大型半潛式起重船塢內(nèi)建造整體合攏方案論證

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(1.海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520；2.大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連 116023)

國內(nèi)外關(guān)于半潛式船舶建造整體合攏方案有很多種，傳統(tǒng)海洋平臺整體建造方式和普通船舶一樣，均是自下而上逐層建造，俗稱“搭積木”的建造方式。該方式占塢周期長、后期高空作業(yè)多、上下組塊無法并行建造[1-3]。整體合攏方案有總段吊裝合攏方式，上組塊提升、下組塊滑移合攏方式和上組塊頂升、下組塊滑移合攏方式等[4-5]。其中總段吊裝合攏方式需要船廠具備大型龍門吊，上組塊提升、下組塊滑移需要在場地布置大量提升塔架，對于整體建造周期不利。上組塊頂升、下組塊滑移合攏方式只需要布置數(shù)套頂升設(shè)備，對于船廠龍門吊和場地面積等要求不高。由于具有較大的舉升能力，頂升合攏方式允許上部模塊合攏時有較高的完成度，可有效降低碼頭舾裝作業(yè)量，對降低整個建造周期有利。本文重點研究大型半潛式起重船塢內(nèi)上組塊頂升、下組塊滑移合攏方案，關(guān)于建造場地支墩布置校核、頂升-滑移設(shè)備選型與布置校核和出塢方案進行分析。

1 塢內(nèi)建造和頂升滑移合攏方案概述

大型半潛式起重鋪管船塢內(nèi)建造整體合攏采用以下步驟：①在船塢內(nèi)布置支墩和支撐；②建造船舶上組塊和下組塊分別在支墩和支撐上建造；③在上組塊的底部布置多個頂升設(shè)備；④利用頂升設(shè)備將上組塊頂升到預(yù)定高度；⑤在下組塊的底部布置數(shù)十個滑移設(shè)備；⑥由滑移設(shè)備將下組塊滑移至上組塊底部；⑦將滑移設(shè)備下調(diào)，下組塊落至支墩上，并撤離滑移設(shè)備；⑧頂升設(shè)備同步降低，使上組塊和下組塊觸碰完成大合攏作業(yè)；⑨拆除全部頂升設(shè)備，移出各類設(shè)施，合攏完畢。船舶塢內(nèi)建造過程中，塢底的強度校核非常關(guān)鍵，塢底布墩和頂升-滑移設(shè)備布置都需要滿足塢底的承載強度要求。

布墩和頂升-滑移設(shè)備應(yīng)布置在船底橫向和縱向強結(jié)構(gòu)處，考慮到平臺底部結(jié)構(gòu)特點，支墩均采用線性布置。為了防止支墩和設(shè)備出現(xiàn)局部破壞，需要結(jié)合上下組塊模塊特點與實際施工情況，匯總重量誤差精確估算出實際重量和重心分布。在布置方案前，運用有限元數(shù)值分析建立上下組塊有限元模型，選取上下組塊各強構(gòu)件節(jié)點，計算出各個節(jié)點的重量分布[6]。

2 半潛式起重船和船塢場地介紹

該船是一艘柱穩(wěn)式的多功能半潛起重船。該船能夠在復(fù)雜海況環(huán)境條件進行多種海洋工程作業(yè)，最大起吊能力10 000 t(2×5 000 t)；能夠布置深水J型管，最大作業(yè)水深2 800 m；能夠完成水下結(jié)構(gòu)物吊裝、安裝和多種水下生產(chǎn)設(shè)施安裝工作。

某船廠船塢塢長420 m，塢寬110 m，船塢底表高8.1 m，塢墻頂標高5.8 m，船塢深13.9 m。塢底各個區(qū)域承載力各不相同，塢底最大線載荷為3 MN/m，塢底最大面載荷為400 kPa。考慮到船廠場地和龍門吊等起重設(shè)備情況，提升設(shè)備占用空間大，船塢內(nèi)擺放不開，該船廠龍門吊也不具備3.5萬t左右起重能力，上組塊和下組塊在建造當中去需要除去生活樓、系泊絞車、J型架、推進器和主吊機的重量，上組塊重34 331 t，下組塊重40 118 t。

3 半潛式起重船場地布置

該船上組塊和下組塊均在船塢內(nèi)建造。下組塊分為2個分段建造，沿船塢長度方向布置在塢內(nèi)，上組塊和下組塊均在船塢中心線對稱布置。每個下浮體下設(shè)置2條長390 m，寬2 m的滑道，用以布置下組塊滑移所用滑移設(shè)備，見圖1。

3.1 上組塊和下組塊建造支墩布置和承載力分析

上組塊重量大小為34 331 t，最少需要布置181個支墩；下組塊重量大小為40 118 t，最少需要布置211個支墩。考慮到該半潛式起重船尺寸和結(jié)構(gòu)分布，上組塊布置286個支墩，下組塊布置356個支墩。由工程均布載荷計算方法可知上組塊支墩承重為120 t，下組塊支墩承重為112 t。通過有限元分析計算可知，上組塊和下組塊支墩布置及承重分布見圖2。上組塊支墩最大承重為131.7 t，下組塊支墩最大承重為247.6 t，塢底所受最大承載載荷約為309.5 kPa。塢底最小面載荷承載力為400 kPa，支墩對地基的最大面壓強小于地基最大面載荷承載力。

圖1 半潛式起重船的建造布置

圖2 組塊支墩布置及承重分布

3.2 上組塊和下組塊合攏墩布置和承載力分析

頂升作業(yè)開始后，撤上組塊的建造支墩，需要布置合攏支墩。合攏后上下組塊重量為74 449 t，需要布置652個支墩。由工程均布載荷計算方法可知合攏墩承重為114.2 t。通過有限元分析計算可知，合攏墩布置及承重分布見圖3。

圖3 合攏墩布置及承重分布

合攏墩最大承重為265.2 t，塢底所受最大承載載荷約為331.5 kPa。塢底最小面載荷承載力為400 kPa，支墩對地基的最大面壓強小于地基最大面載荷承載力。

4 頂升滑移設(shè)備選取與場地布置

頂升滑移設(shè)備選取需要綜合評估上組塊和下組塊重量大小，并且考慮船塢塢底最大承載力。此半潛起重船建造過程中，去除了生活樓、系泊絞車、J型架、推進器和主吊機的重量，這些裝備設(shè)施在船舶合攏完成后在舾裝碼頭統(tǒng)一安裝。

4.1 頂升設(shè)備選取

大位移頂升技術(shù)是液壓整體頂升技術(shù)的一種。該技術(shù)采用支撐結(jié)構(gòu)承重、液壓缸集群、液壓同步頂升，可以在地面完成成千上萬噸的結(jié)構(gòu)物頂升作業(yè)。在國外，上世紀70年代便有了利用對大型結(jié)構(gòu)物的大位移頂升。現(xiàn)今世界上頂升技術(shù)較為成熟的公司主要有2家，分別是荷蘭瑪蒙特和英國恩利公司。綜合對比2家的設(shè)備廠品后，選取恩利公司MJS5200頂升系統(tǒng)作為該方案的頂升設(shè)備。選用12套MJS5200頂升系統(tǒng)，每套頂升系統(tǒng)的頂升能力為5 200 t，總頂升能力達62 400 t，安全系數(shù)達1.82，大于平均安全系數(shù)1.46。MJS5200頂升系統(tǒng)見圖4。

圖4 MJS5200頂升系統(tǒng)總體示意

4.2 滑移設(shè)備選取

滑移設(shè)備主要是包括滑靴、滑移梁、推進系統(tǒng)和槽型鋼板滑道。目前掌握滑移技術(shù)的公司較多，國外主要有英國恩利、意大利法基羅和荷蘭瑪蒙特3家公司。為提高深水半潛式其中鋪管船的建造效率、降低總成本，綜合對比3家的設(shè)備廠品后，選取恩利公司SPSS-1000作為本方案滑移設(shè)備。每套滑移設(shè)備滑靴的支撐重量為1 000 t，支撐系數(shù)為1.99。SPSS-1000滑靴見圖5。

圖5 SPSS-1000滑靴結(jié)構(gòu)示意

4.3 頂升設(shè)備底座布置和承載力分析

在頂升設(shè)備下需要布置底座，底座可以把頂升設(shè)備和上組塊重量均勻分布至塢底。上組塊總重量為34 331 t，12套MJS5200液壓頂升系統(tǒng)布置在上組塊下方。上組塊頂升過程中，載荷由頂升塔架傳遞至底座。由工程均布載荷計算方法可知底座承重為5 721 t。通過有限元分析計算可知，頂升塔架底座布置及承重分布圖見圖6。

圖6 頂升塔架底座布置及承重分布

頂升塔架底座最大承重為8 008.6 t，塢底所受最大承載載荷約為250 kPa。塢底最小面載荷承載力為400 kPa，底座對地基的最大面壓強小于地基最大面載荷承載力。

4.4 滑移設(shè)備布置和承載力分析

下組塊分段滑移過程中，每條滑道上均布置2行滑移設(shè)備。在下組塊的60#、90#、130#、170#、200#、230#、260#、280#、305#和330#強肋位下方布置液壓滑靴。在下組塊模塊滑移過程中，4條滑道橫向布置了8行，縱向布置10列液壓滑靴。每個液壓滑靴有效支撐長度為5.5 m，80個液壓滑靴提供的縱向有效支撐長度為220 m，認為左右兩側(cè)的液壓滑靴分擔的重量相同,液壓滑靴對塢底最大線壓力為2.67 MN/m。塢底最大線壓力為3 MN/m，但是有2條滑道在未知線壓力區(qū)域。需船廠請專業(yè)檢測公司核實塢底承受線壓力大小，如果滿足2 MN/m，則不需加強塢底，如果不滿足，則需要局部加強塢底至2 MN/m。滑靴布置見圖7。

圖7 塢內(nèi)分段滑移方案滑靴布置示意

5 出塢方案

已知全船總重量大小是111 384.5 t，吃水為10 m。合攏后的船舶總重量大小是74 449 t，由CATIA中三維模型截取體積可知，現(xiàn)階段吃水為6.9 m。支墩高3.1 m，船塢最大水高9 m，如果合攏后船舶想要出塢，吃水需要低于5.9 m。因此在下浮體內(nèi)側(cè)布置4個浮箱。浮箱長50 m，寬10 m，高10 m。浮箱從80#到180#肋位，180#到280#肋位。在180#肋位，2個相鄰浮箱連接在一起。浮箱布置[7]見圖8。

浮箱完全吃水提供浮力205 MN，重691 t。綜合計算可知目前組合后的吃水高度為5.65 m，低于5.9 m，可以出塢。

圖8 浮箱布置示意

6 結(jié)論

1)有限元方法相較于工程經(jīng)驗計算方法，計算結(jié)果更加準確，對支墩布置和整體合攏布置有指導(dǎo)意義。

2)如果上下組塊支墩布置在非強結(jié)構(gòu)位置，船體底部局部會出現(xiàn)應(yīng)力集中，塢底支墩會出現(xiàn)重量分布不均勻。

3)塢底承載最大線面壓力需要請專業(yè)檢驗公司進行核查，以防出現(xiàn)船塢底部破裂和塌陷情況。

4)該方案論證提供一種針對大型半潛式船建造合攏方案，為缺少大型龍門吊中小型船廠提供了合理計算方法和借鑒。