孫 青

（中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部，天津 300451）

0 引言

與常規(guī)空氣潛水相比，飽和潛水因具有作業(yè)水深大、作業(yè)效率高、能應(yīng)對(duì)復(fù)雜水下施工等優(yōu)點(diǎn)在海洋工程領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，并廣泛應(yīng)用于南海50 m～200 m水深范圍的海管和立管安裝、維護(hù)以及單點(diǎn)系泊系統(tǒng)安裝等海洋工程作業(yè)中。

位于南海約120 m水深海域的某平臺(tái)需要實(shí)施平臺(tái)立管和電纜護(hù)管的安裝以及立管和海底軟管的水下連接作業(yè)，采用飽和潛水技術(shù)和空氣潛水技術(shù)相結(jié)合的方式進(jìn)行作業(yè)。項(xiàng)目中將集裝箱式飽和潛水系統(tǒng)裝載在多用途動(dòng)力定位工程船上實(shí)現(xiàn)飽和潛水作業(yè)功能，飽和潛水系統(tǒng)較復(fù)雜，集裝箱式飽和潛水系統(tǒng)將多個(gè)設(shè)備和配套系統(tǒng)集成在幾個(gè)集裝箱或箱式框架內(nèi)，無需逐個(gè)設(shè)備布置固定，更加靈活并便于運(yùn)輸和裝船作業(yè)，最快3 d即可完成裝船，極大地節(jié)省了作業(yè)時(shí)間和成本。

因涉及到潛水員的生命安全和健康舒適等因素，無論是飽和潛水設(shè)備本身還是設(shè)備的密封連接、裝船固定相比于其他設(shè)備有著更高的要求。根據(jù)ABS規(guī)范，對(duì)于飽和潛水系統(tǒng)需采用永久固定方式（焊接或鉚接）將其可靠地連接在作業(yè)船舶上，并進(jìn)行強(qiáng)度校核與檢驗(yàn)，以保證裝船、運(yùn)輸及作業(yè)過程中的安全。

1 系統(tǒng)組成

飽和潛水系統(tǒng)主要包括甲板居住艙、潛水鐘、潛水鐘A架、控制集裝箱以及高壓逃生艙等設(shè)備，如圖1所示，各模塊的基本參數(shù)如表1所示。

圖1 飽和潛水系統(tǒng)組成

表1 飽和潛水系統(tǒng)各模塊參數(shù)

甲板居住艙由ALPHA、BRAVO和CHARLIE這3個(gè)艙室組成，每個(gè)艙室均獨(dú)立配備所必需的生命支持、生活配套和電源通訊等系統(tǒng)，能夠滿足15名潛水員在艙內(nèi)加壓和減壓。3個(gè)艙室分別置于長方體框架內(nèi)，預(yù)制固定件靠鉚釘固定在框架底面，3個(gè)艙室框架緊挨排列布置在甲板上，位于中間的ALPHA艙室前端設(shè)有1個(gè)過渡艙，并與其他2個(gè)艙室相通。

潛水鐘用于搭載潛水員往返水下作業(yè)區(qū)域和甲板居住艙，為正浮型浮體，并配有壓載重塊，能容納3名潛水員，最大作業(yè)水深可達(dá)300 m。潛水鐘底部與過渡艙有連接通道，潛水員通過過渡艙上方通道從甲板居住艙進(jìn)入潛水鐘內(nèi)。潛水鐘A架設(shè)置于ALPHA艙室框架船舷一側(cè)，用于潛水鐘的起吊收放。

高壓逃生艙設(shè)置于CHARLIE艙室上方，并配有液壓驅(qū)動(dòng)的收放系統(tǒng)，針對(duì)潛水鐘船舷側(cè)下水和月池下水 2種方式，高壓逃生艙可分別布置為沿CHARLIE艙室縱向放置和沿橫向放置，以保證高壓逃生艙能夠順利從船舷下水。

控制集裝箱固定于BRAVO艙室框架上方，主要由潛水控制系統(tǒng)、飽和控制系統(tǒng)和電氣室組成。絞車和液壓動(dòng)力單元橫向固定于 ALPHA和CHARLIE艙室框架上方靠近船中一端。氣體回收單元布設(shè)在液壓動(dòng)力單元下方緊鄰CHARLIE艙室。

2 設(shè)備布置與固定方式

作業(yè)船舶為多用途工程船，總長 105.5 m，型寬23.4 m，型深9.6 m，配備DP2系統(tǒng)，滿足飽和潛水作業(yè)要求。作業(yè)船主甲板載貨區(qū)上表面焊有縱橫交錯(cuò)的T型材，規(guī)格為200 mm×10 mm，Q235鋼，其他部分由95 mm厚度的木板填充，整個(gè)主甲板載貨區(qū)域大小為43.8 m×22 m?？紤]到甲板空間和潛水員的安全舒適性等因素，將飽和潛水系統(tǒng)集成模塊布置于船體右舷，并沿船體縱向布設(shè)于靠近船中橫剖面位置，遠(yuǎn)離動(dòng)力定位系統(tǒng)。

飽和潛水系統(tǒng)的ALPHA艙室、BRAVO艙室、CHARLIE艙室底部框架各預(yù)制有若干個(gè)固定件，用于將各艙室框架牢固焊接在船舶甲板上。由于相對(duì)位置的問題，預(yù)制固定件無法與甲板的T型材全部對(duì)應(yīng)連接，因此在兩者之間增加1個(gè)工字鋼過渡鋼架結(jié)構(gòu)，將過渡架通過焊接件與甲板T型材固定，再將飽和潛水系統(tǒng)通過其預(yù)制固定件焊接在過渡架上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體焊接固定，甲板布置相對(duì)位置如圖2所示，其中灰色中間帶交叉網(wǎng)部分示意甲板居住艙底部框架，雙斜杠部分為工字鋼過渡架，實(shí)線中空部分為甲板T型材過渡架設(shè)計(jì)為工字鋼桁架式結(jié)構(gòu)，規(guī)格為300 mm×300 mm，材料采用Q345鋼。

圖2 飽和潛水系統(tǒng)甲板布置（局部）

3 裝船固定強(qiáng)度分析

飽和潛水系統(tǒng)各組件鋼制框架、過渡架、甲板以及用于固定連接的焊接件均需根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行強(qiáng)度校核，以滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1 飽和潛水系統(tǒng)基礎(chǔ)載荷提取

單獨(dú)對(duì)置于過渡架上方的飽和潛水系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，預(yù)制固定件處采用鉸接約束模擬，載荷主要考慮2種工況。

1）作業(yè)工況：潛水鐘被吊起至舷外懸空在海面上，需考慮飽和潛水系統(tǒng)各設(shè)備和框架的重量、船舶運(yùn)動(dòng)引起的慣性力、作用在設(shè)備上的風(fēng)載荷以及潛水鐘和配重塊收放引起的載荷。

2）非作業(yè)工況：潛水鐘與甲板居住艙連接，潛水鐘A架閑置，此時(shí)僅考慮設(shè)備受到的自重、慣性力和風(fēng)載荷。

在2種工況下分別計(jì)算不同載荷組合作用下設(shè)備框架底部預(yù)制固定件處的支反力，選取最大支反力對(duì)預(yù)制固定件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，這部分工作已經(jīng)在飽和潛水系統(tǒng)預(yù)制固定件設(shè)計(jì)時(shí)完成，根據(jù)設(shè)計(jì)文件可提取基礎(chǔ)載荷。

3.2 過渡架和甲板T型材強(qiáng)度校核

在SACS軟件中對(duì)工字鋼過渡架和甲板T型材進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析，幾何模型如圖3所示，圖中上方結(jié)構(gòu)為工字鋼過渡架，下方結(jié)構(gòu)為甲板T型材。T型材底部采用固定約束，飽和潛水設(shè)備受到的載荷通過與過渡架連接點(diǎn)傳遞到過渡架上，把在不同工況下計(jì)算得到的基礎(chǔ)載荷簡化為最大提拉載荷和最大壓載荷2種工況施加到過渡架工字鋼上表面，同時(shí)根據(jù)API規(guī)范校核過渡架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，計(jì)算得到在受拉載荷工況下工字鋼過渡架UC值最大為0.546，T型材UC值最大為0.354；在受壓載荷工況下工字鋼UC值最大為0.721，T型材UC值最大為0.527，均滿足要求。

圖3 工字鋼和T型材幾何模型

另外，單獨(dú)對(duì)過渡架模型進(jìn)行有限元分析，在過渡架與T型材的連接點(diǎn)處采用固定約束，計(jì)算得到甲板T型材連接點(diǎn)處的支反力，用于進(jìn)行焊接件的強(qiáng)度校核。

3.3 焊接件強(qiáng)度校核

在工字鋼過渡架與甲板T型材互相交叉的位置采用三角板焊接件連接，厚度30 mm。焊接件具體尺寸如圖4所示，采用Q345鋼。焊接件L1邊與T型材面板焊接，L2邊與工字鋼腹板焊接，局部連接模型如圖5所示，其中圖中紅色構(gòu)件代表焊接件。

圖4 焊接件尺寸（單位：mm）

圖5 局部連接模型

根據(jù) AISC規(guī)范，焊接件最大允許應(yīng)力由式（1）～式（4）計(jì)算得到。

式中：

σ

為焊接件材料的屈服應(yīng)力，MPa；

τ

為焊接件最大允許剪應(yīng)力，MPa；

σ

為最大允許拉應(yīng)力；

σ

為最大允許彎曲應(yīng)力，MPa；

σ

為最大允許等效應(yīng)力，MPa。當(dāng)過渡架在受壓的情況下，會(huì)有一部分載荷由工字鋼直接傳遞給T型材，而焊接件承擔(dān)部分壓載荷，此時(shí)焊接件的強(qiáng)度容易滿足要求；而當(dāng)過渡架受向上提拉的載荷時(shí)，工字鋼與T型材之間的力只由焊接件傳遞，焊接件受力較大，因此這里重點(diǎn)校核過渡架受拉載荷工況下焊接件的強(qiáng)度。從過渡架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果中提取最大支反力進(jìn)行分析，見表2，其中

F

為正表示受向上提拉的力。

表2 連接點(diǎn)最大支反力

焊接件受到的水平剪應(yīng)力包括

x

和

y

這2個(gè)方向，根據(jù)式（5）和式（6）計(jì)算。

式中：

f

和

f

分別為焊接件在

x

和

y

方向上的水平剪應(yīng)力，kN；

F

和

F

分別為焊接件所處節(jié)點(diǎn)沿

x

和

y

方向上的受力，kN；

s

和

s

分別為焊接件的L1邊和L2邊的截面積，m。

焊接件受到的豎向剪切力根據(jù)式（7）計(jì)算。

式中：

f

為焊接件在

z

方向上的豎向剪應(yīng)力，kN；

F

為焊接件在

z

方向上的受力，kN。

焊接件受到的垂向拉應(yīng)力根據(jù)式（8）計(jì)算。

式中：

f

為焊接件在

z

方向上的豎向拉應(yīng)力，kN。

焊接件受到的局部彎曲應(yīng)力根據(jù)式（9）～式（11）計(jì)算。

式中：

f

和

f

分別為

x

和

y

方向上的彎曲應(yīng)力，MPa；

M

和

M

分別為作用在

x

和

y

方向上的彎矩，kN·m；

W

和

W

分別為

x

和

y

方向上的彎曲模量；

f

為總的彎曲應(yīng)力，MPa。

根據(jù)以上各公式計(jì)算焊接件焊縫處的剪應(yīng)力、拉應(yīng)力以及彎曲應(yīng)力，并進(jìn)行強(qiáng)度校核，如表3所示，結(jié)果顯示各校核項(xiàng)均滿足規(guī)范要求。

表3 焊接件強(qiáng)度校核結(jié)果（單位：MPa）

3.4 局部結(jié)構(gòu)有限元分析

為了更直觀地顯示連接點(diǎn)處的應(yīng)力情況，對(duì)工字鋼、T型材及焊接件連接處做局部結(jié)構(gòu)有限元分析，采用ANSYS建立模型得到等效應(yīng)力云圖（圖6），結(jié)果顯示最大應(yīng)力出現(xiàn)在焊接件與工字鋼焊接角隅處，等效應(yīng)力大小為220 MPa＜0.75

σ

，滿足強(qiáng)度要求。

圖6 局部模型等效應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

通過校核計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的工字鋼過渡架、焊接件均滿足規(guī)范要求，甲板受力也在安全范圍之內(nèi)。采用工字鋼過渡架有效地解決了集裝箱式飽和潛水系統(tǒng)布置于木質(zhì)甲板上時(shí)預(yù)制固定件的連接問題。工字鋼結(jié)構(gòu)便于飽和潛水設(shè)備的穩(wěn)定以及各固定件的焊接，并且具有重量輕、成本低、結(jié)構(gòu)可靠等優(yōu)點(diǎn)，為工程中的類似問題提供參考解決方案。