潛水支持船大型潛水減壓艙組的安裝設計

付慶義，張家茂，林煥泉

（招商重工（深圳）有限公司，深圳518000）

1 前言

潛水減壓艙組是為潛水員提供加減壓氣體環境并兼具起居功能的艙室，一般由轉移艙（簡稱TL）和甲板減壓艙（簡稱DDC）組成，雙鐘潛水支持船由2臺TL 和4組DDC組成，安裝于船舶潛水甲板上，設備間通過對接法蘭連接并安裝于其獨立的基座上，其布置方式見圖1 所示。

圖1 潛水減壓艙室布置圖

潛水減壓艙組受船舶搖擺等運動的影響會產生運動加速度；設備運行時艙內需要充入高壓氣體，其壓力一般高達30 bar；其溫度會隨著環境溫度的變化而變化，由于環境溫度變化幅度很大，必須采取必要的措施，以保證設備和艙內潛水員的安全。

2 撬塊鞍座的滑移

從圖1可以看出，潛水減壓艙可以從CL 向左右分成左右兩部分，這兩部分左右對稱。為簡便起見，我們以左舷側的一半設備組來進行設備組的受力和位移分析。

采用有限元應力分析軟件，模擬潛水減壓艙組在船上的各種受力狀況，并加載環境溫度變化和壓力變化因素，將其分成數個載荷工況（一般為22 個）計算艙組每一個鞍座在每個載荷下的位移量。

經過有限元分析可知，自由鞍座沿撬塊的運動主要表現在沿其縱向的伸縮變化，最大的位移達到13.5 mm，如果不采取相應措施，設備及其基座將產生很大的應力，對設備和人員將產生很大的危險。

3 對安裝方案的要求

對安裝設計方案應滿足下列要求：

（1）盡量選用生產中相對成熟的技術手段；

（2）設備具備穩定、牢固的束縛，以保證其安全運行；

（3）合理設計在設備位移變化方向上的束縛，在為設備底座提供合理幅度的自由度的同時，不應產生非預期的其他方向上的自由度；

（4）可以釋放設備在船上正常運行以及環境變化而產生的所有附加應力；

（5）施工方案應合理、簡便、易于操作，并滿足船級社等管理當局的規則規范要求。

4 安裝方案設計

4.1 墊塊的選擇

（1）墊塊類型

在造船生產中常用的安裝方式有：鋼質墊塊、鋼質楔形墊塊、成品墊塊、環氧樹脂墊塊、吊架吊裝、設備直接與基座接觸安裝等。

對于潛水減壓艙的安裝，由于設備的校中要求比較高（每個撬塊罐體長度大于8m、寬度2.85m、直徑分別是和2.53m、每對對接法蘭之間的SAG 不大于1mm）、設備組鋪展面積大（達160 m2），所以必須使用墊塊。鋼質墊塊與鋼質楔形墊塊，由于撬塊底腳尺寸很大，每個撬塊底腳尺寸大約為寬300 mm、長2 000 mm，如果使用鋼質墊塊或鋼質楔形墊塊，為了保證墊塊與撬塊底腳以及基座面板間的間隙滿足建造質量要求，墊塊的加工將會非常困難。本設備為大型群組，由于彈性墊塊會引起設備之間的相對運動，對法蘭連接處產生額外的巨大的應力，所以各設備之間采用剛性法蘭連接。

近年來，出現了一種新型的可調節墊塊。這種墊塊由上下兩個圓柱狀鋼塊再加頂端一個球冠組成：兩個圓柱體由螺紋來實現相對運行，可調整墊塊高度；上端的球冠可以調整墊塊角度，即使上下安裝面偏離平行可正常安裝。但市場上還沒有見到較大尺寸的可調節墊塊，如果使用小型墊塊將很不經濟，吊架安裝方式也顯然不太方便。

環氧樹脂墊塊已成熟應用于船舶及海工設備的安裝施工中，其有如下幾方面的優點：

① 其對與之接觸的設備底座下表面和基座上表面的平面度、粗糙度等要求較低，可以免除機件表面的各種研配和機加工；

② 施工操作簡單方便，操作者稍加培訓便可進行施工操作；

③ 墊塊厚度在12～70 mm范圍內都可以澆注。特殊情況下，墊塊厚度薄至9 mm 亦可采取適當的加壓注入措施完成澆注；

④ 澆筑面積越大施工越方便、技術經濟性越高；

⑤ 各大船級社均接受環氧樹脂墊塊。

本項目的潛水減壓艙鞍座底腳面積大，其與下面基座之間的間隙大約為30 mm，因此可以考慮采用環氧樹脂墊塊，如圖2 所示。

圖2 環氧樹脂墊塊圖

（2） 受力分析

采用環氧樹脂墊塊需要進行受力計算，校核墊塊是否在可承受范圍以內。

受力計算時，需要選擇模塊的最不利受力工況，考慮墊塊所承受的所有壓力、承壓墊塊的面積，以及墊塊的力學參數進行綜合計算。本項目計算結果滿足船級社的相應力學要求，可以正常使用。

4.2 設備底腳的安裝緊固

下面以TL1的安裝為例，介紹潛水減壓罐組的緊固方案（DDC1的緊固與DDC2 類似）：

常規的設備緊固方法，包括螺栓連接、錨固連接、夾塊連接、漲緊連接等。由于減壓艙撬塊鞍座與其基座之間是平面連接，因此采用螺栓和夾塊聯合連接更為合適。

根據上面的分析，潛水減壓罐組在TL1左舷側的鞍座底腳固定的情況下，TL1的S2 鞍座在負荷工況改變時有向船中CL.滑移的可能，且滑移的幅度為2.5 mm；同時，S2 只存在沿Y向滑移的可能，在任何正常工況下均不會沿X軸方向滑移，因此可以在TL1 S1 鞍座處采用螺栓固定。

如圖3所示，在TL1S2鞍座處使用夾塊與擋塊連接：在X軸方向設置束縛，使鞍座無任何滑移空間；在Y軸方向上，在鞍座的左右舷側設置距離2.5mm 的束縛；另外，為了防止撬塊傾覆，在Z軸方向（垂直于X-Y平面方向）設置嚴格的束縛。

圖3 TL1 S2鞍座處的緊固

4.3 預留間隙

為了保證TL1 S2 可以向船中方向自由滑移，在焊接夾塊時給出了2.5mm 的自由空間。由于設備安裝時是處于船體靜態、罐體無內壓、冬季低溫狀態，所以2.5 mm的滑移空間位于運動方向一側；如果初始條件有變，滑移空間的左右分配需要以實際計算為準。

4.4 設置滑板

由上所述，采用環氧樹脂墊塊解決了墊塊的問題，選用螺栓-夾塊-擋塊方案解決了底座得到有效束縛的問題。但是環氧樹脂一般是同撬塊底腳下表面以及基座面板上表面粘合的，如果不采取適當的措施，當撬塊鞍座滑移時環氧樹脂將會被撕裂，使TL1還是不能順利地滑移，因此必須設計一套滑移板裝置（見圖4），使得定向滑移成為可能。

圖4 滑移板安裝示意圖

由圖4 可以看出：一個鞍座下的滑移板組合由一塊滑移板和兩塊凡士可板組成，兩者通過M3x8 mm長的自攻螺釘組合到一起，再通過M24x100 mm 的螺栓安裝到鞍座底腳板上。

環氧樹脂澆注前，將滑移板組件安裝到位，并按照安裝要求做好泡沫圍擋和澆注口等輔助工作，然后澆注環氧樹脂。這樣，環氧樹脂由滑移板和鞍座底板包圍，形成一個靴墊并與基座脫開，以利于鞍座與基座之間的相對滑移；當潛水減壓艙的鞍座滑移時，靴墊將隨鞍座一起在基座上滑動。由于有擋塊與夾塊的束縛，鞍座的滑移將在設計工況下進行而不會出現失控狀況。

4.5 DDC 的安裝緊固

DDC的安裝與TL 類似，不同之處是TL 靠舷側一端的鞍座S1 固定后，只在船舶左右舷方向上存在較大的位移變化，在順船長方向則無位移；而DDC有所不同，靠近TL 固定鞍座S1的DDC其側向滑移量很小，可以忽略。而靠近滑移鞍座S2 的DDC會受到TL 伸縮的連帶影響，產生順左右舷方向的滑移。為此，在設計固定方案時，在DDC有滑移趨勢的一側，設計一個相應的緩沖空間即可。

5 結束語

通過分析潛水艙的安裝要求，選擇了環氧樹脂作為墊塊、螺栓與夾塊聯合緊固、并設置滑板作為潛水減壓艙組的安裝方案。經過實船施工和檢驗，驗證了本安裝方案選擇正確，滿足設備的安裝要求，船東、船級社等有關各方均接受了試驗結果。

本安裝方案有如下特點：

（1）適應大型設備群組在復雜工況下的成組安裝要求；

（2）解決了大型矩陣式設備群組的安裝位移問題；

（3）為高溫差、高壓差設備的安裝提供了有效的解決方案；

（4）本方案引入了滑移板的概念，解決了設備滑移時環氧樹脂被撕裂破壞的問題，使本方案設計更為有效和實用。

參考文件

[1]中國船舶工業總公司編.船舶設計實用手冊（輪機分冊）[M].北京：國防工業出版社，1999.

[2]機械設計手冊編委會編.機械設計手冊（第2 卷）[M].北京：機械 工業出版社， 2004.

[3] 國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 150-2011固定式壓力容器， 2016.

[4] 全國船舶標準化技術委員會.CB/Z321—81 尾軸管及尾軸承環氧樹脂定位.1982.