杜玉春,尹艷,文艷

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

船塢是現(xiàn)代大型造船企業(yè)最寶貴的資源。為了充分提高船塢利用率和周轉(zhuǎn)率,降低船舶建造生產(chǎn)成本,實現(xiàn)高效快速造船,船廠通常會采取各種措施來盡可能地縮短船舶在塢內(nèi)的搭載周期。目前,業(yè)界主流大型造船企業(yè)根據(jù)自身船塢的大小和產(chǎn)品情況,通常采用一艘半或兩艘半等建造模式來提高船塢利用率[1]。生產(chǎn)計劃部門為合理安排船舶搭載計劃,通常需要技術(shù)部門提前對半船或環(huán)段搭載進行浮態(tài)和強度計算。由于半船或環(huán)段起浮存在著結(jié)構(gòu)完整性差、水線面小、大開口、易傾覆、可利用的壓載艙室少以及對預(yù)估的重量重心準確性極為敏感等不利因素,因此在計算半船或環(huán)段起浮時,需要采用靜水力計算軟件和有限元分析軟件對其進行精確的模擬計算,確保出塢安全[2]。結(jié)合公司建造的30萬t FPSO段起浮實例,介紹環(huán)段起浮計算過程。

1 起浮環(huán)段概況

目標船為一艘單底雙殼的30萬t FPSO,其垂線間長321.85 m,型寬60 m,型深33.515 m。根據(jù)項目運行計劃,截止出塢時,現(xiàn)場施工可實現(xiàn):1～6環(huán)段搭載(方案1);3～6環(huán)段搭載(方案2)。方案1起浮總長度為88.425 m,主甲板中部無法搭載。方案2起浮總長度為54.785 m,3～6環(huán)段內(nèi)所有分段可完整搭載。

2 環(huán)段浮態(tài)計算步驟

為準確快速地計算環(huán)段起浮時的浮態(tài),通常需借助靜水力計算軟件進行模擬計算。計算過程可分為三個步驟:①統(tǒng)計環(huán)段重量重心,如果環(huán)段長度較長,需要定義重量分布,計算總縱強度;②構(gòu)建浮態(tài)計算模型;③加載配重,浮態(tài)調(diào)平,校核穩(wěn)性。

2.1 環(huán)段重量重心統(tǒng)計

環(huán)段重量重心的準確性直接決定著環(huán)段起浮計算的準確性,尤其在環(huán)段較短的情況下,環(huán)段的浮態(tài)對重量重心數(shù)據(jù)極其敏感。重量重心在船長上的細微偏差都會對環(huán)段起浮造成重大的影響。此次起浮環(huán)段為貨艙區(qū)域,根據(jù)本船構(gòu)造特點,環(huán)段重量主要是分段結(jié)構(gòu)重量,其他諸如舾裝、管系等重量較小。為保證重量數(shù)據(jù)準確性,環(huán)段重量重心直接從生產(chǎn)設(shè)計軟件TRIBON中抽取。腳手架、工具箱根據(jù)以往項目實踐進行估算。兩方案重量重心統(tǒng)計表見表1。

表1 重量重心統(tǒng)計表

2.2 環(huán)段浮體模型

該FPSO貨艙區(qū)域結(jié)構(gòu)形式為單底雙殼結(jié)構(gòu),船寬方向設(shè)置3個貨油艙,未設(shè)置雙層底。3貨艙在船寬方向總跨距為51.4 m,如果采用封閉貨艙端部的形式臨時構(gòu)建起浮附體,施工工作量巨大。因此,只能依靠自身原有的水密橫艙壁構(gòu)建。本次環(huán)段起浮利用NAPA軟件進行浮體模型說明:計算坐標系統(tǒng)原點為船舶中線面上基線與尾垂線的交點,向前、向左和向上方向為正值。

構(gòu)建與計算,兩方案浮體模型見圖1、2。

圖1 方案1 1～6環(huán)段浮體模型

圖2 方案2 3～6環(huán)段浮體模型

2.3 環(huán)段起浮浮態(tài)計算

依據(jù)《船舶進出干船塢技術(shù)要求》(CB/T 3677—2015),船舶進出塢時,需要對船舶的縱傾、橫傾進行調(diào)載,艏艉吃水差不宜超過船長的1%,橫傾最大不宜超過0.5°[3]。如果需要滿足船舶后續(xù)搭載要求,半船/環(huán)段起浮后進行二次落墩,其半船/環(huán)段的縱傾目標值控制在0.5%半船/環(huán)段船長以內(nèi)[4]。根據(jù)兩方案的環(huán)段長度,方案1的理論最大允許縱傾值為0.44 m,方案2的理論最大允許縱傾值為0.27 m。為降低環(huán)段起浮與落墩過程中端部塢墩所受到的反作用力,在環(huán)段起浮過程中應(yīng)盡可能的使之平浮。方案1由于主甲板面未搭載,無法大量使用壓鐵調(diào)整浮態(tài),只能依靠環(huán)段內(nèi)已有的壓載艙進行調(diào)載。兩方案調(diào)載后浮態(tài)見表2。

表2 方案起浮浮態(tài)與配載

根據(jù)表2計算結(jié)果可知,方案1不可行。

1)環(huán)段起浮平吃水過大。船舶/環(huán)段出塢時的水深由船舶/環(huán)段吃水、塢墩高度和富裕深度共同確定。公司塢墩高度約為2.0 m,富裕水深通常取0.5～1.0 m。該方案出塢時塢內(nèi)水深要求約為9.5 m～10.0 m。公司船塢水域水深條件,無法滿足方案出塢需求,公司船舶出塢時吃水宜控制在6.5 m以下。

2)配載方案難以實現(xiàn)。該方案環(huán)段所構(gòu)成的浮體浮心位于縱向96.454 m,而重心縱向位置為85.645 m,兩者相差接近11 m。為使得環(huán)段平浮,需要在6號左右兩壓載艙滿艙的基礎(chǔ)上,還需在環(huán)段艏部放置3 050 t壓鐵。此壓鐵數(shù)量和安放位置現(xiàn)場都無法實現(xiàn)。

3)環(huán)段尾端結(jié)構(gòu)完整性差。環(huán)段尾部三貨艙在船寬方向總跨距為51.4 m,為保證起浮時的結(jié)構(gòu)完整性,需要進行臨時對其結(jié)構(gòu)加強,工作量巨大。方案2的吃水淺,壓載量小,結(jié)構(gòu)完整性好,方案的浮態(tài)和穩(wěn)性均可行。

3 環(huán)段起浮過程安全性分析

3.1 起浮過程塢墩支反力

環(huán)段起浮調(diào)載時,為降低環(huán)段起浮過程對塢墩的壓力,通常使之平浮。由于此調(diào)載的理論計算值是基于對環(huán)段、工具箱、腳手架等重量重心的估算,估算值與實際值通常存在一定的偏差,其偏差體現(xiàn)在平均吃水、橫傾和縱傾三方面。

平均吃水的偏差在起浮過程中對船塢工程基本無影響,只是一個起浮時間的問題。由于環(huán)段通常在橫向上具有良好的對稱性,即使因非對稱重量產(chǎn)生的橫傾也是很小的角度,利用極少量的壓鐵即可調(diào)平浮態(tài)。環(huán)段在縱向上由于無規(guī)律可循,需完全依靠統(tǒng)計的準確性,因此極易發(fā)生不同誤差集中到一端的現(xiàn)象,造成起浮時艏艉吃水差過大,且難以通過少量壓鐵進行調(diào)平。

假如環(huán)段具有一定的艏傾,當塢外的水逐漸往內(nèi)注入時, 水面上升, 當水面達到環(huán)段艉吃水時,環(huán)段最艏部塢墩(端部一排13個)受到的支反力達到最大值,反之亦然[5]。此時艏端塢墩總的支反力P為環(huán)段重量W與環(huán)段艉端吃水對應(yīng)的排水量△之差,即P=W-△。方案2不同縱傾對應(yīng)的尾部塢墩支反力見表3。

表3 方案2的縱傾與支反力

從表3可知,塢墩支反力隨著縱傾值的增加而增大,為使得端部塢墩能夠共同分擔因縱傾造成的作用力,船舶應(yīng)盡可能無橫傾。對于方案2,根據(jù)理論計算,縱傾0.162 m,端部塢墩總支反力為1 923 kN,此值大于一個木塢墩所能承受的100 t最大重量。因此,方案2在起浮過程中應(yīng)配備壓鐵以確保無橫傾的起浮。

3.2 起浮過程穩(wěn)性分析

在整個環(huán)段起浮過程中,由于環(huán)段漂浮后將處于艏傾狀態(tài),隨著塢內(nèi)水深逐漸增加,環(huán)段艉端將先于艏端浮起。在艉端即將起浮的瞬間,前端塢墩支反力達到最大的同時,穩(wěn)性高度喪失也達到最大,其穩(wěn)性損失量為δGM=-P×KM/W。方案2不同縱傾對應(yīng)的穩(wěn)定高度值見表4。

表4 方案2縱傾與穩(wěn)性高度對應(yīng)表

從上表4可知,①同一吃水和縱傾條件下,由于環(huán)段寬度大于環(huán)段長度,縱穩(wěn)性高度值小于橫穩(wěn)性高度值。因此,此環(huán)段的縱穩(wěn)性應(yīng)為重點校核對象;②環(huán)段橫穩(wěn)性和縱穩(wěn)性損失量隨著縱傾值的增加而增大,但由于船體底部較為平坦,KML以及KMT都較大,最終的穩(wěn)性值都大于0.3 m,滿足穩(wěn)性安全的要求。

3.3 起浮過程局部強度有限元分析

根據(jù)生產(chǎn)要求,3～6環(huán)段計劃在塢內(nèi)起浮后坐墩,根據(jù)重量重心計算預(yù)估,總環(huán)段總重約為7 971.2 t,考慮1.25的安全系數(shù),需計算塢內(nèi)現(xiàn)有塢墩布置方案下坐墩后的船體結(jié)構(gòu)有限元強度。經(jīng)PATRAN軟件有限元建模進行計算,模型見圖3。

圖3 3-6環(huán)段有限元模型

邊界條件:根據(jù)塢墩布置方案,在塢墩支撐分段的接觸面位置對模型進行垂向約束,并在少數(shù)點約束X,Y方向以彌補模型約束不足。模型邊界條件見圖4。

圖4 邊界條件

設(shè)計載荷:載荷設(shè)計僅考慮分段自重。

計算結(jié)果:結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力44.5 MPa,最大應(yīng)力處材料許用應(yīng)力為356 MPa,許用系數(shù)按0.73算,許用應(yīng)力為365×0.73=266 MPa,因此結(jié)構(gòu)強度符合要求。結(jié)構(gòu)最大變形5.77 mm,應(yīng)力云圖及結(jié)構(gòu)變形見圖5～7。

圖5 應(yīng)力云圖

圖6 結(jié)構(gòu)變形

圖7 塢墩支板力圖

4 結(jié)論

1)對兩方案的NAPA建模和浮態(tài)穩(wěn)性計算結(jié)果表明:搭載方案1在起浮調(diào)載和吃水方面均無法滿足正常出塢要求,且結(jié)構(gòu)完整性差,方案不可行;搭載方案2起浮時吃水淺,壓載量小,結(jié)構(gòu)完整性好,方案浮態(tài)和穩(wěn)性可行。

2)經(jīng)過對環(huán)段落墩時因縱傾所產(chǎn)生的塢墩支反力的計算分析表明:①塢墩支反力隨著縱傾值的增加而增大;②方案2所對應(yīng)的端部塢墩總支反力為1 923 kN,單塢墩支反力148 kN,小于端部單個木塢墩所能最大承受1 000 kN;③為避免落墩重量集中于單一塢墩,應(yīng)無橫傾地落墩。

3)對環(huán)段起浮過程以及漂浮狀態(tài)的穩(wěn)性分析結(jié)果表明,兩種狀態(tài)的穩(wěn)性值均大于0.3 m,滿足起浮穩(wěn)性要求。

4)經(jīng)過PATRAN結(jié)構(gòu)建模計算,方案2的環(huán)段結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力44.5 MPa,最大應(yīng)力處材料許用應(yīng)力為356 MPa,結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于許用應(yīng)力,結(jié)構(gòu)強度符合要求。

綜上所述,搭載方案2的浮態(tài)、穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)強度和塢墩支反力均滿足要求,方案可行。