大型抓斗式挖泥船起重機(jī)基座支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及建造要點(diǎn)分析

(中國船級社福州分社,福州 350008)

大型抓斗式挖泥船兼具航道疏浚、沉船打撈和海上設(shè)施起重等多方面功能，很好地迎合了市場需求。目前國內(nèi)抓斗式挖泥船主要朝大型化和遠(yuǎn)海作業(yè)兩方面發(fā)展[1]，其配備的抓斗機(jī)從早期的 0.5 m3發(fā)展到現(xiàn)在的60 m3，作業(yè)深度從早期的30 m發(fā)展到現(xiàn)在的300 m。隨著抓斗容積、重量以及吊臂長度的增加，抓斗式挖泥船在作業(yè)時(shí)，其起重機(jī)基座支撐結(jié)構(gòu)做為連接主船體和起重機(jī)的主要受力構(gòu)件承受了巨大的彎矩[2]，特別是在波浪載荷和起重作業(yè)載荷的共同作用下，該結(jié)構(gòu)所受載荷具有瞬時(shí)載荷大和載荷交變頻繁的特點(diǎn)，往往存在局部構(gòu)件應(yīng)力集中情況。因此如何在復(fù)雜的現(xiàn)場工程技術(shù)要求下，使抓斗式挖泥船的起重機(jī)基座支撐構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足工程需要，成為迫在眉睫的課題。

1 起重機(jī)基座支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

1.1 工程概況

目前國內(nèi)抓斗容積最大的的抓斗式挖泥船(見圖1)。主尺度為：船長121 m、型寬32 m、型深6.3 m、吃水 3.6 m。基本結(jié)構(gòu)形式：單底雙殼，隧道艉機(jī)型，雙槳，雙舵，雙機(jī)，鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu)甲板船。起重機(jī)布置：首升高甲板的上方設(shè)置1臺700 t抓斗式起重機(jī)(抓斗容積60 m3，吊臂長度為48 m)，主甲板上設(shè)置1臺200 t的抓斗式起重機(jī)(抓斗容積：12 m3，吊臂長度30 m)。

圖1 60 m3抓斗式挖泥船側(cè)視圖

1.2 有限元模型

700 t抓斗式起重機(jī)旋轉(zhuǎn)中心位于Fr.172，采用MSC.PATRAN軟件建立起重機(jī)基座艙段模型，坐標(biāo)系為：右手直角坐標(biāo)系，x軸指向船長方向，y軸指向船寬方向，z軸指向高度方向，坐標(biāo)原點(diǎn)取在舯縱剖面，F(xiàn)r.130的甲板處。單元布置：甲板板，基座面板及起重機(jī)筒壁采用板單元；甲板及基座的主要支撐構(gòu)件(強(qiáng)橫梁，局部短縱桁，短橫桁)腹板采用四節(jié)點(diǎn)的板殼單元模擬，面板采用梁單元模擬。次要構(gòu)件的腹板也采用板單元，面板采用梁單元，基座底板支撐構(gòu)件采用偏心梁單元進(jìn)行模擬。縱向單元的大小按一個(gè)理論肋骨間距(600 mm)布置；沿船寬方向在每根縱骨間布置1個(gè)單元；主要構(gòu)件沿腹板高度方向布置3個(gè)單元。模型長度方向?yàn)槿r.130～船艏；寬度方向?yàn)樽笥蚁蟽?nèi)殼之間；高度方向：外底板至起重機(jī)底。整體艙段模型見圖2，筒體結(jié)構(gòu)局部放大圖見圖3。

圖3 筒體結(jié)構(gòu)局部

1.3 計(jì)算工況及載荷

根據(jù)中國船級社《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》[3]要求，起重機(jī)基座強(qiáng)度計(jì)算考慮4種工況所產(chǎn)生的組合載荷。

工況1。起重機(jī)工作于無風(fēng)狀態(tài)，應(yīng)考慮的載荷如下。

1) 自重載荷。

2)(起升載荷+船舶傾斜(橫傾與縱傾)所產(chǎn)生的起升載荷水平分力)×起升系數(shù)fh。

3) 其它最不利的水平力(通常由回轉(zhuǎn)加速度產(chǎn)生)。

4) 由船舶傾斜(橫傾與縱傾)產(chǎn)生的自重載荷水平分力。

組合載荷可用下述方式表示：〔(1)+(2)+(3)+(4)〕×作業(yè)系數(shù)fd。

工況2。起重機(jī)工作于有風(fēng)狀態(tài)，組合載荷按工況1所示的組合載荷加上最不利的風(fēng)載荷。

工況3。起重機(jī)處于放置狀態(tài)，取下述各載荷的組合：船舶傾斜、船舶運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的力和風(fēng)的作用力。

工況4。起重機(jī)試驗(yàn)負(fù)荷：起重機(jī)自重及其由船舶傾斜(橫傾與縱傾)產(chǎn)生的自重載荷水平分力，起重機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)負(fù)荷。

由于該起重機(jī)主甲板結(jié)構(gòu)前后不對稱，所以工況1、2和4又都包含吊臂與船長方向夾角分別為0°、45°、90°、135°及180°的5種小工況。

考慮起重機(jī)放置及船舶運(yùn)動(dòng)的影響，所以該起重機(jī)的工況3包含2種小工況：①垂直于甲板的加速度為±1.0g，前后方向平行于甲板的加速度為±0.5g，靜橫傾30°，風(fēng)速55 m/s，作用于前后方向;②垂直于甲板的加速度為±1.0g,橫向平行于甲板的加速度為±0.5g；靜橫傾30°,風(fēng)速為55 m/s，作用于橫向。

1.4 許用應(yīng)力及計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》要求，各種工況下，構(gòu)件的計(jì)算應(yīng)力應(yīng)不大于其許用應(yīng)力值。其中，構(gòu)件的許用應(yīng)力值為材料的屈服強(qiáng)度除以規(guī)范中的相應(yīng)安全系數(shù)，見表1。

表1 安全系數(shù)

由于該船起重機(jī)基座支撐結(jié)構(gòu)采用CCSB與CCSAH36級鋼，其屈服強(qiáng)度分別為235 MPa和355 MPa，故許用應(yīng)力為表2所示。

表2 許用應(yīng)力 MPa

注：括號中數(shù)據(jù)為CCSAH36級鋼許用應(yīng)力。

經(jīng)計(jì)算，該起重機(jī)基座支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況2(吊臂與船長方向夾角90°)，其結(jié)果均滿足許用應(yīng)力要求。計(jì)算結(jié)果見表3, 板單元最大相當(dāng)應(yīng)力分布見圖4，梁單元最大正應(yīng)力分布見圖5，梁單元最大剪應(yīng)力分布見圖6。

表3 700 t抓斗式起重機(jī)最大應(yīng)力匯總 MPa

圖4 板單元最大相當(dāng)應(yīng)力

圖5 梁單元最大正應(yīng)力

圖6 梁單元最大剪應(yīng)力

2 基座支撐結(jié)構(gòu)建造要點(diǎn)分析

700 t起重機(jī)基座支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有不同于一般船體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。

2.1 結(jié)構(gòu)布置

起重機(jī)基座筒體結(jié)構(gòu)采用縱橫桁材加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，并與三道縱艙壁相連(見圖7)，筒體內(nèi)對應(yīng)于船體骨架采用T型材作為垂向支撐結(jié)構(gòu)，距基線2 400 mm和4 200 mm位置增設(shè)水平桁，于筒體內(nèi)部設(shè)置4個(gè)支柱上下連接艙底結(jié)構(gòu)和主甲板，為確保上述構(gòu)件應(yīng)力能合理傳遞，均通過肘板使之與相鄰船體結(jié)構(gòu)相連接。考慮到該結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布以及板材使用的經(jīng)濟(jì)性，筒體、水平桁、筒體內(nèi)艙壁、艙壁連接肘板、甲板連接肘板采用高強(qiáng)鋼(CCSAH36級鋼)，其余結(jié)構(gòu)均采用普通船用鋼(CCSB級鋼)。另考慮到該結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算時(shí)應(yīng)力集中現(xiàn)象主要存在于在縱橫艙壁與筒體連接處(靠近主甲板)見圖7，故上述艙壁采用高強(qiáng)鋼(CCSAH36級鋼)局部補(bǔ)強(qiáng)該處強(qiáng)度(類似船舶艙口角隅板的形式，見圖8)。

圖7 基座筒體俯視圖(距基線2 400 mm水平桁)

圖8 艙壁局部補(bǔ)強(qiáng)

2.2 結(jié)構(gòu)裝配與焊接

該船起重機(jī)基座筒體及其支撐結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用板材規(guī)格多(兩種強(qiáng)度鋼、多種板厚)的特點(diǎn)，因此在該結(jié)構(gòu)裝配焊接中，需注意控制下述幾方面問題。

1)該結(jié)構(gòu)焊接量大，為減少焊接應(yīng)力避免焊后裂紋，結(jié)構(gòu)裝配焊接遵循由內(nèi)向外、由上至下的原則，按照筒體與筒體內(nèi)艙壁連接→筒體與垂向支撐構(gòu)件連接→筒體、垂向支撐構(gòu)件、筒體內(nèi)艙壁與甲板連接→筒體、垂向支撐構(gòu)件、筒體內(nèi)艙壁與艙底結(jié)構(gòu)連接→筒體與筒體外艙壁連接這一順序焊接，焊接時(shí)采取雙向?qū)ΨQ施工，使焊接應(yīng)力均勻分布。同時(shí)由于該結(jié)構(gòu)多處采用高強(qiáng)鋼，焊接方式選用CO2氣體保護(hù)焊(低氫型焊材)，要求焊前焊接結(jié)構(gòu)預(yù)熱和焊后熱處理。

2)該結(jié)構(gòu)使用多種厚度鋼板，為使應(yīng)力順利傳遞，在現(xiàn)場施工中相鄰板厚差≥4 mm時(shí)，厚板采取削斜處理，使其均勻過渡，削斜寬度不小于厚度差的4倍。

3)該船工作性質(zhì)決定了船舶所受載荷具有瞬時(shí)載荷大，載荷交變頻繁的特點(diǎn)。為了有效傳遞載荷，參考有限元分析結(jié)果，對應(yīng)力集中區(qū)域的焊縫(如：筒體與主甲板、筒體與外板、筒體與艙壁、筒體與水平桁、筒體與起重機(jī)相連焊縫)均要求全焊透，坡口形式為V形(見圖9)，焊后無損檢測(超聲波)應(yīng)100%合格。

圖9 全焊透V型坡口

2.3 吊重試驗(yàn)

相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下。

臂架長度： 48 m

工作半徑： 22.29～34.53～42.26 m

臂架工作角度： 70°～50°～30°

抓斗參數(shù)： 60 m3×100 t(自重)

回轉(zhuǎn)速度： 0～0.5 r/min

最大揚(yáng)程： 12 m(水面上)

最大挖泥水深： 153 m(水面下垂直距離)

起吊額定負(fù)載： 700 t(不包括吊鉤自重)

根據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》[3]第7章7.4.2節(jié)，該起重機(jī)吊重試驗(yàn)按以下步驟進(jìn)行。

1)依據(jù)技術(shù)參數(shù)及起重負(fù)載曲線(圖10)，需進(jìn)行如下狀態(tài)的吊重試驗(yàn)：臂架工作角度30°，試驗(yàn)負(fù)荷269.5 t；臂架工作角度50°，試驗(yàn)負(fù)荷為473 t；臂架工作角度70°，試驗(yàn)負(fù)荷770 t。另由于起重機(jī)在臂架工作角度65°時(shí)，起重機(jī)已達(dá)最大負(fù)載700 t，此時(shí)起重機(jī)對船體具有最大傾覆力矩，即起重機(jī)基座及其支撐結(jié)構(gòu)承受最大彎矩，故還需進(jìn)行臂架工作角度65°，試驗(yàn)負(fù)荷770 t的吊重試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)重物懸掛于吊鉤，負(fù)荷吊離甲板后保持懸掛時(shí)間不少于5 min。

圖10 700 t起重機(jī)起重負(fù)載曲線

2)試驗(yàn)時(shí)，起重機(jī)在試驗(yàn)負(fù)荷下進(jìn)行慢速起升、回轉(zhuǎn)與變幅試驗(yàn)，同時(shí)還應(yīng)進(jìn)行起升、回轉(zhuǎn)與變幅機(jī)構(gòu)的制動(dòng)試驗(yàn)。

3)對超負(fù)荷保護(hù)裝置、超力矩保護(hù)裝置進(jìn)行動(dòng)作試驗(yàn)。

4)起重機(jī)經(jīng)超負(fù)荷試驗(yàn)后，應(yīng)進(jìn)行安全工作負(fù)荷下的操作試驗(yàn)，試驗(yàn)起升、回轉(zhuǎn)與變幅的各檔運(yùn)轉(zhuǎn)速度以表明運(yùn)轉(zhuǎn)情況、超負(fù)荷效能、負(fù)荷指示器與限位器等均處于良好工作狀態(tài)。

5)試驗(yàn)后進(jìn)行全面檢查， 核實(shí)是否有變形或其它缺陷存在。

特別應(yīng)注意的是，《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》中并未規(guī)定起重機(jī)在試驗(yàn)負(fù)荷下進(jìn)行慢速起升、變幅試驗(yàn)及相應(yīng)的制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)吊臂與船體的相對位置。由于與起重機(jī)基座支撐結(jié)構(gòu)以及相鄰的船體結(jié)構(gòu)前后不對稱，在實(shí)際工程運(yùn)用中其受力并不均勻。因此該起重機(jī)在進(jìn)行慢速起升、變幅試驗(yàn)及相應(yīng)的制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)有限元分析結(jié)果，選取吊臂與船長方向夾角90°這一最危險(xiǎn)的工況進(jìn)行試驗(yàn)，確保起重機(jī)基座支撐結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)下的性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的驗(yàn)證結(jié)果真實(shí)可靠。

4 結(jié)論

1)挖泥船中起重機(jī)基座支撐結(jié)構(gòu)采用縱橫

桁材加強(qiáng)結(jié)構(gòu)具有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2) 在起重機(jī)基座支撐結(jié)構(gòu)現(xiàn)場施工及檢驗(yàn)中，應(yīng)注意多種規(guī)格板材在結(jié)構(gòu)布置、焊接、裝配等方面的考慮。在局部應(yīng)力集中區(qū)域采用類似艙口角隅板的設(shè)計(jì)嵌補(bǔ)高強(qiáng)鋼能有效加強(qiáng)該處局部強(qiáng)度。

3) 《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》在吊重試驗(yàn)中并未規(guī)定試驗(yàn)時(shí)吊臂與船體的相對位置，為確保吊重試驗(yàn)?zāi)茯?yàn)證起重機(jī)基座支撐結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)下的性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在按照規(guī)范進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)時(shí)，吊臂與船長方向夾角應(yīng)注意根據(jù)有限元分析結(jié)果選取最危險(xiǎn)的角度進(jìn)行。建議今后在《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》中增加試驗(yàn)時(shí)對吊臂與船體的相對位置的規(guī)定。

[1]孫魯閩. 我國海上起重打撈作業(yè)及其基礎(chǔ)裝備大型起重船的發(fā)展[J]. 船舶工程，2013( 1) : 5-12.

[2]喬國瑞，孫雪榮，周佳. 3000t 自航起重船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析[J]. 船舶，2011( 5) : 21-26.

[3]中國船級社. 船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社，2007.