钻井船干货舱槽型舱壁端部节点设计

郭勤静，李　磊，陈书敏，李德江，王洪庆

(中集海洋工程研究院 研发部，山东 烟台 264003)



钻井船干货舱槽型舱壁端部节点设计

郭勤静，李磊，陈书敏，李德江，王洪庆

(中集海洋工程研究院 研发部，山东 烟台 264003)

考虑到钻井船干货舱内部纵横舱壁均采用槽型舱壁，为了保证槽型舱壁端部与主甲板连接处的结构力学性能及焊接工艺性能，采用有限元方法，对设计的“板凳”连接结构及3种偏心T型材与肘板组合结构进行计算分析对比，确定出合适的槽型舱壁端部节点连接形式，通过了DNV船级社OSLO总部审核。

钻井船；干货舱；槽型舱壁；节点结构设计；强度分析

槽型舱壁由钢板压制而成，以槽形折曲来代替扶强材的作用，在保证同样强度的条件下，可减轻结构重量，节省钢材，减少装配和焊接的工作量，在船上大舱，例如，泥浆舱、干货舱、油舱等结构上使用较多。本钻井船干货舱内壁采用槽型舱壁组合设计。干货舱承受来自舱压、海水压力、甲板载荷、惯性力等载荷，结构设计有难度。由于槽型舱壁截面的特殊性，槽型舱壁端部与甲板连接处的节点处理非常关键。为此，分析某钻井船干货舱横纵槽型舱壁端部节点结构设计，提出几种节点连接结构设计方案，通过有限元分析计算，力求找到一种力学性能和焊接工艺性能都比较合适的节点连接形式。

1　钻井船干货舱强度分析

1.1钻井船干货舱简介

该钻井船干货舱主要分布在船体尾部(0.2～0.3)L之间(见图1)，对称分布在中纵舱壁两侧，每侧各设计5个干货舱，共计10个，纵向长度为15.6 m，横向总宽度为6.5 m。干货舱外壁为钢板舱壁配合加强型材的结构，将内壁及其内部中纵舱壁都设计为槽型舱壁结构。干货舱上部直接延续到主甲板，下部设计成V形漏斗结构，接近内底板处，以便于干货的储存与装卸。干货舱主要用于储存干货物如水泥、重晶石以及皂白石等。干货舱模型见图2。

图1　干货舱在总体模型中的位置

图2　干货舱有限元分析模型

1.2钻井船干货舱强度分析

1.2.1干货舱所受载荷及计算方法

钻井船干货舱结构主要承受的载荷包括干货本身引起的舱压、海水压力、主甲板上的甲板载荷，以及来自船体本身的各向加速度引起的惯性力。载荷计算方法主要根据船级社规定。见表1。

表1　干货舱结构所受载荷

注:y,z为计算点处的坐标值，m。

1.2.2干货舱整体有限元模型及计算

采用有限元分析软件SESAM完成干货舱段的建模，网格设置方面主要对所关注的槽型舱壁端部连接区域进行网格细化，分别采用50 mm×50 mm，200 mm×200 mm，650 mm×650 mm等尺寸逐渐过渡。在边界的处理上，为了避免边界对分析结果的影响，有限元模型的横向边界往舱室外侧分布对称扩展到下一个纵向舱壁所在的强肋位处，纵向边界以干货舱艏艉横向舱壁为界，由于这10个舱室类似，纵向边界虽对艏艉的舱室分析结果有较小影响，但中间的舱室强度分析结果是准确的。有限元分析模型见图2，边界按照简支的方式设置处理，针对不同的工况进行加载计算并完成分析计算。

为便于工况分析，为10个货舱舱室编号，见图3。考虑不同压载舱的压载组合工况，以及与海水压力、垂向纵向加速度的合成工况，在SESTRA计算模块中总计计算24种工况，最后在XTRACT模块中对所有工况进行搜索，以得到所有工况的最大屈服强度利用因子。

图3　干货舱编号

1.2.3屈服强度校核准则

干货舱强度分析主要考虑结构的屈服强度，屈服强度校核的准则如下。

(1)

式中：(σxx)t,(σyy)t,(σxy)t——总体单元应力分量；

σe——vonMises应力。

钻井船屈服强度校核准则参考DNV-OS-C102中规定，采用工作应力 (WSD) 设计法。本船材料主要选择NV-36，屈服极限355 MPa，具体利用率系数及峰值标准见表2～4。

表2　常规利用率及峰值

表3　峰值利用率(网格200 mm×200 mm)

表4　峰值利用率(网格50 mm×50 mm)

2　槽型舱壁端部节点结构设计

2.1节点设计方案

干货舱内壁横纵舱壁采用槽型舱壁，在舱压的作用下，上下两端固支约束端处弯矩较大，同时为了防止甲板纵向加强筋与槽型舱壁产生过焊孔而增加焊接方面难度，槽型舱壁上端与主甲板结构方案设计成不直接焊接，初始方案确定在槽型舱壁的上端，距离主甲板500 mm范围内设计连接过渡区域，对于此端部节点结构的形式有多种设计方案。

方案1。双腹板板凳连接结构。

在横纵方向的槽型舱壁的端部增设一个面板，采用双腹板结构组成“板凳”结构形式与主甲板连接。具体模型及强度分析结果见图4。

图4　板凳节点结构及屈服应力结果(方案1)

方案2。偏心T型材结构+肘板组合结构1。

根据主甲板纵向筋的布置，在横向槽型舱壁的端部设计偏心T型材，配合纵向筋增加对应的肘板结构，在纵向槽型舱壁靠近跨度中间的左右两侧设计柔性过渡肘板，具体模型及强度分析结果见图5。

图5　偏心T型材+肘板组合1及屈服应力结果(方案2)

方案3。偏心T型材结构+肘板组合结构2。

在槽型舱壁的端部采用偏心T型材结构，横向槽型舱壁的端部，不考虑主甲板纵向筋的布置，在横向面板跨度中间设计肘板与扁钢组合结构，纵向槽型舱壁端部肘板设计与方案2相同。具体结构见图6。

方案4。偏心T型材结构+肘板组合结构3。

在槽型舱壁的端部采用偏心T型材结构，横向槽型舱壁的端部，不考虑主甲板纵向筋的布置，

图6　偏心T型材+肘板组合1及屈服应力结果(方案3)

在横向面板跨度中间的两侧，槽型舱壁凸出的两个平台上面中间设计肘板与扁钢组合结构，此方案的纵向槽型舱壁端部肘板设计与横向的肘板布置相同。具体结构见图7。

图7　偏心T型材+肘板组合1及屈服应力结果(方案4)

2.2节点设计方案分析对比

2.2.1不同方案强度分析

根据4个方案的屈服强度分析结果，针对槽型舱壁端部T型材面板及附属肘板结构周围细化50 mm×50 mm网格区域，统计槽型舱壁端部连接节点结构周围主要结构的强度及利用率以及应力水平分布情况见表5。

表5　不同方案下的端部连接节点结构附近屈服应力情况对比

注：UF-utilization factor，利用率。

2.2.2板凳结构与偏心T型材肘板组合结构对比

由表5可见，方案1“板凳”连接结构形式相对于方案2、3和4，方案1“板凳”连接结构形式的强度结果最好。只从结构强度上考虑，方案1是最有效的一种连接结构形式。

从施工建造工艺及焊缝检测要求上考虑，方案1“板凳”结构围成了一个密闭狭小的黑盒子，减少了干货储存的体积，现场施工焊接有一定的难度，后期对内部焊缝的检测非常困难，尤其对液舱的后期内部焊缝检测要求较高，很难达到焊缝检测的要求。目前比较牵强的解决办法是，在干货舱里面可以考虑使用方案1，并需要在“板凳”密闭空间内部提前充入惰性气体，以阻止内部焊缝的锈蚀，保证焊缝的强度及寿命。方案1的选择比较谨慎，需要各方人员的一致认可。而方案2、方案3和方案4采取的偏心T型材与肘板组合结构形式，在现场施工建造及后期焊缝检测上面就不存在方案1的问题了，建造检测都非常方便，开放的连接结构形式也有利于干货的储存装卸。因此，考虑施工建造检测，偏心T型材肘板组合结构相较“板凳”结构形式更好一些，剩下的问题就是如何满足强度的要求。

2.2.3偏心T型材肘板组合结构对比

方案2、方案3及方案4三种方案都采用偏心T型材连接结构形式，其中不同的是横向槽型舱壁端部处肘板结构形式的设计，纵向槽型舱壁端部肘板布置上方案4与前2种不同。3种方案在现场施工建造及焊缝检测上基本上一样，因此重点比较3种方案对结构强度的影响程度。

由表5可见，方案4相对于方案2、方案3来说，在横纵槽型舱壁端部偏心T型材的面板上有多个屈服应力较高的点，无法改善面板跨中区域的强度。因此方案4不可采用。

对于方案2与方案3来说，整体的应力水平相当，由于强度分析特别是局部分析中可考虑忽略个别硬点的应力集中的影响，两个方案都是可行的。方案3相对于方案2结构形式更为简单，也避免方案2中主甲板上纵向加强筋对应肘板与横向槽型舱壁端部等效腹板的斜向轨迹线出现交叉的结构焊接硬点。因此选择方案3作为最后的结构连接方案。

对于方案2，由于钻井船项目前期布置已经确定，主甲板上纵向的加强筋的位置也不易修改，纵向加强筋基本没有与横向槽型舱壁端部平台对齐，在这种情况下，若在加强筋下面增加肘板，将会与槽型舱壁端部结构轨迹线的斜线方向产生焊接硬点。如果在前期布置阶段，将主甲板纵向加强筋调整到横向槽型舱壁端部面板的正上方，使加强筋对应的肘板避开等效腹板的斜向轨迹线，按照这种方式优化以后的方案可以被认为最适合的方案。

4　结论

1)方案1“板凳”连接结构形式的结构力学性能最好，在干货舱中可以考虑采用，前提是需要在“板凳”密闭空间内充入惰性气体以防止内部焊缝的腐蚀破坏，而在液舱中由于对现场施工建造及焊缝检测要求的提高，不建议采用此种连接结构；如何提高此种结构形式的焊接及焊缝检测功能有待于进一步研究；

2)其余三种偏心T型材与肘板组合结构形式，方案2和方案3都可以接受。从避免结构硬点方面考虑，方案3是最可行的，力学性能与工艺性能都可以达到较好的水平；

3)方案2的连接结构形式可进一步优化设计，优化布置主甲板纵向加强筋，设计纵向加强筋分布与横向槽型舱壁端部面板的凸台之间对应布置，可消除结构焊接硬点，作为最佳方案。

槽型舱壁特别是横纵交叉的槽型舱壁与主甲板连接结构需要根据不同的荷载要求、加强筋的布置、施工工艺的难易以及焊缝检测等因素综合考虑设计。综合考虑各种因素，仅采用手算方法对此处细部节点结构设计很难满足实际项目的需要，因此采用有限元分析方法来进行各个方案的对比分析是合理的，能够分析结构细部硬点等强度的详细情况。选择方案3作为最终方案，送审DNV船级社OSLO总部通过了审核，本设计可为钻井船上干货舱横纵槽型舱壁端部节点设计提供实际参考。

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Structural Design of Corrugation Termination for Dry Tank of Drill-ship

GUO Qin-jing, LI Lei, CHEN Shu-min, LI De-jiang, WANG Hong-qing

(R&D Department, CIMC Offshore Engineering Institute, Yantai Shandong 264003, China)

Corrugation bulkhead is used in the inner dry cargo holds of the drill ship including transverse and longitudinal bulkheads. In order to research a reasonable corrugation termination to get good mechanical and welding property, the finite element analysis is carried out and the results are compared among different projects including the stool design and three kinds of unsymmetrical T-Girder with brackets. The most suitable project is chosen, which has been approved by DNV OSLO, which can provide a practical engineer reference for corrugation termination design.

drill-ship; dry tank; corrugated bulkhead; termination structural design; strength analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.037

2015-05-12

2015-06-17

山东省泰山学者蓝色产业领军专家专项

郭勤静(1982-)，男，硕士，工程师

U663.4

A

1671-7953(2016)01-0174-05

研究方向:海洋平台结构设计强度分析

E-mail:guoqinjing@hotmail.com