一种新型原油转驳船箱形舭龙骨设计优化

2019-07-23谢利强吴承恩郭晓东

上海船舶运输科学研究所学报 2019年2期

谢利强，吴承恩，郭晓东

(南通中远船务工程有限公司，江苏南通 226006)

0 引言

在巴西、北海等地的油田，采用常规油船无法直接从浮式生产储油卸油装置(Floating Production Storage and Offloading, FPSO)上提取原油，必须采用带动力定位系统的穿梭油船(Dynamic Positioning Shuttle Tanker, DPST)，但DPST的造价远高于同等吨位的常规油船。为充分发挥常规油船数量多、造价低、载重量大和运输成本低的优势，开发一种新型原油转驳船(Cargo Transfer Vessel, CTV)。由于这种船的尺度较小，耐波性较差，因此减小CTV在波浪中的运动是该船型设计需考虑的一项重要内容，其中箱形舭龙骨设计在增强CTV耐波性方面起到决定性作用。

1 线型设计

箱形舭龙骨主要通过增加受力面积来增大船舶的回复力矩，达到减小船舶横摇频率和增强船舶稳定性的目的，已在圆筒形FPSO上得到应用[1-2]。水动力计算和模型试验结果表明，这类舭龙骨设计能在不明显降低航速的前提下，很好地减小船舶在波浪中的运动。

船体线型一般设计为光顺的流线型，且艏艉线型变化较大，将方正的箱形结构依附于船体舭部较为困难。因此，在设计线型时对箱形舭龙骨进行流线型改进：对于平行中体部分，改圆弧形式舭部为直角形式，船底板伸出舷外作为箱形舭龙骨的底板；对于艏艉部分，宽度逐渐收窄，并过渡到与船体外板重合；对于高度方向，保证其走势与船体舭部相同，艏部和艉部终端稍微上翘。

箱形舭龙骨的具体尺寸为：平行中体部分宽2 m，船底板向上高1 m；艏艉部分随船体线型上翘，宽度和高度逐渐变小，直至与船体外板贴合。箱形舭龙骨线型见图1(阴影部分)。

a) 艉部横剖线图

b) 艏部横剖线图

c) 纵剖线图

d) 水线面图

2 水动力特性

对于水动力特性分析，哈尔滨工程大学根据舭龙骨线型，采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)软件对舭龙骨和船体进行整体建模和数值仿真，分析该舭龙骨对船舶运动的影响，并通过模型试验进行验证[3]。

CTV需具有横摇、纵摇和升沉等3个自由度的稳定性，准确预报CTV的横摇阻尼系数是评价箱形舭龙骨减摇效果的关键。采用箱形舭龙骨的CTV在静水中自由横摇时衰减速度很快，横摇阻尼系数难以通过自由衰减曲线获得。对此，采用数值造波的方法强迫横摇，建立CTV在正横规则波中运动的数值求解模型，模拟CTV在实域波浪中的运动，对CTV在巴西油田4级海况下的横摇运动幅值进行计算。

通过数值计算，分别得到裸船体CTV、带箱形舭龙骨CTV和箱形舭龙骨带制流板CTV等3种船型的横摇幅频响应系数(见图2)。

图2 CTV横摇幅频响应对比

由图2可知，3条曲线的变化趋势基本一致，CTV横摇幅频响应均随着波浪圆频率的增大而先增大后减小，但3条曲线的极值点和极值均不一致，横摇阻尼较大的船型极值点对应的波浪圆频率和极值均偏小。在任意波浪圆频率下，带箱形舭龙骨CTV和箱形舭龙骨带制流板CTV的幅频响应比裸船的CTV小，说明箱形舭龙骨具有一定的减摇效果。通过比较采用不同稳定装置的CTV的幅频响应可知，箱形舭龙骨带制流板的减摇效果要好于箱形舭龙骨。但是，从实际使用的角度考虑，带制流板的箱形舭龙骨外形突出，结构设计困难，会降低船舶航行的安全性，但这只用作性能对比，不进行实际使用。

此外，根据CTV实船航行海域的风流统计值，采用数值模拟的方法对海况条件进行分析和计算，得出实际海况下CTV的横摇运动响应幅值见表1。

表1 实际海况下CTV的横摇运动响应幅值计算结果

由表1可知，在4种海况下，箱形舭龙骨CTV和箱形舭龙骨带制流板CTV的横摇运动响应幅值均小于裸船体CTV，尤其是在第3种海况、第4种海况和波高为4 m的海况下，带箱形舭龙骨CTV的横摇运动响应幅值比裸船体CTV小很多，具有明显的抗横摇能力。由此可知，箱形舭龙骨有很好的减摇效果，满足船东规格书中对横摇运动响应幅值<10°的技术要求，基本上能达到实际使用要求。

3 箱体分隔

在确定线型和水动力特性之后，根据总体稳性计算的需求，将箱形舭龙骨围成的封闭区域分割成不同的舱室。在艏部，箱形舭龙骨区域与边压载舱连通，设置成压载水舱。在舯部，部分箱形舭龙骨舱室与双层底压载水舱连通形成压载舱，以增加压载量和调节浮态；部分与底部空舱连通，设置成空舱，以满足稳性的要求。箱体分隔图见图3(阴影部分)。

图3 箱体分隔图

为保证箱体与船体舱室有效连通，在箱形舭龙骨安装位置的外板上隔档开设700 mm×500 mm的人孔。人孔的设计能保证箱形舭龙骨与船体外板可靠焊接。

4 结构规格

设计箱形舭龙骨的结构规格是非常重要的环节。箱形舭龙骨附着于船体外板上，有一定的宽度和厚度，与船体一起承受中拱、中垂等波浪弯矩和剪力的作用。由于箱形舭龙骨在船宽方向上是超出主船体的，在任何载重工况下都完全浸没于水中，因此应首先保证其自身结构的强度满足要求。按照船级社的要求[4]，箱形舭龙骨的结构规格应按照规范中要求的船体结构设计。在进行规范计算时，箱形舭龙骨底板按照船底板设计，侧板和顶板按照船体外板设计，扶强材间距和肋与主船体保持一致。箱形舭龙骨典型横剖面见图4(阴影部分)。

图4 箱形舭龙骨典型横剖面图

箱形舭龙骨的高度与双层底不同，在船长方向上呈逐渐升高的趋势。箱形舭龙骨的顶板若没有有效的支撑，会对该部位的船体外板造成疲劳损害，从而影响船舶的安全。因此，在进行结构设计时，在船体内侧沿箱形舭龙骨顶板设置一道水平桁，其走势与舭龙骨顶板的走势保持一致。为检查箱形舭龙骨的整体强度，采用有限元进行强度和疲劳分析，结果表明，箱形舭龙骨的结构设计满足规范的要求[5]。箱形舭龙骨有限元分析应力云图见图5。

5 施工问题

箱形舭龙骨在平行中体处的宽度为2 000 mm，高度为1 000 mm，外板上开设750 mm×500 mm的人孔，整体空间较大，施工难度不大。但是，随着艏艉部分的宽度和高度逐步变小，施工难度增大，尤其是在艏端部，高度仅415 mm。为解决施工问题，将艏艉部分外板上的人孔布置由隔档开设改为每档开设，同时适当修改开孔的形状，以满足现场的施工要求。艉部外板人孔布置图见图6(阴影部分)。

由于艏艉区域每档都开设有人孔，且人孔的形状有所改变，船东认为该设置可能会对船体外板的强度有一定影响。经局部结构强度有限元分析(见图7)，船体外板结构强度满足要求。

6 改进建议

艏艉过渡区域采用流线型设计，箱形舭龙骨的宽度沿船长方向逐渐减小，最后与船体外板贴合。该设计虽然不会对船舶的航速产生较大影响，但在实际建造过程中会因空间狭窄而使施工难度较大。建议后续在设计类似船型时将贴合终止改为封板终止，保证结构便于施工。即在恰当位置处布置水密的横向艉封板，箱形舭龙骨终止于艉封板，该艉封板后面继续贴合，采用单边焊接技术对延伸结构与船体外板围成的局部死舱进行焊接。这样的改进既考虑了流线性，又不影响船舶的水动力性能，同时方便施工，保证建造的顺利进行。