隔离驳船的稳性计算研究.pdf

.101第9 期隔离驳船的稳性计算研究王晓凯，王一达，姜良伟（海洋石油工程（青岛）有有限公司，山东青岛，2 6 6 52 0）摘要】稳性是指在外力作用下船舶发生倾斜而不致倾覆，当外力的作用消失后仍能回复到原来平衡位置的能力，是船舶最重要的基本性能之一。本文基于船舶静力学原理对隔离驳船的稳性进行计算研究，得到满足横稳性高规范要求的极限重心高度曲线，便于后续对实际使用时的装载工况进行校核，船舶在实际营运中的重心高度不可超过此极限数值，否则便会造成稳性不足，导致安全无法保证。同时从提高船舶的最小倾覆力矩Mq考虑，可通过降低船的重心、增加干眩高度等措施提高隔离驳船的稳性。关键词】隔离驳船；船舶稳性；倾覆力矩；横稳心高引言油气资源是推动国家发展的重要动力，近年来随着社会生产力的飞速发展，能源消耗不断增加。海洋油气资源潜力明显，全球海域油气剩余经济可采储量近8 0%在浅海，全球海域的开发投资将带动海域油气产量迎来新的增长，海洋油气勘探开发已成为全球石油行业的主战场-2 。随着海洋油气开发逐渐向深海、远海发展，铺设长距离油气回输管线的成本越来越高、风险也越来越大，浮式生产储卸油装置（FloatingProduction Storage and Offloading，FPSO）是解决这一难题最有效的途径。FPSO兼有生产、储油和卸油的功能 3-4,FPSO在系泊停靠时需要使用隔离驳船以起到减轻碰撞、缓冲保护的作用。本文基于船舶静力学原理对隔离驳船的稳性进行计算研究，得到满足横稳性高规范要求的极限重心高度曲线，便于后续对实际使用时的装载工况进行校核，能够确保隔离驳船的使用安全，具有一定的工程价值。1隔离驳船模型建立如下图1与图2 所示，隔离驳船模型尺寸大小：船长L=40m、型宽B=10.5m、型深D=3m。坐标原点位于船体纵中剖线和基线的交点处。X轴，纵向，向船首侧为正；Y轴，横向，向左侧为正；乙轴，垂向，竖直向上为正。图1隔离驳船模型简化B-10.5mL=40mT-3m图2 尺寸坐标2船舶静力学介绍船舶静力学是探讨船舶航行性能的一门科学，稳性是指在外力作用下船舶发生倾斜而不致倾覆，当外力的作用消失后仍能回复到原来平衡位置的能力，是船舶最重要的基本性能之一 5。作者简介：王晓凯（19 9 6-），男，硕士研究生，助理工程师，在海洋石油工程（青岛）有限公司从事浮式结构物建造的加工设计工作。1022023年第2 6 卷维修改造石油和化工设备船舶静止漂浮在一定位置时只受两个作用力，即作用于重心G点并垂直向下的重力和作用于浮心B点并垂直向上的浮力，因此船舶的平衡条件必然是重力与浮力大小相等而方向相反，同时重心G与浮心B作用在同一条铅垂线上。GVB图3重心与浮心位置关系判断船舶是否具有足够的稳性，有其一定的衡量指标，这些指标与船舶的主要尺度、形状以及装载情况等有密切关系，船舶静水力性能计算就是指船舶在各种装载情况下的浮态及初稳性计算。船形系数是表示船体水下部分面积或体积肥瘦程度的无因次系数，这些系数对分析模型和船舶性能有很大的用处。CB方形系数：船体水线以下的型排水体积与由船长L、型宽B、吃水深度T所构成的长方体体积之比，大小表示船体水下体积的肥瘦程度。CB(1)L.B.T由于船体模型为长方体，因此CB=1，即船舶排水体积大小为：V=LBT CB(2)根据阿基米德原理，物体在水中所受到的浮力等于该物体所排开水的体积所产生的重力，因此船舶所受到的浮力在数值上就等于船舶所排开水的重量（通常称为排水量），表示海水的重量密度1.0 2 5t/m。=Q.V(3)Cwp水线面系数：与基平面相平行的任意一条水线面的面积AW与由船长L、型宽B所构成的矩形面积之比，大小表示水线面的肥瘦程度。Chp=Aw/(LB)(4)同理由于船体模型为长方体，因此Cwp=1，即水线面面积大小为：Aw-L.B(5)船舶正浮时吃水增加（或减少1cm）时，引起排水量增加（或减少）的吨数称为每厘米吃水吨数TPC，根据水线面面积曲线可以计算出任何吃水时的每厘米吃水吨数。TPC=.Av(6)100横稳心半径BM即表示船舶横向倾斜时的稳心半径（或称为初稳心半径），式中I表示水线面WL的面积对于纵向中心轴线O-O的横向惯性矩。BMB2(7)V12T船舶在一定排水量下产生小倾斜时，横稳性高GM高越大则复原力矩MR也越大，也就是抵抗倾斜力矩的能力越强。因此，横稳性高GM是衡量船舶初稳性的主要指标，亦称初稳性高。其中，KB表示浮心高度，KG表示重心高度。GM=KB+BM-KG(8)船舶在等体积纵倾时的情况，与上面的横倾情况一致，可以得出相同的结论。ILr为水线面面积Aw对于通过该水线面漂心F的横轴的纵向惯性矩，I为水线面面积Aw对于通过该水线面中站处Ov横轴的纵向惯性矩，Xr为水线面WL的漂心F的纵向坐标。BM,(9)ILr=I-A,x,(10)L(11)2综上可得纵稳心半径BMt=ILF/V、纵稳心高GML；定义引起船舶纵倾1cm所需的纵倾力矩为MTC，表示每厘米纵倾力矩，令t=1cm可得：ABM,MTC=(12)100L船舶在营运中的实际装载情况与计算时的典型情况会有一定差别，极限重心高度曲线可以便于驾驶人员掌握船舶在各种实际装载情况下的稳性情况。所谓极限重心高度，是指船舶恰能满足稳性要求时的重心高度。船舶在实际营运中的103-第9 期王晓凯等隔离驳船的稳性计算研究重心高度不可超过此极限数值，否则便会造成稳性不足，导致安全无法保证。船舶在各种装载情况时（即不同排水量时）都有相应的极限重心高度，将船舶在不同排水量时的极限重心高度连成曲线，则该曲线称为极限重心高度线 6-7 。3横稳心高变化计算根据规范对稳性的要求，对隔离驳船满足横稳性高要求的极限重心高度进行求解，通过计算可得到不同吃水深度T下的静水力相关数值，静水力计算结果汇总如表1所示，便于后续对实际使用时的装载工况进行校核，确保各种实际装载情况下的稳性安全。表1静水力计算结果汇总表浮心纵向坐标水线面面积/每厘米纵倾力矩每厘米吃水吨位吃水/m排水量/t横稳心高/m纵稳心高/m/mm2(tm/cm)(t/cm)0.4172.22021.669263.12742011.3844.3050.5215.252017.125210.29142011.3844.3050.6258.32014.113175.08542011.3844.3050.7301.352011.975149.95142011.3844.3050.8344.42010.384131.13542011.3844.3050.9387.45209.158116.47342011.3844.3051.0430.5208.188104.77142011.3844.3051.1473.55207.40295.20542011.3844.3051.2516.6206.75687.24242011.3844.3051.3559.65206.21780.51242011.3844.3051.4602.7205.76374.75142011.3844.3051.5645.75205.37569.76342011.3844.3051.6688.8205.04265.40742011.3844.3051.7731.85204.75461.56842011.3844.3051.8774.9204.50458.16242011.3844.3051.9817.95204.28655.11942011.3844.3052.0861204.09452.38542011.3844.3052.1904.05203.92549.91742011.3844.3052.2947.1203.77647.67842011.3844.3052.3990.15203.64545.63742011.3844.3052.41033.2203.52843.77142011.3844.3054结论25一横稳心高变化曲线GM201510500.40.81.21.622.4吃水深度/m图4隔离驳船横稳心高变化曲线本文对隔离驳船的稳性进行计算研究，将不同吃水深度下的横稳性高绘制成线，即可得到隔离驳船符合横稳心高要求的极限重心高度曲线，隔离驳船在实际营运中的重心高度不可超过此极限数值，否则便会造成稳性不足，导致安全无法保证。观察横稳心高变化曲线GM可得，随着隔离驳船吃水深度的不断增加，横稳心高度呈现出先快后慢的下降趋势。通常提高船舶稳性的措施主要从两方面入手：一是提高船舶的最小倾覆力矩Mq（或力臂lq）；二是减小船舶所受到的风压倾斜力矩Mf（或力臂lf），对于隔离驳船而言，其结构形(下转7 2 页）(上接1 0 3 页）(上接6 5页）2023年第2 6 卷论文广场石油和化工设备1-Z轴轴承支座；2-上下滑板；3-机头过渡板；4-X轴螺母座；5-X轴轴承支座；6-带传动；7-电机；8-X轴轴承座；9-减速器；1 0-滑块；1 1-轴承底座；1 2-线性导轨图5上下换模装置和左右换模装置传动系统3结论本文设计了一款适合大直径薄壁管的全电弯管机，包括机身、送料装置、调整装置、夹紧装置、弯曲装置和抽芯装置。该全电弯管机采用了RH减速机代替多级齿轮减速系统，不仅可以满足大直径管件所需要的弯曲力矩，而且传动平稳可靠，精度高，结构紧凑，装卸方便，维修难度低。（3）按胀管器合格证中提供的胀接力进行强度胀，并随时检查胀接情况：贴胀处测量，胀接处换热管内径尺寸变化，强度胀处0.8 1.2 mm之间，否则应适当提高胀接力。胀接力提高应以5%的原始胀接力递增，不得超过胀管机允许最高压力。胀接分两次完成，第一次胀接力2 40 Mpa，第二次对有泄漏的管头进行补胀，胀接力2 6 0 Mpa。（4）胀接时要按照事先规定的顺序进行胀接，并在管子上做好标记，防止出现有换热管漏胀的情况出现。在胀接过程中，应随时检查胀口的胀接质量，胀接管端部不应有起皮、皱纹、裂纹、切口和偏斜等缺陷。（5）胀接全部完毕后，壳程按规定的试验压式较为简单，因此主要考虑从第一方面入手：即通过降低船的重心、增加干舫高度、增加船宽等措施来提高稳性 8 ，继而为FPSO的临时系泊安全提供更加有力的保障。参考文献1窦立荣,李大伟,温志新,王兆明,米石云,张倩.全球油气资源评价历程及展望 .石油学报,2 0 2 2,43(0 8):1 0 3 5-1 0 48.2常毓文,李宏伟,峰,王子健,王作乾.全球海域油气开发形势与展望 J.国际石油经济,2 0 2 2,3 0(0 3):1-1 1.3杜庆贵，檀国荣,刘聪,耿站立,朱海山.深水油气生产参考文献1许一鹏,何明洋,张清珠,等.数控弯管机校核平台的开发-以65型为例 .内燃机与配件,2 0 2 3,3 7 6(0 4):6 1-6 3.2卢鹏.大直径薄壁小弯曲半径不锈钢导管数控弯曲成形研究 D.哈尔滨工业大学,2 0 1 9.3张晓冬,刘俊,邹双桂,等.大口径管件小半径中频热弯数值模拟 J.船舶工程,2 0 1 6,3 8(S2):182-185.4郭朝先.2 0 6 0 年碳中和引致中国经济系统根本性变革 .北京工业大学学报(社会科学版),2 0 2 1,2 1(0 5):6 4-7 7.5汪训浪,范元勋.齿轮传动误差主要影响因素分析与计算 组合机床与自动化加工技术,2 0 1 8,52 8(0 2):43-45+50.6刘坤.RV减速器传动精度分析及评价 D.厦门理工学院,2 0 2 2.项目来源：2 0 2 2 年国家级大学生创新创业训练计划项目“数控弯管机计算平台开发与整机轻量化设计一以6 5型为例”（编号：2 0 2 2 1 0 3 47 0 0 3），湖州市科技特派员项目“大直径全电动伺服弯管机研发”（编号：2 0 2 1 KT64）。收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 5修回日期：2 0 2 3-0 7-2 8力进行液压试验，检查胀口的严密性。3小结换热管与内管板的胀接是整台双管板换热器制造的难点和要点，制造过程中要严格控制。设计人员通过制定合理的制造工艺和方法，保证了双管板换热器中换热管与内管板的胀接质量，并积累了换热管与内管板胀接的经验。该台设备目前运行状态良好。参考文献1GB/T151-2014,热交换器 S2T S G 2 1-2 0 1 6,固定式压力容器安全技术监察规程S收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 7 修回日期：2 0 2 3-0 8-0 5装备应用现状及发展趋势浅析 J.海洋工程装备与技术,2 0 1 8,5(0 5):2 9 3-2 9 9.4谢铜辉,杨料荃.浮式生产储油卸油装置单点系泊系统综述.海洋工程装备与技术,2 0 1 4,1(0 3):1 8 9-1 9 4.5】船舶原理.盛振邦,刘应中.上海交通大学出版社.2 0 0 36张毅.集装箱船舶稳性校核方法的研究 D.大连海事大学,2 0 0 1.7韩会民,王新辉.基于GZ曲线的散装谷物船极限重心高度简便计算 .航海技术,2 0 0 4(0 6):2 1-2 2.8刘烽杰.船舶稳性研究 .中国水运(学术版),2 0 0 7(1 0):46-47.收稿日期：2 0 2 3-0 4-0 6 修回日期：2 0 2 3-0 8-0 5