船體總段吊帶吊裝新工藝研究與應用

黃 健，周洪元，奚 健，曹云勇

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

0 引 言

以往國內船廠通常采用甲板吊環吊裝與鋼梁托架吊裝兩種方式進行薄壁船體總段吊裝[1]。采用甲板吊環吊裝過程中由于應力集中可能造成薄壁船體總段嚴重變形甚至撕裂板材，故吊裝前需在總段內進行大量永久性和臨時性加強。采用鋼梁托架方式將船體總段放置在鋼梁托架上進行吊裝，較好地解決了吊環吊裝應力集中引起結構變形的難題，但鋼梁托架本身自重又限制了總段舾裝率，且不適用于其他船型，不利于總段建造模塊化與殼舾涂的一體化。

隨著現代化造船的快速發展，上述兩種吊裝方式都不利于充分發揮起吊設備的能力。而采用吊帶總段吊裝這種新型吊裝方式，則既可大幅減小吊索具的附加重量，又可避免大量不必要的結構加強，解決了前兩種吊裝方式帶來的弊端。在船舶行業，薄壁船體總段使用吊帶吊裝尚屬首次。對船體總段實現殼舾涂一體化，提高船體總段預舾裝率，提高艦船建造質量具有十分重要的意義。

1 總段結構

E總段為某型船船體機艙總段，是典型的深V型薄壁船體總段，其位于#58～#110肋位之間，設有1甲板、2甲板和內底。1甲板在E總段范圍內縱向連續，在#72～#84肋位之間距中2280mm內具有機艙大開口。2甲板#59～#106肋位之間間斷，內底在E總段范圍內縱向連續，E總段每兩檔肋位設有肋骨框架，#98和#110肋位處設置橫艙壁，總段結構為縱骨架式，板材型材均采用低合金高強度鋼，1甲板板厚3～4mm,外板厚度為6～7mm。

2 吊帶吊裝方案

2.1 船體總段的質量重心計算

根據各專業設備舾裝托盤安裝情況，對船體總段所包含的分段結構質量、外舾裝、內舾裝、輪機管系、冷空調系統、輪機設備、電器設備、電裝附件及特種設備等，各專業的項目進行統計匯總，計算出E總段的質量重心。

2.2 吊裝方案

船體總段吊裝方案是在平臺進行分段總組和總段預舾裝，船體總段由4臺門座式起重機（2臺80t吊車、2臺120t吊車）將機艙E總段抬吊運至船臺。在總段＃61、＃70、＃80、＃90、＃98和＃108肋位處設置吊帶，吊帶自一側甲板邊緣向下，沿船體表面貼繞至另一側甲板邊緣處，吊帶甲板以下部分由固定保護器將其約束于船體相應肋骨框架內。在E總段的艏部#61肋位#70肋位布置兩根吊帶由兩舷伸出甲板企口，由2臺80t起重機通過額定載荷為160t的吊排連接起吊，在E總段中艉部#80、#90、#98 、#108肋位布置四根吊帶，由2臺120t起重機分別連接起吊，每根吊帶由兩舷伸出甲板企口，通過卸扣與鋼絲繩連接吊排或吊鉤，4臺起重機吊重載荷相當于分配在3個點上，從而保證載荷的合理分配。

圖1 E總段吊裝受力示意

2.3 船體總段吊帶吊裝的受力狀況計算分析

選取額定負載為50t、長度為23m的R02-50型吊帶進行吊裝。吊車對稱布置在船臺兩側，總的吊裝能力為400t，安全起吊定額按四臺吊車吊重的80%計算為320t，經計算E總段的總質量為215t。

吊帶吊裝的受力分析計算：具體的吊點設置及總段垂直起吊狀態的受力分析見圖1～3，#61和#70肋位處兩根吊帶左右舷端部分別匯于吊排兩端，由2臺80t吊車聯動起吊，吊排中點處受到吊車的拉力T2；T21和T22。#80至#108肋位處4根吊帶左右舷端部分別匯于一個吊點，由2臺120t吊車連動起吊，吊點所受塔吊拉力T1、T12和T11。經詳盡計算得：F1=20.91t ，F2=18.27 t 。

圖2 #61和#70段左舷吊帶受力示意

圖3 #80～#108段左舷吊帶受力示意

根據船體線型的特點，船體結構在甲板邊緣、舭部折角和底龍骨處承受吊帶張緊力在該處的合力作用，其他區域的船體外板與吊帶間無相互作用力。典型剖面（＃61肋位）吊帶受力分析見圖4。

由圖4可知，P1～P6分別為船體結構在船底龍骨和左右舷舭部、甲板邊緣處承受的吊帶合力。根據吊裝方案，位于甲板以下部分的吊帶通過固定保護器約束于船體肋骨框架內，因此P1～P4方向位于船體橫剖面內，且P1和P2對稱，P3和P4對稱；位于甲板以上部分的吊帶沿船體縱向具有傾角，因此P5和P6方向與船體肋骨剖面具有夾角。

2.4 總段吊裝船臺傾斜受力分析

船臺傾斜比為1:20，傾斜角為2.86°。此時80t吊車和120t吊車的承重不變，船體總段艏部#61、#70兩個肋位吊帶受力相等（見圖 5）吊帶受力不變，沿船長方向的最大縱向分為，此時若按原定預舾裝率計算出船體總段質量為G=231t （包括吊索具），根據垂向受力平衡和對重心力平衡條件得：T1=160t ，T2=71t，符合吊裝安全規范。

圖4 典型剖面吊帶受力示意

圖5 總段傾斜工況中縱剖面受力示意

2.5 總段吊裝變形控制技術研究

針對深V型薄壁船體總段剛性較弱等特點，首先進行吊帶的張力計算，對吊帶吊裝方案進行受力分析可知#61和#70肋位吊帶內張力相等，#80和#108肋位吊帶內張力相等，垂向分量之和為相應吊點載荷，如圖3所示進行計算獲得在#61、#70肋位甲板邊緣護角器處得縱向分力為F1*cosθ1=3.59t ，F2在#90、#98肋位甲板邊緣(護角器處)的縱向分力為：F2*cosθ2=3.65t ，F2在#80、#108肋位甲板邊緣(護角器處)的縱向分力為：F2*cosθ3=10.90t 。研究表明吊帶固定工裝（保護器）能夠抵御吊帶側向分力及橫向分力，有效避免吊帶沿船長方向發生側向滑移，確保吊帶載荷作用于船體肋骨框架上，在舭部折角處具有較大的集中載荷，研究設計折角保護工裝設備可有效控制船體總段結構變形。

國家及遼寧省教育事業發展“十三五”規劃均明確指出，踐行知行合一，將實踐教學作為深化教學改革的關鍵環節。[2]要強化課堂教學、實習、實訓的融合，普及推廣項目教學、案例教學、情境教學等教學模式。[3]

在總段吊帶吊裝過程中，細節控制尤為重要，必須實施精度測控，制定相關的測控方法，建立測量的基準面（線）與監控點，實施全程跟蹤，進行數據記錄和統計分析。

2.6 有限元計算

依據中國船級社《船舶與海上設施起重設備規范（2007）》[2]（以下簡稱“規范”），對E總段吊裝過程中船體結構強度進行校核。

根據規范3.2.16，起重機結構件許用應力 按下式計算得到：

式中：σS——鋼材屈服強度，E總段船體采用E36高強度鋼，σS=355MPa；n——安全系數，參照規范表3.2.16.1有風作業工況取1.5；β——鋼材屈服比系數，參照規范表2.3.5取1.0。

E總段在吊帶吊裝狀態下進行有限元計算，結合了船體總段線型與結構的特點，結合上述吊帶吊裝方案的受力分析計算結果，將有限元計算所得的船體結構最大合成應力匯總（見表1）。

表1 船體結構最大合成應力匯總 單位：MPa

圖6 有限元三維船體模型

有限元計算結果表明 E總段高應力區主要集中在設置吊帶處的甲板邊緣、舷頂列板上緣、舭部外板以及相應位置肋骨框架的局部區域，吊裝應力小于許用應力。船體總段吊裝船體結構變形較小。將總段吊裝的吊帶設置在船體結構應力相對集中的#61、#70、#80、#90、#98、#108肋位具有合理性，結構強度較好，滿足規范要求，三維船體模型見圖6。

經過有限元對 E總段吊帶吊裝方案的理論計算分析，在實際吊裝過程中對可能產生的應力變化所采取的實際控制措施的驗證吊帶吊裝具有安全性，可靠性、實用性、通用性。

3 吊帶保護器設計制作

3.1 保護器剪切應力計算

吊帶保護器的失效剪切應力參照規范取材料強度的0.58倍，企口保護器與護角器材質為A級鋼，屈服強度σs=235MPa ，護角器失效剪切應力[τ]=0.58?σs=136.3MPa 。

根據上述船體總段吊裝狀態分析，吊帶最大縱向分力出現在總段調整到與船臺斜度平行時，此時吊帶最大的縱向分力為12.86t 。故護角器與船體結構焊接部位所承受的最大剪切應力為τ=F/S=35.73MPa<136.3MPa滿足規范要求。

3.2 保護器結構組成

吊帶固定保護器分為企口保護器與折角保護器。企口保護器有掛板、面板、導向板、加強肘板、加強板、吊耳和止滑板組成，在甲板邊緣的企口內則有加強板與三角肘板與外掛的企口保護器連接。折角保護器由加強板、擋板和填充物組成（見圖7、8）。

圖7 企口保護器示意

圖8 折角保護器示意

3.4 企口保護器使用

企口保護器在總段實際吊裝過程中的使用見圖9。可以看出企口保護器設置在強肋骨甲板邊緣，舷頂列板上緣的企口上。吊帶用橡膠皮包裹后穿過企口保護器與吊索具連接。

企口保護器對稱設置，企口保護器的加強肘板設置在吊帶的受力方向。

3.5 折角保護器的使用

折角保護器設置在船底與舷部外板相接的折角處，見圖10，吊帶用橡膠皮包裹后穿過擋板。

圖9 企口保護器應用實例

圖10 折角保護器應用實例

4 實 施

經首制船E總段首次實施總段吊帶吊裝后（見圖11），后續船又相繼采取了三總段吊帶吊裝方法，在總段吊帶吊裝方面積累了一定的經驗，并形成一系列工藝文件和企業標準，為其它船型實施吊帶吊裝奠定了堅實基礎。

圖11 總段吊帶吊裝

在充分考慮總段質量、結構特點和工廠設施基礎上，進行船體總段吊帶吊裝工藝技術研究、理論分析和有限元計算、吊點布置、結構加強、工裝設計；根據船體總段吊裝設計要求，對船體總段吊帶等吊索具進行載荷計算、選型及設置。解決了吊帶首次應用于船體總段吊裝、4臺起重機3吊點吊裝及傾斜船臺吊裝風險控制等技術難點。

針對深V船型、板薄、結構剛性較弱等特點，通過有限元計算吊帶內張力和吊帶作用于環形總段上的載荷分布及薄壁船體總段結構受力和變形情況，進行吊帶設置、設計吊帶固定保護工裝，保護總段結構、有效控制總段變形。

固定保護器的設計制作不僅新穎、簡約且具實用性，滿足規范要求。

5 結 語

總段建造技術屬于現代化造船模式，吊帶吊裝新工藝與甲板吊環或鋼梁托架吊裝相比具有自重小，可減小吊索具重量，最大限度發揮起吊能力；該吊裝方式中吊帶與總段外板線性接觸，避免了局部接觸導致的應力集中，可有效降低吊裝變形，避免大量結構加強，是船體總段吊裝工藝上的一次科技創新。新工藝能有效提高預舾裝率和建造質量，縮短建造周期；吊帶可以在不同型號、不同產品之間交替使用，適用性廣。吊帶吊裝新工藝必將在船舶與海洋工程行業的大型總段吊裝上帶來一次重大技術革新，有著巨大的應用前景和推廣價值。

[1] 黃 浩. 船體工藝手冊 [M] . 北京：國防工業出版社，1989.

[2] 中國船級社. 船舶與海上設施起重設備規范（2007）[S]. 北京：人民交通出版社，2007.