半潜式起重船结构设计分析

吴 迪， 姜 苏， 吴翠江

(中集来福士海洋工程有限公司 研发部， 山东 烟台 264670)

0 引 言

近年来，随着海洋油气开发、平台拆解、风电安装运维和海难救助等产业的快速发展，大型起重船的设计和建造得到了业界广泛关注。半潜式起重船(Semi-Submersible Crane Vessel，SSCV) 具有自航、半潜和重型吊载等功能，目前全球正在运营的SSCV数量较少，且大多是在20世纪90年代以前建造的。由于建造和运营的成本较高、建造的技术难度较大，近年此类型船很少建造。荷兰油气工程承包商HMC (Heerema Marine Contractors)的“Sleipnir”号SSCV于2019年交付，该船长220 m，宽102 m，排水量为27万t，配备有2台10 000 t全回转起重机。该船2019年完成了15 300 t重模块的吊装任务，2020年在挪威北海地区成功移除了重达8 100 t的平台导管架，2次作业均创下了当时的单次吊载重量世界纪录。此后，该船又安全移除并运输了超过43 900 t重的海上基础设施。中国招商重工为挪威OHT(Offshore Heavy Transport)公司建造的“Alfa Lift”号SSCV于2021年交付，该船可载货甲板的长度为148 m，总载重量达4.8万t，配备有起重能力达3 000 t的起重机，主甲板可下潜至水下15 m。

从功能上看，SSCV是常规的半潜船与起重船的结合体，具有船宽大、型深小、压载舱多、稳性和操作性好等特点，其主尺度、舱室设置、设备布置和操作模式与常规的货物运输船有很大区别。目前，该类型船的结构设计还没有完备的母型船资料可供参考，需在设计过程中针对具体问题作具体分析。

1 船舶概况

本文以某SSCV为研究对象，其布置类似于半潜船，采用三岛式型式。艏部设置艏楼和生活楼，艉部设置艉浮箱。全回转重吊的最大起重能力为5 000 t，对应的最大回转半径为36 m。为方便进行风电安装作业和减少对甲板装货面积的占用量，重吊布置在左舷靠近艉部的位置，船舶下潜时重吊的基座可兼作浮箱。该船设置有较多的压载舱，既能保证有足够的下潜能力，又能控制重吊作业时的浮态。全船布置有11道水密横舱壁和4道水密纵舱壁。该船的主尺度和总布置图分别见表1和图1。

表1 目标船主尺度

a) 侧视图

该船入级挪威船级社(Det Norske Veritas，DNV)，与结构设计相关的船级符号为：DNV GL★ 1A, Crane vessel, Semi-submersible heavy transport vessel, Strengthened(DK), Ice(1C), DAT(-20 ℃)。

该船主要有航行、重吊作业和半潜作业等3种操作模式，各操作模式对应的设计海况见表2。

表2 目标船各操作模式对应的设计海况

2 船体结构概况

与常规半潜船的作业特点[1]类似，SSCV要做到能潜能浮。保持浮力与重力的平衡是整船设计的重点。若空船重量过轻，则达不到预定的下潜深度；若空船重量过重，则达不到要求的载重量。船体结构重量占空船重量的比例通常很高。因此，在船型方案论证阶段准确估算船体结构重量并在设计过程中进行跟踪和控制是非常必要的，以确保船体结构重量保持在设定值附近。

2.1 中横剖面

合理设计船体中横剖面是使结构设计满足船舶总纵强度和船舶功能实施要求的基础。中横剖面上构件的布置既要考虑到结构功能的合理性，又要保证结构形式简单、施工方便，同时还要满足船体强度和刚度的要求。因此，在设计船体中横剖面时，应综合考虑载荷(包括设计静水弯矩、波浪弯矩和局部载荷)、骨架及骨材形式选取、骨材间距和材料选择等因素。

SSCV的船型比较特殊，典型的中横剖面示意见图2。主甲板下方2 400 mm处设置有一层非水密的中间甲板(高度为距基线13 600 mm，即13 600 ABL，其余位置高度格式与此相同)，方便检修人员在该平台上对主甲板的下表面进行检修和补漆等操作；同时，双层结构的甲板板架具有较好的结构强度和刚度，满足甲板载荷的设计要求。左舷距中17 600 mm的纵舱壁旁中间甲板下方设置有一条通道，可从船尾通行至船首机械处所。该船的压载舱较多，采用集中透气的方法，左右舷各设置1个集中透气通道。由于压载管路及相关设备较多，左、中、右各布置1个管弄，高度为3 200 mm。管弄周界的船体结构采用外翻的形式，以保证内部压载管路的布置和操作空间满足要求。为保证内底结构强度的连续性，管弄顶部逐渐倾斜过渡至内底板(高度为2 400 mm)。

图2 典型的SSCV中横剖面示意

2.2 甲板载荷

该船主甲板的局部设计载荷如下：

1) 均布载荷为30 t/m2；

2) 横纵舱壁处线载荷为300 t/m；

3) 横纵强框架处线载荷为100 t/m。

对于甲板载荷作用下的船体结构强度而言，除了按船级社规范的要求对甲板板厚和甲板纵骨剖面模数进行校核以外，还应采用有限元计算的方法对甲板板架的强度进行校核。由于需要经常进行焊接和气刨等操作，主甲板额外增加2 mm的厚度。

2.3 骨架形式和骨材间距

该船的型宽B与型深D的比值B/D很大，对船体梁的总强度不利。为满足规范的要求，除了舷侧冰带区域和艏尖舱以外，船体结构均采用纵骨架形式。强框间距的设置应综合考虑结构重量、施工成本和结构强度三者之间的平衡。每3档肋位设置1个横向强框，间距为2 400 mm。

由于该船的船体结构承受的局部载荷很大，例如30 t/m2的甲板均布载荷、下潜至最大水深25 m时舷外海水对船体结构的压力、设置在高处的溢流管(该高度超过最大下潜深度)导致的较大的液舱内部压力等，因此船体结构的板厚较厚，屈曲承载能力较强，采用较大的骨材间距(800 mm)既方便施工并减少焊接工作量，又不会因板格较宽而导致结构的屈曲承载能力不足。

3 结构设计中应注意的问题

3.1 设计温度对结构钢级的影响

根据DNV规范的要求，若船舶在温度小于-10 ℃的区域作业，则必须选择强制性入级符号DAT(xx)，括号内的“xx”为对应的环境温度，本文所述SSCV对应的环境温度为-20 ℃。船体结构钢级应满足文献[2]中的相关要求(Part 6, Chapter 6, Section 5, 2.2)。表3为该船船中0.4L(L为规范船长)内典型位置处结构钢级选用情况及其与正常气温下要求的钢级对比。

3.2 波浪载荷

SSCV在重吊作业模式下对稳性的要求较高，因此该类型船对船宽的要求比常规的半潜船高。本文所述SSCV的主尺度比(L/B=4.1，B/D=3.5)远超过船级社规范中给出的主尺度比的适用范围(L/B>5.0,B/D<2.5)，航行模式和作业模式下的波浪载荷都需采用预报的方法计算[2]。采用DNV的Sesam/HydroD软件，选取装载手册中典型的航行工况和重吊作业工况进行预报。对于航行工况，采用北大西洋波浪散布图进行长期预报[3]，波浪谱选用P-M谱。超越概率取10-8，该数值大致对应于20 a一遇波浪的超越概率设计值。在计算船体疲劳载荷(垂向弯矩和水平弯矩)时，超越概率取10-2。对于重吊作业工况，采用短期预报的方式，波浪谱采用JONSWAP谱[4]。具体的波浪载荷预报过程和预报结果见文献[5]。

表4为各种典型工况下的垂向弯矩峰值预报结果与规范值对比。将航行工况(超越概率为10-8)下预报得到的波浪弯矩的峰值与规范值(详见文献[2]中的Part 3, Chapter 4, Section 4, 3)相对比，结果见表4。从表4中可看出，航行工况(超越概率为10-8)下的最大弯矩预报值约为规范值的1.4倍，重吊作业工况下的波浪弯矩预报峰值为航行工况(超越概率为10-8)下的波浪弯矩预报峰值的15%，进一步验证了对于此类超尺度比的SSCV的波浪载荷而言，采用规范中的经验公式无法满足设计要求，必须采用直接计算的方法进行计算。

表4 各种典型工况下的垂向波浪弯矩预报结果与规范值对比

3.3 纵骨疲劳计算

结合第3.2节中计算得到的航行工况下的波浪弯矩(对应超越概率为10-2)，采用简化应力分析方法和DNV的规范计算软件Nautics Hull对纵向骨材与肋板或强框架的端部连接处的疲劳寿命进行计算。疲劳设计寿命取为25 a，海况环境取全球海况环境，对应的环境系数fe=0.8。常规货船由于经常在恶劣的海况下航行，其海况环境通常取北大西洋海况环境，对应的环境系数fe=1.0。船舶航行时的时间因子f0=0.85(不包括装卸货、维修等花费的时间)。疲劳计算的典型工况取满载航行和压载航行2种工况，时间比α均为0.5。

计算结果显示，该船的船底纵骨与非水密肋板连接处的疲劳寿命不满足规范的要求，需将船底纵骨与非水密肋板连接处的肘板改为软趾形式，具体见表5。

表5 船底纵骨与非水密肋板处连接原始设计与修改后设计的疲劳寿命对比

3.4 吊机基座

布置在左舷靠近艉部的重型起重机的自重约为5 000 t，最大吊重为5 000 t。重吊的基座结构设计为从上至下由圆形逐渐过渡为方形。方形的四周外围壁结构与甲板下方的横纵舱壁和舷侧外板对齐。采用这种方式的好处是利用现有的舱壁作为加强结构，能减少额外增加加强结构对甲板下舱室布置的影响。由于本文所述SSCV的半潜功能对压载水量的需求很大，基座的方形部分的内侧四周设计为压载舱。因此，基座的方形部分实际上是双壳结构。相对于单壳结构来说，双层结构具有较好的强度和刚度。

3.5 有限元分析

不同于散货船、油船和集装箱船等常规货船，SSCV的有限元分析没有标准的有限元计算指南可供参考。目前各船级社的规范对SSCV的规定和描述都比较笼统且不完善。文献[7]和文献[8]给出了典型半潜船的有限元计算方法。对于本文所述SSCV来说，在对其开展有限元计算时，应着重评估以下几个方面的内容。

1) 航行模式：除了着重评估总纵强度以外，还应评估各种甲板载荷作用下的结构强度。计算载荷考虑船体梁弯矩、甲板载荷、舷外水压力和压载水压力等。考虑压载舱内不同的装载工况，并与各种甲板载荷相组合，共得到26种工况。

2) 半潜作业模式：着重评估与舷外水交界的甲板板架、舷侧板架和底部板架的强度，共3种工况。

3) 重吊作业模式：着重评估起重设备的基座和甲板下加强结构的强度。在基座与吊机的连接面处施加吊机以吊重为5 000 t、回转半径为36 m作业时的最大支反力(由吊机厂商提供)，吊臂每旋转45°为1种工况，共8种工况。重吊基座和甲板下加强结构有限元模型见图3。

a) 显示主甲板、船底板和基座外围壁

该船采用三舱段方法对航行模式和半潜作业模式进行有限元分析，有限元模型和典型计算工况分别见图4和图5。

a) 甲板横舱壁及外板板厚

a) 航行模式典型甲板均布载荷工况

对该船的三舱段有限元分析结果进行汇总，结果发现，屈服强度不满足规范要求的情况较多，屈曲强度不满足规范要求的情况较少，进一步验证了第2.3节中提到的增大骨材间距对于该船的结构强度、重量和施工建造而言是有好处的。根据有限元计算结果，需进行结构加强的典型位置见图6。

a) 水密横舱壁合成应力(下潜工况)

该船的吊机基座及甲板下加强有限元计算结果显示，基座底部与主甲板连接处的过渡大肘板有很明显的应力集中现象，需进一步通过细化网格的有限元评估该处的结构强度。图7为吊机在吊重为5 000 t、回转半径为36 m的工况下作业时吊臂朝向船首时的重吊基座有限元分析合成应力计算结果。

a) 外板

4 结 语

本文介绍了某SSCV的结构设计特点和强度分析方法，归纳了在对该类型船进行结构设计分析过程中需考虑的关键问题：

1) 该类型船的宽度通常很大，主尺度比不满足规范的适用要求，航行工况和重吊作业工况下的波浪载荷均需采用直接计算方法预报。对于该船来说，预报得到的航行工况下的最大弯矩约为规范值的1.4倍，重吊作业工况下的波浪弯矩预报峰值为航行工况下的15%。

2) 重吊的基座和加强结构的设计应考虑对甲板下舱室布置的影响。

3) SSCV的有限元分析没有标准的有限元计算指南可供参考。在对该类型船进行有限元计算时，应着重评估其在航行工况和各种作业工况下的总强度和局部强度。有限元计算结果显示，屈服强度不满足规范要求的情况较多。增大骨材间距对于该船的结构设计而言是有好处的。

该船目前还处于设计阶段，文中提到的结构设计方法和相关结论已得到DNV的认可，可供同类型船的结构设计参考。