非对称无横撑半潜式起重平台下水方案强度评估

张 坤，孔国照，李少泽

（招商局重工江苏有限公司，江苏 海门 226100）

0 引 言

近年来，随着石油价格的下降和钻井需求的减少，海洋油气开采企业投资的速度开始放缓，海上钻井平台市场开始面临产能过剩的问题。据统计，当前全球有7 000多个海工平台，其中有1 000多个4 000 t以上的老旧平台需拆解，半潜式起重平台（Semi-Submersible Crane Vessel, SSCV）作为开展老旧平台拆解作业所需的重要海洋工程装备，具有良好的移动性能，能适应严峻的海况条件，可在水深较深的海域作业[1]，因此SSCV具有广阔的市场前景。

平台下水是整个平台全生命周期内很重要的一个环节，是对其结构强度进行第一次检验的关键时刻，采取的下水方案不合理或得到的计算数据不精确，都会导致平台自身及其承载的结构受损，甚至导致平台下水失败。因此，正确评估各种下水方案，准确分析与结构受力有关的各种数据，选择合理的下水方式，是平台下水前必须完成的工作。

1 SSCV概述

本文的研究对象为某SSCV的1号船与2号船。每艘船均采用非对称无横撑结构形式，左右浮筒一大一小；配备2台重型起重机，总起重能力可达4400t。每艘船可容纳750人，采用DP-3船舶动力定位系统，用于在深水中移除海底平台结构及系泊设备，并可用于拆卸、装配和拖带海上钻井平台。图1为平台展示图。

1.1 SSCV结构主要参数说明

该SSCV入级美国船级社（American Bureau of Shipping, ABS）[2]，其主要参数为：总长 137.75m；型宽81.00m；主甲板距基线高度42.80m；结构吃水30.00m；最大作业吃水26.40m；作业吃水20.00m；自存吃水17.00m；拖带吃水10.50m；排水量（水深20m）49750t。

图1 平台展示图

1.2 平台下水主要难点和解决方案

根据下水原理，海洋平台下水方法主要有重力式下水、漂浮式下水和机械化下水等3种，此外还有气囊下水和水垫下水等[3]。漂浮式下水相比其他下水方式更安全，但若操纵过程中有疏忽，也易引发事故，给企业带来严重损失。因此，已有很多学者对船舶出坞的安全性进行分析。例如，龚玉玲等[4]对基于风险优先数的漂浮式下水安全评估技术进行了研究，建立了风险优先数评估模型，由此判断船舶下水的危险程度，提前筛查、排除隐患，确保船舶安全出坞。本文所述SSCV是在干船坞建造的，采用漂移式下水方法，除了正确计算漂移时SSCV的浮态，调配好舱内的压载水以外，难点是船坞内的水深不足以使SSCV独自安全漂移出坞，如何提供额外的举力使SSCV安全出坞，是在制订下水方案时要解决的关键问题。

SSCV 1号船与2号船是同一类型船，采取不同的下水方案，通过对SSCV采取的2种下水方案和结构强度进行评估，为以后类似项目的开展提供借鉴，得到既安全又经济的下水方案。

2 SSCV 1号船下水方案设计及强度评估

2.1 下水方案1

SSCV 1号船的额外举力是由3艘驳船相互叠加提供的（单艘驳船高度不够，因此采用3艘驳船叠加的方式实现对SSCV的支撑），最上层驳船设置立柱模块和枕木。提供额外举力的3艘驳船分别为驳船1（128.0m×40.0m×7.5m）、驳船2（85.0m×32.0m×7.5m）和驳船3（82.0m×28.0m×7.6m）。驳船叠加示意见图2。

图2 驳船叠加示意

下水方案1流程：驳船叠加，依次吊到最大举力驳船上，船坞内放水，开坞门，拖曳驳船进坞，关坞门，坞内排水至7.5m，驳船开始进入SSCV下方指定位置，坞内放水直至枕木与底板开始接触，同时调整驳船的压载水，使其在上浮过程中提供约86000kN的净浮力，SSCV 1号船开始起浮直至达到平稳状态，确认之后往坞口拖曳，同时开坞门，拖到指定停泊区域，最后使驳船压载下潜并调整SSCV 1号船的压载状态，保证其在整个分离过程中不会出现过大倾斜。至此，完成SSCV 1号船整个下水过程。

2.2 主船体结构有限元模型与加载

主要分析SSCV 1号船下水时主船体的结构强度。建立船体结构的有限元模型，模型范围为14.3m以上的船体结构。图3为主船体结构有限元模型。

模型边界条件采用自由边界条件，支反力与自重实现自由平衡。3艘驳船叠加提供的举力为86000kN，考虑到存在不确定的环境因素，在计算分析中，模型施加在枕木上的反顶力保守取为129000kN（安全系数取为1.5），将支撑力平均施加在与枕木接触的船体结构底板上，方向垂直向上。

图3 主船体结构有限元模型

2.3 主船体结构应力评估

通过计算分析可知，在枕木与SSCV 1号船主船体结构接触的区域出现了应力峰值，存在高应力的区域为纵向肋位P6～S3和横向肋位FR13～FR42，其中最大冯氏应力为161.1MPa（见图4），出现在滑道与船体结构接触的纵向肋板上的开孔附近（P6处），强度满足ABS规范的要求。但是，仍需对滑道与船体结构接触的所有肋板上的开孔进行封堵，避免对开孔附近结构造成破坏。对承受最大压应力的板格进行屈曲分析，最大UC值为0.83，强度满足ABS相关规范的要求。

图4 SSCV1号船相关船体结构最大冯氏应力图

3 SSCV 2号船下水方案设计及强度评估

3.1 下水方案2

SSCV 2号船的额外举力是由驳船提供的，驳船上方安装有支撑工装，支撑工装由箱梁模块、高塔架模块、箱梁立柱模块和枕木组成。驳船及其支撑工装示意见图5。

图5 驳船及其支撑工装示意

下水方案2流程：船坞内放水，开坞门，拖曳驳船进坞，关坞门，坞内排水至7.5m，驳船开始进入平台下方指定位置，坞内放水至支撑工装顶端枕木与底板开始接触，同时调整驳船的压载水，使其在上浮过程中提供约49000kN的净浮力，SSCV 2号船开始起浮直至达到平稳状态，确认之后往坞口拖曳，同时开坞门，拖到指定停泊区域，最后使驳船压载下潜并使SSCV 2号船压载起浮，保证其在整个分离过程中不会出现过大倾斜。至此，完成SSCV预算2号船整个下水过程。

3.2 主船体结构有限元模型与加载

主要分析SSCV 2号船下水时主船体的结构强度及其下方自制举托工装的结构强度。考虑驳船与自制工装一起托举SSCV 2号船的整体稳定性，建立整个船体结构的有限元模型。模型边界条件仍采用自由边界条件。驳船与举托工装提供的举力为49000kN，考虑到存在不确定的环境因素，在计算分析过程中，模型施加在枕木上的反顶力保守取为73500kN，将该反顶力平均施加在与枕木接触的船体结构底板上。此外，由于防倾拉杆大部会因受压受弯而失稳，在计算中防倾拉杆按失效处理，未模拟。计算分2部分进行，即船体结构强度分析和工装结构强度分析。图6为船体及相关结构有限元模型。

图6 船体及相关结构有限元模型

模型边界条件仍采用自由边界条件。计算分2部分进行，即船体结构强度分析和工装结构强度分析。考虑驳船和自制工装托举的SSCV 2号船的整体稳定性，计算中除了考虑垂向驳船提供的托举力以外，还需考虑横向载荷和纵向载荷，自制工装的载荷与作用在船底板上的载荷方向相反，文中未作展示。此外，由于防倾拉杆大部会因受压受弯而失稳，计算中防倾拉杆按失效处理，未模拟。作用在船底板上的具体载荷方向见表1，载荷数值大小如下：

1) 垂向7350kN（驳船提供49000kN托力，计算中考虑环境不确定因素，取安全系数为1.5）；

2) 横向2450kN（极限吃水差1m，作用在枕木顶部的横向载荷为垂向载荷的1.2%，计算中取5%托力作为横向载荷）；

3) 纵向400kN（2倍驳船拖航阻力，驳船拖航阻力为175kN，计算中拖航阻力取200kN）。

表1 下水方案2载荷列表

3.3 主船体结构应力评估

通过计算分析可知，在枕木与SSCV 2号船的主船体结构接触的区域出现了应力峰值，存在高应力的区域为纵向肋位P6～S3和横向肋位FR25～FR35，其中最大冯氏应力为146.4MPa（见图7），出现在枕木与船体结构接触的纵向肋板上（纵向肋位S3处），强度满足ABS规范的要求[2]。对承受最大压应力的板格进行屈曲分析，强度满足ABS规范的要求。通过甲板驳两端施加载荷总计24000kN，甲板驳整体变形趋于平缓，自制工装结构屈服和屈曲情况明显改善，强度满足ABS规范的要求。

图7 SSCV2号船相关船体结构最大冯氏应力图

4 结 语

通过对上述2种下水方案的结构强度进行评估，可得到这2种下水方案的优劣对比见表2。

表2 2种下水方案优劣对比

对结构强度进行分析比较得出：方案1采用3艘驳船相互叠加的方式提供较大举托力，下水过程中的稳定性较强，但因为是外租驳船，下水成本较高；方案2采用的驳船与船厂自制工装组合提供的举托力虽然有限，但下水成本较低。2种下水方案都是通过一定的方式提供额外托举力，最大应力值出现在枕木支撑船体底部的舱壁处，应力值都小于许用应力值，主船体结构强度满足规范的要求。方案2还有很大的研究空间，后续可完善该方案，提高自制工装对整船的支撑强度和整体稳定性的保障，为后续采用类似下水方案提供数据支撑，得到既安全又经济的平台下水方案。