处所和工作处所允许的最大振动量级

摘选部分上层建筑位置的振动水平示意图见图15。图15为该船在满载动力定位工况下的驾驶室顶处最大振动速率产生位置和对应的振动速率，极限峰值为2.90 mm/s。图16为该船在压载航行工况第5甲板处最大振动速率产生位置和对应的振动速率，极限峰值为2.20 mm/s。

图15 驾驶室顶最大振动速率

图16 第5甲板最大振动速率

4.2.3 振动评价

深水多功能水下工程船振动计算表明，船体总振动、板、板格和板架等局部结构的固有频率均能满足相应的频率储备要求。在整个螺旋桨转速范围内，船体各典型部位在满载和压载工况下的振动响应均能满足船级社规范振动标准的要求。经实船测试的振动指标符合评价标准，验证了振动分析的结果。可见，深水多功能水下工程船船体振动性能良好。

5 结语

本文就深水多功能水下工程船结构设计的总强度、月池优化、大型软铺设备加强和振动评估的重点内容进行了分析研究。该船为目前我国最大、工程作业功能最齐全，作业能力领先的深水工程作业船舶。通过该船的设计，积累了设计该类型船舶的宝贵经验，掌握了设计该类型船舶的关键技术，为开拓深水海洋领域的探索打下了基础。本文中的计算分析数据和结果均引用自该船设计计算文件，仅作为学术探讨使用。

Structure Design of a Multi-purpose Subsea Construction Vessel

JIN Rui-jian1WANG Yong-cheng2
（1.Offshore Oil Engineering Co.Ltd.，Tianjin 300461，China；2.Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

The multi-purpose subsea construction vessel is an aggregation carrier equipped with large subsea installation equipment and integrated facilities of subsea construction operations，serving as an engineering support vessel for exploitation of oil/gas field in deep sea area.The vessel was designed with main functions including deepwater heavy structure lift and subsea installation，deep-water flexible pipe/cable flex-lay，ROV support，saturation diving support and deep-water anchor handling.The hull structure should hold heavy loads in accordance with the operation condition of the relative equipment and the support structure should be optimized according to the requirements of the operation equipment.The structure arrangement should be considered based on the large size and SWL of the equipped devices also.

multi-purpose subsea construction vessel；strength analysis；reinforce structure of heavy equips；vibration evaluation

U674.3

A

1001－4624（2016）02－0043－11

2016-10-10；

2016-11-20

金瑞健（1976—），男，工程师，从事海洋工程设计和管理工作。

王永成（1966—），男，研究员，长期从事船舶结构研究设计工作。