郭勤靜，李　磊，陳書敏，李德江，王洪慶

(中集海洋工程研究院 研發(fā)部，山東 煙臺 264003)

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鉆井船干貨艙槽型艙壁端部節(jié)點設(shè)計

郭勤靜，李磊，陳書敏，李德江，王洪慶

(中集海洋工程研究院 研發(fā)部，山東 煙臺 264003)

考慮到鉆井船干貨艙內(nèi)部縱橫艙壁均采用槽型艙壁，為了保證槽型艙壁端部與主甲板連接處的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及焊接工藝性能，采用有限元方法，對設(shè)計的“板凳”連接結(jié)構(gòu)及3種偏心T型材與肘板組合結(jié)構(gòu)進行計算分析對比，確定出合適的槽型艙壁端部節(jié)點連接形式，通過了DNV船級社OSLO總部審核。

鉆井船；干貨艙；槽型艙壁；節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計；強度分析

槽型艙壁由鋼板壓制而成，以槽形折曲來代替扶強材的作用，在保證同樣強度的條件下，可減輕結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省鋼材，減少裝配和焊接的工作量，在船上大艙，例如，泥漿艙、干貨艙、油艙等結(jié)構(gòu)上使用較多。本鉆井船干貨艙內(nèi)壁采用槽型艙壁組合設(shè)計。干貨艙承受來自艙壓、海水壓力、甲板載荷、慣性力等載荷，結(jié)構(gòu)設(shè)計有難度。由于槽型艙壁截面的特殊性，槽型艙壁端部與甲板連接處的節(jié)點處理非常關(guān)鍵。為此，分析某鉆井船干貨艙橫縱槽型艙壁端部節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出幾種節(jié)點連接結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，通過有限元分析計算，力求找到一種力學(xué)性能和焊接工藝性能都比較合適的節(jié)點連接形式。

1　鉆井船干貨艙強度分析

1.1鉆井船干貨艙簡介

該鉆井船干貨艙主要分布在船體尾部(0.2～0.3)L之間(見圖1)，對稱分布在中縱艙壁兩側(cè)，每側(cè)各設(shè)計5個干貨艙，共計10個，縱向長度為15.6 m，橫向總寬度為6.5 m。干貨艙外壁為鋼板艙壁配合加強型材的結(jié)構(gòu)，將內(nèi)壁及其內(nèi)部中縱艙壁都設(shè)計為槽型艙壁結(jié)構(gòu)。干貨艙上部直接延續(xù)到主甲板，下部設(shè)計成V形漏斗結(jié)構(gòu)，接近內(nèi)底板處，以便于干貨的儲存與裝卸。干貨艙主要用于儲存干貨物如水泥、重晶石以及皂白石等。干貨艙模型見圖2。

圖1　干貨艙在總體模型中的位置

圖2　干貨艙有限元分析模型

1.2鉆井船干貨艙強度分析

1.2.1干貨艙所受載荷及計算方法

鉆井船干貨艙結(jié)構(gòu)主要承受的載荷包括干貨本身引起的艙壓、海水壓力、主甲板上的甲板載荷，以及來自船體本身的各向加速度引起的慣性力。載荷計算方法主要根據(jù)船級社規(guī)定。見表1。

表1　干貨艙結(jié)構(gòu)所受載荷

注:y,z為計算點處的坐標(biāo)值，m。

1.2.2干貨艙整體有限元模型及計算

采用有限元分析軟件SESAM完成干貨艙段的建模，網(wǎng)格設(shè)置方面主要對所關(guān)注的槽型艙壁端部連接區(qū)域進行網(wǎng)格細化，分別采用50 mm×50 mm，200 mm×200 mm，650 mm×650 mm等尺寸逐漸過渡。在邊界的處理上，為了避免邊界對分析結(jié)果的影響，有限元模型的橫向邊界往艙室外側(cè)分布對稱擴展到下一個縱向艙壁所在的強肋位處，縱向邊界以干貨艙艏艉橫向艙壁為界，由于這10個艙室類似，縱向邊界雖對艏艉的艙室分析結(jié)果有較小影響，但中間的艙室強度分析結(jié)果是準(zhǔn)確的。有限元分析模型見圖2，邊界按照簡支的方式設(shè)置處理，針對不同的工況進行加載計算并完成分析計算。

為便于工況分析，為10個貨艙艙室編號，見圖3。考慮不同壓載艙的壓載組合工況，以及與海水壓力、垂向縱向加速度的合成工況，在SESTRA計算模塊中總計計算24種工況，最后在XTRACT模塊中對所有工況進行搜索，以得到所有工況的最大屈服強度利用因子。

圖3　干貨艙編號

1.2.3屈服強度校核準(zhǔn)則

干貨艙強度分析主要考慮結(jié)構(gòu)的屈服強度，屈服強度校核的準(zhǔn)則如下。

(1)

式中：(σxx)t,(σyy)t,(σxy)t——總體單元應(yīng)力分量；

σe——vonMises應(yīng)力。

鉆井船屈服強度校核準(zhǔn)則參考DNV-OS-C102中規(guī)定，采用工作應(yīng)力 (WSD) 設(shè)計法。本船材料主要選擇NV-36，屈服極限355 MPa，具體利用率系數(shù)及峰值標(biāo)準(zhǔn)見表2～4。

表2　常規(guī)利用率及峰值

表3　峰值利用率(網(wǎng)格200 mm×200 mm)

表4　峰值利用率(網(wǎng)格50 mm×50 mm)

2　槽型艙壁端部節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1節(jié)點設(shè)計方案

干貨艙內(nèi)壁橫縱艙壁采用槽型艙壁，在艙壓的作用下，上下兩端固支約束端處彎矩較大，同時為了防止甲板縱向加強筋與槽型艙壁產(chǎn)生過焊孔而增加焊接方面難度，槽型艙壁上端與主甲板結(jié)構(gòu)方案設(shè)計成不直接焊接，初始方案確定在槽型艙壁的上端，距離主甲板500 mm范圍內(nèi)設(shè)計連接過渡區(qū)域，對于此端部節(jié)點結(jié)構(gòu)的形式有多種設(shè)計方案。

方案1。雙腹板板凳連接結(jié)構(gòu)。

在橫縱方向的槽型艙壁的端部增設(shè)一個面板，采用雙腹板結(jié)構(gòu)組成“板凳”結(jié)構(gòu)形式與主甲板連接。具體模型及強度分析結(jié)果見圖4。

圖4　板凳節(jié)點結(jié)構(gòu)及屈服應(yīng)力結(jié)果(方案1)

方案2。偏心T型材結(jié)構(gòu)+肘板組合結(jié)構(gòu)1。

根據(jù)主甲板縱向筋的布置，在橫向槽型艙壁的端部設(shè)計偏心T型材，配合縱向筋增加對應(yīng)的肘板結(jié)構(gòu)，在縱向槽型艙壁靠近跨度中間的左右兩側(cè)設(shè)計柔性過渡肘板，具體模型及強度分析結(jié)果見圖5。

圖5　偏心T型材+肘板組合1及屈服應(yīng)力結(jié)果(方案2)

方案3。偏心T型材結(jié)構(gòu)+肘板組合結(jié)構(gòu)2。

在槽型艙壁的端部采用偏心T型材結(jié)構(gòu)，橫向槽型艙壁的端部，不考慮主甲板縱向筋的布置，在橫向面板跨度中間設(shè)計肘板與扁鋼組合結(jié)構(gòu)，縱向槽型艙壁端部肘板設(shè)計與方案2相同。具體結(jié)構(gòu)見圖6。

方案4。偏心T型材結(jié)構(gòu)+肘板組合結(jié)構(gòu)3。

在槽型艙壁的端部采用偏心T型材結(jié)構(gòu)，橫向槽型艙壁的端部，不考慮主甲板縱向筋的布置，

圖6　偏心T型材+肘板組合1及屈服應(yīng)力結(jié)果(方案3)

在橫向面板跨度中間的兩側(cè)，槽型艙壁凸出的兩個平臺上面中間設(shè)計肘板與扁鋼組合結(jié)構(gòu)，此方案的縱向槽型艙壁端部肘板設(shè)計與橫向的肘板布置相同。具體結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7　偏心T型材+肘板組合1及屈服應(yīng)力結(jié)果(方案4)

2.2節(jié)點設(shè)計方案分析對比

2.2.1不同方案強度分析

根據(jù)4個方案的屈服強度分析結(jié)果，針對槽型艙壁端部T型材面板及附屬肘板結(jié)構(gòu)周圍細化50 mm×50 mm網(wǎng)格區(qū)域，統(tǒng)計槽型艙壁端部連接節(jié)點結(jié)構(gòu)周圍主要結(jié)構(gòu)的強度及利用率以及應(yīng)力水平分布情況見表5。

表5　不同方案下的端部連接節(jié)點結(jié)構(gòu)附近屈服應(yīng)力情況對比

注：UF-utilization factor，利用率。

2.2.2板凳結(jié)構(gòu)與偏心T型材肘板組合結(jié)構(gòu)對比

由表5可見，方案1“板凳”連接結(jié)構(gòu)形式相對于方案2、3和4，方案1“板凳”連接結(jié)構(gòu)形式的強度結(jié)果最好。只從結(jié)構(gòu)強度上考慮，方案1是最有效的一種連接結(jié)構(gòu)形式。

從施工建造工藝及焊縫檢測要求上考慮，方案1“板凳”結(jié)構(gòu)圍成了一個密閉狹小的黑盒子，減少了干貨儲存的體積，現(xiàn)場施工焊接有一定的難度，后期對內(nèi)部焊縫的檢測非常困難，尤其對液艙的后期內(nèi)部焊縫檢測要求較高，很難達到焊縫檢測的要求。目前比較牽強的解決辦法是，在干貨艙里面可以考慮使用方案1，并需要在“板凳”密閉空間內(nèi)部提前充入惰性氣體，以阻止內(nèi)部焊縫的銹蝕，保證焊縫的強度及壽命。方案1的選擇比較謹(jǐn)慎，需要各方人員的一致認(rèn)可。而方案2、方案3和方案4采取的偏心T型材與肘板組合結(jié)構(gòu)形式，在現(xiàn)場施工建造及后期焊縫檢測上面就不存在方案1的問題了，建造檢測都非常方便，開放的連接結(jié)構(gòu)形式也有利于干貨的儲存裝卸。因此，考慮施工建造檢測，偏心T型材肘板組合結(jié)構(gòu)相較“板凳”結(jié)構(gòu)形式更好一些，剩下的問題就是如何滿足強度的要求。

2.2.3偏心T型材肘板組合結(jié)構(gòu)對比

方案2、方案3及方案4三種方案都采用偏心T型材連接結(jié)構(gòu)形式，其中不同的是橫向槽型艙壁端部處肘板結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計，縱向槽型艙壁端部肘板布置上方案4與前2種不同。3種方案在現(xiàn)場施工建造及焊縫檢測上基本上一樣，因此重點比較3種方案對結(jié)構(gòu)強度的影響程度。

由表5可見，方案4相對于方案2、方案3來說，在橫縱槽型艙壁端部偏心T型材的面板上有多個屈服應(yīng)力較高的點，無法改善面板跨中區(qū)域的強度。因此方案4不可采用。

對于方案2與方案3來說，整體的應(yīng)力水平相當(dāng)，由于強度分析特別是局部分析中可考慮忽略個別硬點的應(yīng)力集中的影響，兩個方案都是可行的。方案3相對于方案2結(jié)構(gòu)形式更為簡單，也避免方案2中主甲板上縱向加強筋對應(yīng)肘板與橫向槽型艙壁端部等效腹板的斜向軌跡線出現(xiàn)交叉的結(jié)構(gòu)焊接硬點。因此選擇方案3作為最后的結(jié)構(gòu)連接方案。

對于方案2，由于鉆井船項目前期布置已經(jīng)確定，主甲板上縱向的加強筋的位置也不易修改，縱向加強筋基本沒有與橫向槽型艙壁端部平臺對齊，在這種情況下，若在加強筋下面增加肘板，將會與槽型艙壁端部結(jié)構(gòu)軌跡線的斜線方向產(chǎn)生焊接硬點。如果在前期布置階段，將主甲板縱向加強筋調(diào)整到橫向槽型艙壁端部面板的正上方，使加強筋對應(yīng)的肘板避開等效腹板的斜向軌跡線，按照這種方式優(yōu)化以后的方案可以被認(rèn)為最適合的方案。

4　結(jié)論

1)方案1“板凳”連接結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能最好，在干貨艙中可以考慮采用，前提是需要在“板凳”密閉空間內(nèi)充入惰性氣體以防止內(nèi)部焊縫的腐蝕破壞，而在液艙中由于對現(xiàn)場施工建造及焊縫檢測要求的提高，不建議采用此種連接結(jié)構(gòu)；如何提高此種結(jié)構(gòu)形式的焊接及焊縫檢測功能有待于進一步研究；

2)其余三種偏心T型材與肘板組合結(jié)構(gòu)形式，方案2和方案3都可以接受。從避免結(jié)構(gòu)硬點方面考慮，方案3是最可行的，力學(xué)性能與工藝性能都可以達到較好的水平；

3)方案2的連接結(jié)構(gòu)形式可進一步優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化布置主甲板縱向加強筋，設(shè)計縱向加強筋分布與橫向槽型艙壁端部面板的凸臺之間對應(yīng)布置，可消除結(jié)構(gòu)焊接硬點，作為最佳方案。

槽型艙壁特別是橫縱交叉的槽型艙壁與主甲板連接結(jié)構(gòu)需要根據(jù)不同的荷載要求、加強筋的布置、施工工藝的難易以及焊縫檢測等因素綜合考慮設(shè)計。綜合考慮各種因素，僅采用手算方法對此處細部節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計很難滿足實際項目的需要，因此采用有限元分析方法來進行各個方案的對比分析是合理的，能夠分析結(jié)構(gòu)細部硬點等強度的詳細情況。選擇方案3作為最終方案，送審DNV船級社OSLO總部通過了審核，本設(shè)計可為鉆井船上干貨艙橫縱槽型艙壁端部節(jié)點設(shè)計提供實際參考。

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Structural Design of Corrugation Termination for Dry Tank of Drill-ship

GUO Qin-jing, LI Lei, CHEN Shu-min, LI De-jiang, WANG Hong-qing

(R&D Department, CIMC Offshore Engineering Institute, Yantai Shandong 264003, China)

Corrugation bulkhead is used in the inner dry cargo holds of the drill ship including transverse and longitudinal bulkheads. In order to research a reasonable corrugation termination to get good mechanical and welding property, the finite element analysis is carried out and the results are compared among different projects including the stool design and three kinds of unsymmetrical T-Girder with brackets. The most suitable project is chosen, which has been approved by DNV OSLO, which can provide a practical engineer reference for corrugation termination design.

drill-ship; dry tank; corrugated bulkhead; termination structural design; strength analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.037

2015-05-12

2015-06-17

山東省泰山學(xué)者藍色產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍專家專項

郭勤靜(1982-)，男，碩士，工程師

U663.4

A

1671-7953(2016)01-0174-05

研究方向:海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計強度分析

E-mail:guoqinjing@hotmail.com