半潜式平台横装干拖运输结构强度分析

蔡连财， 江 锋， 刘起成*， 樊天慧， 刘 旭， 霍浩杰， 冷述栋

(1. 中远海运特种运输股份有限公司， 广东 广州 510623； 2. 中船黄埔文冲船舶有限公司， 广东 广州 510715；3. 华南理工大学 土木与交通学院， 广东 广州 510641； 4. 南方海洋科学与工程广东省实验室， 广东 珠海 519080；5. 中船重工船舶设计研究中心有限公司， 北京 100081)

0 引 言

半潜式平台为非自航的海上超级装备，造价约上亿美元，重量达上万吨，长度约上百米。平台从陆地制造基地干拖至海洋或者从一个作业区干拖至另一个作业区，平台的远洋运输受到航行海域气象、海况、拖航时间、经济性和技术条件等因素的制约，运输难度大、风险高，为保证其远洋运输的安全、可靠，需要强大成熟的专业团队给予支持[1-2]。

半潜船主要通过一系列下潜、上浮操作或者码头滚装滚卸、吊装吊卸等方式装卸及运输超大型不可分割的设备，如半潜式平台等高附加值的货物[3-5]。考虑到半潜式平台与半潜船船宽尺寸的相对关系，通常采用打横装的积载方式。在此积载方式下，由于平台的旁通长度通常远大于半潜船的船宽，且平台立柱通常部分或者全部悬出半潜船舷外，平台外伸结构对平台本身及垫木的结构强度带来挑战。由于在远洋运输过程中海洋环境恶劣，加剧了外伸结构导致的结构强度问题，因此需要评估在航行时间内遭遇最恶劣海况时平台本身及垫木的结构强度是否满足规范要求。

本文以实际项目为依托，根据远洋运输路线，计算有义波高，然后采用水动力软件对半潜船与半潜式平台整体进行运动响应分析，基于不同浪向角，组合4种典型工况，校核平台及垫木的结构强度，为平台的远洋运输安全提供理论依据。

1 加速度计算及运输工况组合

1.1 积载及垫木方案

某5万 t半潜船装载某半潜式平台积载方案如图1所示，垫木布置方案如图2所示，实际装载如图3所示。

单位：mm图1 半潜式平台积载方案示例

图2 垫木布置方案示例

图3 实际装载

1.2 海域环境参数

半潜船航经海域先后分别为：南中国海、爪哇海、巽他海峡、印度洋、南非沿岸、好望角、大西洋、英吉利海峡、多佛海峡、北海、挪威海、巴伦支海。根据半潜船航线及水动力软件中自带的全球波浪统计数据库，该航线中最恶劣海况出现在好望角85海区。该区波浪谱如图4所示。计算得到航行期间最大有义波高约8.4 m。考虑到航行的实际情况，可以将航行过程中遭遇的最大有义波高设计值降低至6.0 m，为了规避航线中可能遇到的大风大浪，在航行过程中根据详细准确的天气预报及时调整航线，确保半潜船在设计海况内航行。

图4 好望角85海区波浪谱

1.3 耐波性计算

采用水动力计算软件Octupos进行耐波性分析。该软件基于三维势流理论，能够对船舶的运动响应进行数值预报。

该5万t船型的耐波性通过耐波性试验、实船试验和三维水动力数值模拟进行对比分析，验证数值模拟方法的可靠性[6]。

数值模拟使用JONSWAP谱生成系列的计算海况，其谱密度表达式为

(1)

计算海况如表1所示，其中浪向角定义如图5所示。根据耐波性计算结果，考虑到平台旁通结构及垫木布置的对称性，按照不同浪向角组合出如表2所示的4种工况对平台进行强度校核，其中纵向加速度和横向加速度分别包含了船舶在纵摇和横摇过程中导致的重力加速度在纵向和横向的分量，垂向加速度为垂荡加速度与重力加速度之和。

表1 5万t半潜船数值模拟计算海况

图5 浪向角定义

表2 不同工况组合数据分析

2 有限元模型及前处理

2.1 有限元模型

采用有限元软件GeniE 64对半潜式平台进行有限元建模，对外板、纵横舱壁、强肋板、桁材的腹板等结构采用板单元模拟，实肋板、桁材上的面板及扶强材等结构采用梁单元模拟，对大型设备等采用质量单元模拟，质量单元与平台结构之间采用刚性梁连接[7-8]。调整各部分结构的密度，将平台有限元模型的重量重心调至与实际基本一致。平台总重量约25 000 t，半潜式平台模型如图6所示。

图6 半潜式平台模型

若采用常规等高度的垫木铺设方式，在静载工况下会出现平台旁通中间部分垫木受载较小甚至不受载而舷侧部分垫木过载的情况，在航行工况时上述问题更明显。考虑平台自身变形，设计合理的可变高度的垫木铺设方式在静载工况下将平台重量较为均匀地传递至垫木上[9]。采用板单元对可变高度的垫木进行模拟，垫木模型如图7所示。

图7 垫木模型

2.2 约束及载荷

不考虑半潜船船体变形的影响，在垫木底部采用6自由度全约束，横向绑扎件位置处的结构约束y向，纵向绑扎件位置处的结构约束x向，如图8所示。

图8 模型约束示例

对半潜式平台和垫木进行强度分析。由于使用的垫木为软木，根据文献[10]，垫木的许用受压极限为2 MPa。半潜式平台所有钢结构材料均为Q355，屈服极限σy为355 MPa，根据AISC规范[11]，许用等效应力取0.88σy，即312 MPa。

3 强度分析

3.1 垫木强度校核

按照第1节中的工况组合对模型进行有限元分析，垫木结构强度校核计算结果如表3所示。

表3 垫木强度校核计算结果

4种不同工况下的垫木应力云图如图9～图12所示。由图9～图12可知，垫木的等效应力最大值均位于中间位置，主要原因为中间位置垫木高度略大于舷侧附近垫木高度，中间部分垫木承受较大压力。这种应力分布是有利的，平台更多的重量传递至半潜船中间位置，可有效降低半潜船舷侧附近的应力水平。在4种组合工况下，垫木的最大压应力均小于许用压应力，且留有一定的安全裕量，表明垫木的结构强度满足远洋运输要求。

图9 工况1垫木应力云图

图10 工况2垫木应力云图

图11 工况3垫木应力云图

图12 工况4垫木应力云图

3.2 平台强度分析

半潜式平台结构强度计算结果如表4所示。

表4 半潜式平台结构强度校核计算结果

不同工况下的平台应力分布如图13～图20所示。由图13～图20可知，中纵舱壁旁的纵向桁材出现等效应力最大值，该位置位于平台立柱正下方，又位于垫木支撑的边缘，受到总纵弯矩和上部重量载荷的叠加作用，是等效应力出现最大值的关键区域。在4种组合工况下，最大等效应力均小于许用等效应力，且留有一定的安全裕量，表明平台的结构强度满足远洋运输的要求。

图13 工况1应力云图

图14 工况1应力云图细节

图15 工况2应力云图

图16 工况2应力云图细节

图17 工况3应力云图

图18 工况3应力云图细节

图19 工况4应力云图

图20 工况4应力云图细节

4 结 论

基于三维势流理论、结构有限元理论，系统提出一套解决半潜式平台等超长货物横装干拖远洋运输结构安全问题的评估方案，对半潜船装载类似超大型货物提供了重要的参考价值。

(1) 对于半潜式平台，底部区域若采用常规的等高度垫木铺设方式，则平台及垫木的结构强度无法满足运输要求。创新性地采用变高度的垫木铺设方式可很好地解决这一难题。采用变高度的垫木设计方式可将平台的载荷较为均匀地传递至平台浮体中部区域，对平台、垫木及船体的结构强度有利。

(2) 半潜式平台在运输过程中应力最高的地方是立柱下旁通的旁桁材位置，可作为平台设计时的参考。

(3) 考虑到对平台整体模型进行有限元建模耗时耗力，而应力关键区域位于旁通位置，建议在进行分析时尽可能简化上层建筑模型。

(4) 垫木压应力和平台等效应力均在斜浪时出现最大值，在校核中应作为重点工况进行分析。