起重船重吊系固系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雷夕勇

(江蘇省南通中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司 江蘇南通226006)

隨著船舶與海洋工程的飛速發(fā)展，船舶設(shè)計(jì)日益復(fù)雜化，不僅要實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸目的，而且要實(shí)現(xiàn)特定的功能，因此船用設(shè)備在船舶整體中所占比例越來越重，船舶上配備大型吊機(jī)或超大型吊機(jī)成為工程船舶的主流配制。本文中的起重鋪管船是一艘負(fù)責(zé)在海洋中鋪設(shè)石油管線的船舶，配備1臺(tái)1,200,t的主吊機(jī)，該主吊機(jī)由船東供貨。因主吊機(jī)布置于船體艉部中線處，在船體左右兩側(cè)進(jìn)行重物吊運(yùn)時(shí)，都可以通過在起重側(cè)的另一側(cè)調(diào)駁壓載水而使船舶在起吊時(shí)更好地處于平衡狀態(tài)。但如果起吊重物位于船艉部，便不能利用壓載來調(diào)節(jié)船舶配重。在這種情況下，為了使吊車起吊重物時(shí)保持船舶平衡，減小起吊重物時(shí)對(duì)船舶總縱強(qiáng)度的影響，就需要通過適當(dāng)方式來保證船舶平衡，但目前還沒有有效技術(shù)手段來解決這一問題。當(dāng)前主流思路是采用甲板鋼絲繩系固方式來實(shí)現(xiàn)。下文對(duì)這種系固方式的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)分析。

1 確定主吊機(jī)系固的布置和距離

對(duì)該吊車總體布置結(jié)合系固方式確定主吊車系固的布置和距離。根據(jù) 1,200,t吊車的總布置圖(見圖 1)，主吊車系固眼板布置位于主甲板之上，船長(zhǎng)方向距離主吊車中心線 60.57,m。模擬起吊重物位于船體艉部的時(shí)候，將吊車上部分旋轉(zhuǎn)180 °，可以看出需要在船體上設(shè)計(jì)一個(gè)牽拉固定裝置以匹配船體艉部起吊重物的重量，這個(gè)牽拉固定裝置即系固裝置。該系固裝置主要由主船體上系固結(jié)構(gòu)、系固滑輪組、滑輪軸、鋼絲繩等組成。

圖1 主吊車系固布置側(cè)視圖Fig.1 Side view of tie-back layout of the main hoist

根據(jù)廠家的滑輪組圖，確定了采用兩塊耳板對(duì)夾的結(jié)構(gòu)型式，即采用兩對(duì)主板附帶 4對(duì)腹板，再加上滑輪軸的聯(lián)接型式。該耳板采用主板 DH36的30,mm，腹板采用AH36的10,mm和20,mm兩塊作為加厚貼附。這樣兩組耳板可以將系固滑輪組限定在兩組耳板的間距范圍之內(nèi)，使滑輪組裝配之后能運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，同時(shí)在滑輪組和兩塊耳板之間預(yù)留了10,mm的間隙。由于該位置受到的載荷較大，我們采用的滑動(dòng)軸也是經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后的 34CrNi1Mo，端部采用卡軸板的型式，防止滑動(dòng)軸的松動(dòng)。該位置的滑輪軸采用h8配合，孔內(nèi)表面粗糙度為6.3，裝配時(shí)孔與軸的配合處都需要涂滿油脂。這種滑輪軸需要廠家提供相應(yīng)的化學(xué)成分分析和機(jī)械性能數(shù)據(jù)，作為后續(xù)結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)的核準(zhǔn)依據(jù)。

接著，根據(jù)總體結(jié)構(gòu)布置，優(yōu)化局部結(jié)構(gòu)型式，確定整個(gè)系固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案和圖紙。根據(jù)系固布置圖中的系固位置再結(jié)合主船體的基本結(jié)構(gòu)圖發(fā)現(xiàn)，最外側(cè)耳板位置剛好位于船體縱向艙壁 3,500,mm處，而連續(xù)的縱向艙壁能夠承受較大應(yīng)力，所以考慮充分利用該縱向艙壁，將耳板設(shè)計(jì)成與該縱向艙壁的一體式結(jié)構(gòu)，而增加的耳板理論線尺寸與主船體中的附件結(jié)構(gòu)的理論線存在一定偏差。為了保證主船體系固位置的確定性，決定在主船體中增加加厚插入板，使得增加的耳板插入到主甲板下面，保證主耳板的連續(xù)性，同時(shí)保證耳板理論線與主船體原始結(jié)構(gòu)理論線的一致性。而靠近船中內(nèi)側(cè)耳板距船中2,800,mm，本處雖然有縱骨，但是縱骨不足以抵抗重吊時(shí)的鋼絲繩拉力，所以在該位置需要增加縱向 T型材。T型材穿出甲板部分設(shè)計(jì)為眼板形式，由于眼板承受較大的拉力，縱向 T型材需要延伸到鄰近肋位，以保證眼板承受拉力時(shí)，載荷能傳遞到附近的主船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件上。另外為了防止耳板的屈曲變形，在耳板一圈增加弧圈作為加強(qiáng)，對(duì)所增加的兩對(duì)耳板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部反頂加強(qiáng)和增加橫向連接肘板等。焊接要求：眼板穿出主甲板位置的焊接需要全焊透，其余位置采用雙面連續(xù)焊即可。剩余的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作就是增加相關(guān)圖紙細(xì)節(jié)，完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙(見圖2)。

圖2 系固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.2 Schematic of tie-back structure design

最后，根據(jù)設(shè)備資料和方案設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行FEA[1]計(jì)算。因?yàn)樵撈鹬劁伖艽爰?jí)美國(guó)船級(jí)社，屬于海洋工程輔助船舶，所以 FEA計(jì)算需要依據(jù)美國(guó)船級(jí)社海洋工程輔助船規(guī)范(簡(jiǎn)稱為ABS OSV)進(jìn)行強(qiáng)度校核。同時(shí)該系固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也屬于吊裝分析范疇，因此，F(xiàn)EA的計(jì)算也需要依據(jù)ABS Guide for Certification of Lifting Appliance。對(duì)船體結(jié)構(gòu)按FEMAP要求進(jìn)行簡(jiǎn)化，板材按板架建模，球扁鋼簡(jiǎn)化為扁鋼型式，也按板架建模。耳板范圍分布于 FR26-FR27，因此選取了FR25-1400～FR28+1400的范圍進(jìn)行建模。由于該模型選取了船體內(nèi)局部建模，因此，除了底部位置為自由支持邊界條件，其他幾個(gè)方向均為根據(jù)X/Y對(duì)稱。該幾何模型的物理特性如下：主船體厚度20,mm以下的材質(zhì)為 AB/A，耳板位置 10,mm、20,mm厚度的腹板材質(zhì)為AB/AH36，30,mm厚度的材質(zhì)為 AB/DH36。根據(jù) ABS規(guī)范要求，普通鋼的最小屈服強(qiáng)度為235,MPa，高強(qiáng)度鋼的最小屈服強(qiáng)度為355,MPa。普通鋼和高強(qiáng)鋼共同的物理特性：楊氏模量為 205.8,GPa，密度為 7,850,kg/m3，泊松比為 0.3。一般結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，普通網(wǎng)格大小為 300,mm為宜，考慮到主吊車系固結(jié)構(gòu)承受較大的拉力，對(duì)此部分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格大小可以取 100,mm，然后按照FEMAP軟件操作，定義各區(qū)域位置不同的板厚。下面主要工作是確定力的加載條件，本結(jié)構(gòu)模型主要有3個(gè)作用力，即結(jié)構(gòu)自身重量、甲板載荷和鋼絲繩的最大拉力。結(jié)構(gòu)自身重量在建模時(shí)由FEMAP軟件根據(jù)材料特性(板厚和密度等)進(jìn)行計(jì)算自動(dòng)生成。甲板載荷可以查看甲板載荷分布圖(見圖 3)，該主甲板的甲板載荷為 12,t/m3，為均布載荷，可以按 FEMAP軟件要求加載到計(jì)算模型中去。

圖3 系固結(jié)構(gòu)FEA模型和綜合應(yīng)力圖Fig.3 FEA model of tie-back structure and comprehensive stresses

2 結(jié) 語(yǔ)

鋼絲繩最大拉力根據(jù)廠家提供的資料和力的分解原理得出鋼絲繩的最大拉力為 330,N。對(duì)于該結(jié)構(gòu)模型僅僅選取了一種工況條件，即3個(gè)作用力的安全系數(shù)均選取 1作為工況條件。最后對(duì)模型進(jìn)行加載，完成計(jì)算分析以及后處理。針對(duì)本文所述的系固眼板，因設(shè)定的網(wǎng)格大小為 100,mm，而本船的縱骨間距為700,mm，網(wǎng)格大小為1/7縱骨間距，所對(duì)應(yīng)的眼板結(jié)構(gòu)中板架單元的普通鋼的極限應(yīng)力為263,MPa，高強(qiáng)度鋼的極限應(yīng)力為361,MPa。根據(jù)ABS OSV規(guī)范，要求動(dòng)荷載和靜載荷混合作用下，眼板結(jié)構(gòu)中普通鋼的極限剪應(yīng)力為 125,MPa，高強(qiáng)度鋼的極限剪應(yīng)力為 188.8,MPa。應(yīng)用 FEMAP軟件計(jì)算后，眼板的最大綜合應(yīng)力為149,MPa，最大剪應(yīng)力為57,MPa，兩者均小于最大許用應(yīng)力。結(jié)果說明所設(shè)計(jì)的系固耳板及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，證實(shí)了系固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。

至此起重船的系固系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成(見圖 4)。系固結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)制作完成安裝實(shí)船之后，船東船檢一致反映這種系固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方便實(shí)用，達(dá)到了重吊時(shí)的平衡吊重要求。我們將這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路應(yīng)用于另外一條3,500,t起重船上，同樣收到良好的效果。說明這套關(guān)于重吊系固的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是行之有效的，希望可以為其他船廠或者設(shè)計(jì)公司提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

圖4 實(shí)船安裝完成之后現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.4 On-site photo of the installation

［1］ Rules for building and classing offshore support vessels ABS 2013[Z].

［2］ 杜魯輝，盧菲. 新 12000 DWT多用途重吊船開發(fā)設(shè)計(jì)[J]. 船舶設(shè)計(jì)通訊，2016(2)：23-27.

［3］ 趙耀中. 32000 DWT多用途重吊船總體設(shè)計(jì)[J]. 船舶設(shè)計(jì)通訊，2017(B04)：1-6.