左亞東 曾 湛

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，海洋逐漸成為全球石油勘探的重要領(lǐng)域。據(jù)國外權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測，未來世界油氣總儲(chǔ)量的44%將來自海洋［1］。海上油氣田開采的油氣除少數(shù)在海上直接裝船外運(yùn)外，多數(shù)通過管道傳輸至陸上加工。到目前為止，我國海洋石油、天然氣開發(fā)中鋪設(shè)的海底管道大多數(shù)采用鋪管船進(jìn)行鋪設(shè)。［2］隨著我國深海石油天然氣資源的開發(fā)，亟需開發(fā)提升海底管道鋪設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)建造出適用于深海海底管道鋪設(shè)的設(shè)備［3-4］。

本文以一艘非自航鋪管起重船為研究對象，此船鋪設(shè)海底管線的最大作業(yè)水深為350 m，重點(diǎn)闡述A字架的結(jié)構(gòu)校核分析方法及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)。此船的船尾設(shè)一套固定式托管架，在管線從尾部下放時(shí)用于支承，以防止管線過度彎曲。A字架是支撐固定式托管架的重要構(gòu)件，A字架頂部安裝滑輪組，用以起吊和下放托管架，托管架鉸接于船尾，依靠絞車通過A字架起吊或下放調(diào)整位置，用以調(diào)整鋪管的入水曲率半徑（詳見圖1）。在鋪管作業(yè)時(shí)，A字架承載著托管架及管線的主要載荷，其結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。

圖1 托管架A字架總布置圖

本文旨在開發(fā)一種有限元分析方法，依據(jù)API RP 2A-WSD（2007） 第21版中的規(guī)定，對A字架結(jié)構(gòu)在各類工況下進(jìn)行強(qiáng)度校核和剛度分析［5-6］，進(jìn)而反饋和指導(dǎo)A字架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文借助挪威船級社開發(fā)的商用有限元軟件SESAM GENIE V6.4-08下完成。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 主結(jié)構(gòu)

A字架主體采用桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（詳見圖2），材料及尺寸詳見表1。主管間采用356×30的支管連接，在局部應(yīng)力較大之處的支管管徑進(jìn)行了調(diào)整，如首尾端橫撐選取了711管徑。A字架兩端采用X型支管設(shè)計(jì)，中部支管采用K型設(shè)計(jì)，詳見圖2。

表1 A字架主要部件尺寸和材料

圖2 A字架的正視圖和俯視圖

1.2 頂橫梁

A字架橫梁為連接滑輪組和4根桁架主管的橋梁，其主要作用為增加A字架的整體剛度和作為滑輪組、鋼絲繩固定端的基座。滑輪組耳板采用雙耳板套入橫梁再坡口焊接，全焊透，管內(nèi)設(shè)置環(huán)筋以加強(qiáng)；設(shè)置外部環(huán)筋用于布置鋼絲繩死端，并進(jìn)行局部加強(qiáng)；橫梁兩端布設(shè)安全繩系泊點(diǎn)。

1.3 鉸 點(diǎn)

A字架的4根主管都與尾封板連接。為便于安裝，上部采用絞點(diǎn)設(shè)計(jì)，下部采用法蘭連接。尾封板上設(shè)置單耳板，主管上設(shè)置雙耳板與之配對，通過銷軸連接。

2 有限元結(jié)構(gòu)校核分析

2.1 載荷分析

A字架總體強(qiáng)度校核參照API《RP 2A-WSD，2005》規(guī)范的強(qiáng)度校核進(jìn)行。對于A字架管架結(jié)構(gòu)，具體各應(yīng)力的許用UC計(jì)算可詳見該規(guī)范第3章；對于托管架的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，具體各應(yīng)力的許用UC計(jì)算可詳見該規(guī)范第4章。具體校核計(jì)算中，折減系數(shù)Cm= 0.85，有效長度系數(shù)K= 1。表2列出了A字架總體強(qiáng)度校核的滿載待命工況相應(yīng)安全系數(shù)。

表2 滿載待命工況安全系數(shù)

2.2 載荷分析

2.2.1 環(huán)境條件

本船考慮3種不同環(huán)境條件，分別為鋪管船滿載作業(yè)、滿載待命和生存吊起，見表3。

表3 鋪管船設(shè)計(jì)環(huán)境條件

本船對托管架結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時(shí)，考慮3種不同環(huán)境條件下共計(jì)7個(gè)計(jì)算工況，其中滿載作業(yè)和滿載待命環(huán)境條件下同時(shí)考慮托管架對應(yīng)的3種不同鋪管狀態(tài)。

托管架的3種鋪管狀態(tài)和生存吊起狀態(tài)分別為：

鋪管狀態(tài)1 48寸63 m水深，托管架軸向與水平面夾角-9°（順時(shí)針為正），吊索與水平軸夾角63°（順時(shí)針為正）。

鋪管狀態(tài)2 24寸300 m水深，托管架軸向與水平面夾角-16°（順時(shí)針為正），吊索與水平軸夾角68°（順時(shí)針為正）。

鋪管狀態(tài)1 10寸350 m水深，托管架軸向與水平面夾角-19°（順時(shí)針為正），吊索與水平軸夾角70°（順時(shí)針為正）。

生存吊起狀態(tài) 托管架吊起，托管架軸向與水平面夾角10°（順時(shí)針為正），吊索與水平軸夾角44°（順時(shí)針為正）。

作業(yè)工況和待命工況考慮5種不同浪向，分別為 0°、45°、90°、135°、180°；生存工況考慮 3 種不同浪向，分別為 150°、165°、180°。

滿載待命相對于滿載作業(yè)時(shí)環(huán)境條件更為惡劣。生存吊起作業(yè)時(shí)，托管架吊起，沒有管線載荷。根據(jù)托管架在7個(gè)計(jì)算工況下的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果可知，滿載待命工況為A字架分析的關(guān)鍵工況，滿載待命工況下托管架結(jié)構(gòu)計(jì)算分析得到的吊索拉力為本文A字架分析的載荷輸入。

2.2.2 重力

根據(jù)模型中所有構(gòu)件的材料和截面屬性計(jì)算整個(gè)模型的總重以及重心，并考慮到結(jié)構(gòu)中的焊接和構(gòu)件偏差，計(jì)算得到合計(jì)重約為213 t。

在GeniE中，A字架外端部的滑輪組及加強(qiáng)肘板等附件的質(zhì)量以集中質(zhì)量點(diǎn)的方式加載在各自重心處。

2.2.3 運(yùn)動(dòng)慣性力

A字架由于船體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力，借助Z2013-28《非自航起重鋪管船耐波性和拖航穩(wěn)定性模型試驗(yàn)報(bào)告》中，A字架鉸點(diǎn)處（5號點(diǎn)位置）在滿載待命工況時(shí)單位有義波高下的不規(guī)則波加速度預(yù)報(bào)值（見下頁表4）計(jì)算得到。

表4中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為單位有義波高下的無因次運(yùn)動(dòng)加速度預(yù)報(bào)值，A字架由于船體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的慣性加速度見式（1）：

式中：a為試驗(yàn)得到的單位有義波高下的無因次運(yùn)動(dòng)加速度預(yù)報(bào)值；Hmax為相應(yīng)工況下的最大波高。

表4 滿載待命單位有義波高下無因次運(yùn)動(dòng)加速度預(yù)報(bào)值

式中：HS為有義波高。

鋪管待命狀態(tài)的慣性加速度，跨零周期為8.5 s，模型試驗(yàn)報(bào)告中選取跨零周期為8.5 s的無因次加速度預(yù)報(bào)值，具體慣性加速度計(jì)算值見表5。

2.2.4 吊索拉力

A字架兩個(gè)外端分別承受來由兩端動(dòng)滑輪組傳遞而來的沿鋼絲繩方向的托管架拉力和兩端絞車的沿鋼絲繩方向的拉力，吊索的工作原理見圖3。由托管架的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析確定的吊索力受力情況如表6所示。

最大吊索力合力為滿載待命工況下的鋪管狀態(tài)1，為4 487.7 kN。圖3中，兩端兩組動(dòng)滑輪對A字架的拉力可以等效為兩個(gè)集中力，等效力作用點(diǎn)如圖4中所示（F1為吊索力合力，F(xiàn)2為絞車?yán)Γ?/p>

2.2.5 載荷組合

A字架總體強(qiáng)度校核，各工況計(jì)算所包括的載荷有重力、運(yùn)動(dòng)慣性力和吊索拉力，其中運(yùn)動(dòng)慣性力和吊索拉力均按最危險(xiǎn)的滿載待命工況考慮，且考慮 5種不同浪向，分別為 0°、45°、90°、135°、180°。

2.3 結(jié)構(gòu)分析模型

A字架是典型的桁架式結(jié)構(gòu)，本文應(yīng)用SESAM GENIE軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，分別得到A字架上下鉸點(diǎn)在各浪向下的支點(diǎn)反力；并依照API RP 2A-WSD校核了A字架桿件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和各節(jié)點(diǎn)處的沖剪強(qiáng)度。A字架有限元模型如圖5所示。

圖5 A字架有限元模型示意圖

有限元模型的總體坐標(biāo)系采用右手笛卡爾坐標(biāo)系：

（1）X方向?yàn)檠厣舷覘U平面，指向船首；

（2）Y方向?yàn)榇瑢挿较?，自中縱剖面指向左舷；

（3）Z方向?yàn)榇怪鄙舷覘U平面向上。

結(jié)構(gòu)模型中采用N、mm的國際單位制。

在GENIE中建立的有限元模型參見圖5，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核的CAPACITY模型如圖6所示。

圖6 GENIE中的CAPACITY模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 鉸點(diǎn)力結(jié)果

4個(gè)鉸點(diǎn)的編號如圖7所示。

圖7 鉸點(diǎn)編號示意圖

滿載待命環(huán)境工況，不同浪向下各鉸點(diǎn)的支反力結(jié)果如表7-表10所示。

表7 船尾1號鉸點(diǎn)處支反力結(jié)果

表8 船尾2號鉸點(diǎn)處支反力結(jié)果

表9 船尾3號鉸點(diǎn)處支反力結(jié)果

表10 船尾4號鉸點(diǎn)處支反力結(jié)果

3.2 桿件受力結(jié)果

滿載待命環(huán)境工況，不同浪向下，各鉸點(diǎn)處桿件力結(jié)果如表11所示。

表11 不同浪向下A字架鉸點(diǎn)區(qū)域桿件軸向力結(jié)果kN

由表11可知，在45°浪向下，A字架桿件受力最大。

3.3 變形結(jié)果

滿載待命環(huán)境工況，不同浪向下的A字架變形結(jié)果如表12所示。

表12 滿載待命工況各浪向A字架自由端變形結(jié)果mm

由表12中的變形結(jié)果可知，在滿載待命工況下，45°浪向時(shí)，A字架頂部自由端變形最大，左右兩端合成總位移分別為131 mm和132 mm。A字架總長34 460 mm，A字架頂端最大相對位移為132/34 460 = 0.38%。滿足CCS船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范上的剛度要求。

3.4 桿件名義應(yīng)力規(guī)范校核

SESAM GENIE中可以對結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果在軟件中直接按照規(guī)范進(jìn)行校核，本文中的A字架結(jié)構(gòu)是依照API RP 2A-WSD進(jìn)行校核。經(jīng)計(jì)算，A字架的最大應(yīng)力出現(xiàn)在滿載待命工況下45°浪向時(shí)。

各桿件名義應(yīng)力規(guī)范校核結(jié)果見表13。

表13 各桿件名義應(yīng)力規(guī)范校核結(jié)果

3.5 各節(jié)點(diǎn)沖剪強(qiáng)度規(guī)范校核

各節(jié)點(diǎn)沖剪強(qiáng)度規(guī)范校核結(jié)果見表14。

表14 各節(jié)點(diǎn)沖剪強(qiáng)度規(guī)范校核結(jié)果

4 結(jié) 論

A字架的設(shè)計(jì)及受力分析對于鋪管船而言至關(guān)重要，A字架的結(jié)構(gòu)安全可靠性直接關(guān)系到托管架在鋪管作業(yè)時(shí)的安全性。需要對A字架在各種工況下所受的復(fù)雜環(huán)境載荷進(jìn)行深入研究，才能為A字架結(jié)構(gòu)分析提供準(zhǔn)確的理論依據(jù)。

A字架的設(shè)計(jì)需要對A字架在環(huán)境載荷作用下進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)名義應(yīng)力規(guī)范校核、各節(jié)點(diǎn)沖剪強(qiáng)度規(guī)范校核以及位移變形的結(jié)果反饋，來指導(dǎo)A字架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終才能設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)安全可靠、質(zhì)量輕、應(yīng)力分布合理的A字架結(jié)構(gòu)。

本文以某深水鋪管船的A字架為研究對象，對A字架進(jìn)行了合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并建立有限元模型分析滿載待命環(huán)境條件下不同浪向A字架的受力情況，主要研究成果如下：

（1）詳細(xì)提出了一種A字架的結(jié)構(gòu)有限元分析方法（包括A字架的載荷分析、有限元模型建立、邊界條件、校核標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)果分析），其中載荷分析最為關(guān)鍵；本文全面給出了需要考慮的載荷種類和載荷的組合工況。

（2）通過SESAM有限元軟件對A字架進(jìn)行有限元結(jié)果分析，根據(jù)計(jì)算校核結(jié)果及變形位移的反饋，指導(dǎo)A字架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并以此得到結(jié)構(gòu)合理、質(zhì)量優(yōu)化、安全可靠的A字架結(jié)構(gòu)，取得了良好的效果。