深海漁場(chǎng)船載運(yùn)輸分析的方法探討

王衍鑫，于文太，梁學(xué)先，劉吉林

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引 言

深海魚(yú)因其營(yíng)養(yǎng)全面且受污染少而越來(lái)越受到大眾的喜愛(ài)。通過(guò)近十年的全球漁業(yè)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn)深海魚(yú)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)具有良好的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益?！吧詈O場(chǎng)”這種現(xiàn)代化養(yǎng)殖裝備及其養(yǎng)殖方式的優(yōu)越性具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。以我國(guó)首座SSFF150單樁半潛式深海漁場(chǎng)(fish farm)為例，其養(yǎng)殖水域水深大于45 m，有效養(yǎng)殖水體容積達(dá)1.5×105m3，在風(fēng)暴情況下，漁場(chǎng)主體下潛至水面下，可抵御17級(jí)臺(tái)風(fēng)，適合在中國(guó)東海、南海海域進(jìn)行大眾魚(yú)類、高附加值魚(yú)類的離岸深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖，經(jīng)濟(jì)效益可觀、投資回報(bào)高。其主體結(jié)構(gòu)分為壓載區(qū)域、浮箱區(qū)域和上建三部分，外圍包含步橋和銅網(wǎng)，整體直徑約為141 m，漁箱型深12 m，配置天然防海生物銅網(wǎng)衣和水下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用光伏供電。

雖然極具經(jīng)濟(jì)價(jià)值，但由于漁場(chǎng)需要的體積大，隨之而來(lái)的制造、運(yùn)輸安裝過(guò)程也非常具有挑戰(zhàn)性。特別是運(yùn)輸過(guò)程，其面臨的主要挑戰(zhàn)如下：

(1) 漁場(chǎng)占地面積大，通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)運(yùn)輸船舶的寬度。

(2) 漁場(chǎng)整個(gè)結(jié)構(gòu)重量偏大，大約重量在幾千噸到上萬(wàn)噸不等。

(3) 漁場(chǎng)本身結(jié)構(gòu)相比其他海洋結(jié)構(gòu)物并不強(qiáng)壯，由于為了增加養(yǎng)殖面積和體積，通常漁場(chǎng)結(jié)構(gòu)由細(xì)長(zhǎng)的桿件構(gòu)成。

(4) 漁場(chǎng)需要運(yùn)輸?shù)竭h(yuǎn)海，周圍基礎(chǔ)設(shè)施差。

(5) 漁場(chǎng)可能在使用過(guò)程中需要遷移。

以上文提到的深海漁場(chǎng)為例，其結(jié)構(gòu)重達(dá)9 331 t(包含綁扎固定鋼材、木材、配重支架、錨鏈以及錨鏈墊板等重量)，寬度達(dá)到了141 m，而運(yùn)輸船舶只有40 m寬。裝船后的效果如圖1所示。

圖1 大型深海漁場(chǎng)的運(yùn)輸

面對(duì)這樣特點(diǎn)的大型海洋結(jié)構(gòu)物，運(yùn)輸?shù)目煽啃灾苯雨P(guān)系到項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性和安全性。本文探討并總結(jié)了此類大型深海漁場(chǎng)的海上運(yùn)輸方案和運(yùn)輸分析方法。希望能給此類結(jié)構(gòu)物的運(yùn)輸提供一定的借鑒。

1 運(yùn)輸方案的選擇

通常大型海洋結(jié)構(gòu)物的運(yùn)輸有如下兩種方法：

干拖運(yùn)輸： 指將整個(gè)海洋結(jié)構(gòu)物裝在運(yùn)輸駁船上運(yùn)至預(yù)定地點(diǎn)，整個(gè)海洋結(jié)構(gòu)物均在水面以上。

濕拖運(yùn)輸： 指通過(guò)拖帶的方式，直接利用拖輪將海洋結(jié)構(gòu)物拖至預(yù)定地點(diǎn)。

大型深海漁場(chǎng)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)體積大，但是構(gòu)件纖細(xì)。為了獲得更大的養(yǎng)殖空間，通常都利用細(xì)長(zhǎng)桿件將整個(gè)漁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)做大。隨之帶來(lái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是： 體積過(guò)大；構(gòu)件纖細(xì)；總體強(qiáng)度不足。如果采用濕拖運(yùn)輸，整個(gè)漁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)將經(jīng)受巨大的強(qiáng)度考驗(yàn)，通常結(jié)構(gòu)強(qiáng)度無(wú)法滿足要求。所以面對(duì)這種大型深海漁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，干拖運(yùn)輸是最好的選擇。

采用模塊軸線車(self-propelled modular trailers，SPMT)裝船運(yùn)輸，直接將其運(yùn)輸至大型駁船上，并通過(guò)合理的綁扎固定，使海上運(yùn)輸成為可能。運(yùn)輸過(guò)程中的安全性可通過(guò)對(duì)運(yùn)輸船的配載、穩(wěn)性計(jì)算、運(yùn)動(dòng)分析計(jì)算以及強(qiáng)度校核來(lái)保證，確保被運(yùn)輸結(jié)構(gòu)物在運(yùn)輸過(guò)程中復(fù)雜的載荷組合工況下不被破壞。海洋結(jié)構(gòu)物運(yùn)輸時(shí)多采用海洋工程專業(yè)軟件進(jìn)行分析，得出結(jié)構(gòu)物的位移、名義應(yīng)力、沖剪應(yīng)力等參數(shù)，以確保這些參數(shù)滿足規(guī)范要求。

運(yùn)輸船舶以半潛式海洋石油船(載重量為52 789.4 t)為例，由舟山場(chǎng)地運(yùn)輸?shù)今R尾海峽現(xiàn)場(chǎng)，在運(yùn)輸過(guò)程中船舶受到風(fēng)、波浪和海流的共同作用，將產(chǎn)生六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，即橫搖、縱搖、首搖、升沉(起伏)、縱蕩和橫蕩，在隨機(jī)載荷作用下這種運(yùn)動(dòng)將是一種六自由度的耦合運(yùn)動(dòng)。此時(shí)船體上部的結(jié)構(gòu)物將隨駁船一起運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)慣性力將會(huì)作用在大型深海漁場(chǎng)結(jié)構(gòu)上，此時(shí)大型深海漁場(chǎng)結(jié)構(gòu)必需承受住慣性力的作用，否則大型深海漁場(chǎng)局部結(jié)構(gòu)在過(guò)載的工況下將遭到破壞。圖2為運(yùn)輸示意圖。

圖2 運(yùn)輸示意圖

2 運(yùn)輸方案的分析方法

半潛式深海漁場(chǎng)是由大量的梁、板組合而成的不規(guī)則的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

利用通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行了漁場(chǎng)運(yùn)輸載荷工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，ANSYS軟件中含有180多種單元，幾乎能滿足模擬所有工程的要求，并能對(duì)梁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行很好的耦合，因此，利用ANSYS軟件更能合理有效地對(duì)漁場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)輸載荷工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

考慮到ANSYS軟件加載不能自動(dòng)加載，因此把載荷分為3種基本的載荷工況：

(1) 只考慮結(jié)構(gòu)物本身的自重產(chǎn)生的載荷(斜撐不作用)，沿坐標(biāo)系Z軸方向(重力加速度為9 810 mm/s2)。

(2) 運(yùn)輸過(guò)程中由于船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性載荷(考慮斜撐作用)。

(3) 運(yùn)輸過(guò)程中由于船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的整體彎矩(考慮斜撐作用)。

由于運(yùn)動(dòng)是一種耦合的運(yùn)動(dòng)，因此需要對(duì)它們進(jìn)行工況組合，升沉、橫搖和縱蕩等進(jìn)行最不利工況的組合(見(jiàn)表1)，根據(jù)組合的工況情況分別將這些載荷工況施加到有限元模型中，結(jié)構(gòu)的屈服應(yīng)力(σs)為355 MPa，許用應(yīng)力(0.7σs)為248.5 MPa，由式(1)得出結(jié)構(gòu)受力后的UC(unity check)值。漁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力采用von Mises應(yīng)力，此應(yīng)力為綜合應(yīng)力，如式(2)所示。

(1)

(2)

表1 漁場(chǎng)搖擺中心最大加速度(幅值)

3 半潛式深海漁場(chǎng)有限元模型

3.1 有限元模型特性

根據(jù)有限元基本理論選取合適單元建立了漁場(chǎng)有限元模型(見(jiàn)圖3)，在建模過(guò)程中主要結(jié)構(gòu)和固定結(jié)構(gòu)采用四節(jié)點(diǎn)殼SHELL181單元，梁結(jié)構(gòu)采用BEAM188單元，徑向和環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)采用PIPE288單元，梁翼緣采用Link180單元,鋼絲繩采用LINK10單元。在建立模型時(shí)，其組成構(gòu)件分為主要構(gòu)件和次要構(gòu)件。

主要構(gòu)件包括主要支撐結(jié)構(gòu)、各層面上的板和軟管通道板等，它們對(duì)整體結(jié)構(gòu)起主要作用，影響整體變形和整體應(yīng)力場(chǎng)的分布，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時(shí)都必須按照真實(shí)形狀和空間位置進(jìn)行模擬。此外，由于一些梁板組合結(jié)構(gòu)在載荷分布時(shí)板也能分擔(dān)一部分載荷，且利用ANSYS軟件分析時(shí)，BEAM188單元和SHELL181單元能很好地耦合，不需要建立約束方程，建模非常方便。

次要構(gòu)件只是起局部作用，如設(shè)備及其框架、節(jié)點(diǎn)處加強(qiáng)板、吊耳板等，它們不影響結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度、變形，而且有限元在計(jì)算中認(rèn)為焊接連接處的強(qiáng)度是足夠的，故在強(qiáng)度計(jì)算中對(duì)這些構(gòu)件做適當(dāng)?shù)娜∩?，減少計(jì)算量，也是偏于安全角度考慮的，它們只是提供重量，以質(zhì)點(diǎn)的形式加到相應(yīng)的坐標(biāo)位置上。

圖3 漁場(chǎng)有限元模型

圖4 運(yùn)輸整體有限元模型(包含駁船、墊墩)

3.2 模型坐標(biāo)系選擇

為了便于描述各構(gòu)件在船體和整個(gè)結(jié)構(gòu)中的位置、各計(jì)算工況下結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布情況以及約束和加載條件，建立有限元模型前應(yīng)首先選取模型的總體坐標(biāo)系。在穩(wěn)性、運(yùn)動(dòng)分析中得出結(jié)構(gòu)物的搖擺中心位置，以此選搖擺中心作為漁場(chǎng)浮體結(jié)構(gòu)底部中心點(diǎn)位原點(diǎn)，便于施加角加速度等載荷，X正方向沿船寬方向且指向右舷，Y正方向指向船首，Z正方向從漁場(chǎng)浮體結(jié)構(gòu)底部中心點(diǎn)垂直向上。

3.3 模型約束條件

根據(jù)實(shí)際情況，在所建模型施加約束。船尾方向節(jié)點(diǎn)橫搖、縱搖、首搖、縱蕩、橫蕩、垂蕩采用全約束，船首方向節(jié)點(diǎn)橫搖、垂蕩、橫搖和首搖約束，其他釋放。由于運(yùn)輸結(jié)構(gòu)物自重使得駁船甲板上部下垂，施加運(yùn)輸過(guò)程中最大垂向力矩。

3.4 分析結(jié)果

半潛駁海洋石油278船甲板材料屈服強(qiáng)度為235 MPa,其他材料屈服強(qiáng)度為355 MPa。

根據(jù)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)物的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，許用應(yīng)力選用屈服極限的0.7。對(duì)本文涉及的組合情況，由于動(dòng)態(tài)載荷、加速度以及最大垂向力矩用于整體效應(yīng)，因此允許許用水平增加1.33倍，鋼材的許用強(qiáng)度等效應(yīng)力為屈服強(qiáng)度的0.93倍(0.7×1.33)，根據(jù)規(guī)范，有限元結(jié)果如表2所示[4-5]。

圖7 駁船端面處理(甲板一半隱藏、一半顯示)

圖8 駁船模型約束

圖9 綁扎固定組合工況von Mises應(yīng)力分布圖(MPa)

圖10 漁場(chǎng)組合工況von Mises應(yīng)力分布圖(MPa)

圖12 駁船組合工況von Mises應(yīng)力分布圖(MPa)

表2 組合工況下最大單元應(yīng)力值

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)研究大型深海漁場(chǎng)的運(yùn)輸方法和運(yùn)輸分析，研究探討了大型深海漁場(chǎng)這樣的大型海洋結(jié)構(gòu)物的運(yùn)輸方法和分析方法，希望能給此類結(jié)構(gòu)物的運(yùn)輸提供一定的借鑒。通過(guò)研究和分析，有如下結(jié)論：

(1) 大型深海漁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是體積大、結(jié)構(gòu)纖細(xì)、總體強(qiáng)度偏弱，適合于干拖的運(yùn)輸方案。

(2) 在大型深海漁場(chǎng)的運(yùn)輸過(guò)程中，需要詳細(xì)地分析漁場(chǎng)在運(yùn)輸過(guò)程中由于駁船運(yùn)動(dòng)引起的加速度，對(duì)大型深海漁場(chǎng)自身強(qiáng)度的影響。

(3) 以本文的算例為例，大型深海漁場(chǎng)在運(yùn)輸過(guò)程中，由于慣性力引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力非常高，本文中的算例漁場(chǎng)本身的局部應(yīng)力達(dá)到了300MPa。

(4) 在運(yùn)輸?shù)挠?jì)算分析中，需要考慮結(jié)構(gòu)物運(yùn)輸過(guò)程中可能產(chǎn)生的最大垂向力矩，更貼切模擬實(shí)際運(yùn)輸工況，以確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。