54000噸自卸駁改裝技術(shù)簡介

蘇東方 劉奇 張云風(fēng)

摘要：本文介紹了一型57000常規(guī)散貨船改裝為54000噸自卸駁的技術(shù)設(shè)計過程及難點。作者就該輪自卸設(shè)備布置，安裝過程中的精度控制，克令吊底座的強(qiáng)度校核，等進(jìn)行簡要的概述。

關(guān)鍵詞：自卸改裝;自卸設(shè)備布置;精度控制;克令吊底座設(shè)計

0? 引言

船舶改裝項目，意指改變原船舶用途和性能，按照現(xiàn)行規(guī)范要求對船舶的船體，設(shè)備，系統(tǒng)，性能等進(jìn)行大型修改的修理項目。因其涉及的系統(tǒng)多，范圍廣，所以對于設(shè)計水平要求較高。但又因其產(chǎn)值高，利潤高，邊際貢獻(xiàn)率高，對于船廠來說，改裝項目是必須爭取的市場資源。近年來改裝船市場雖然有所降溫，但是針對于改裝船技術(shù)的研究卻在不斷的深入。

1? 改裝目的

該輪改裝內(nèi)容為將一型常規(guī)57000 DWT散貨船改裝為54000 DWT自航式港口貨物駁運船，為特定港口的一些大型遠(yuǎn)洋貨物運輸船無法靠岸時，提供貨物駁運服務(wù)。（圖1）

2? 改裝前后主要尺度及數(shù)據(jù)對比

該輪改裝前后的主要尺度機(jī)數(shù)據(jù)對比如圖2。

3? 自卸設(shè)備的布置

該輪原船為57000 DWT散貨船，主甲板除去貨艙大開口及尾部上建區(qū)域，空間十分有限，而新加的自卸設(shè)備數(shù)量多，外形大，給甲板上的設(shè)備布置造成了極大的困難。

主要的新加甲板設(shè)備含左右后三條貨物輸送帶;一臺可以移動的龍門吊; 4個大型料斗; 4臺SWL50噸的甲板克令吊等。要在如此有限的甲板空間上合理的布置這些自卸設(shè)備，同時考慮到對原船結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)的影響降到最小是十分困難的。自卸設(shè)備布置如圖3所示。

3.1 左舷自卸設(shè)備布置

左舷甲板設(shè)備布置包括：行走龍門吊一臺，含長度約145m的軌道;縱向提升輸送帶一套;4臺護(hù)舷絞車;龍門吊鎖死立柱;BOOM擱架等。（圖4）

原船左舷甲板凈使用寬度約5.9m，而龍門吊軌道的加強(qiáng)立柱的外口尺寸已經(jīng)接近5.9m，內(nèi)部還要布置整條自卸布置輸送帶，4個護(hù)舷絞車，同時要為甲板通道及龍門吊的電纜托架預(yù)留空間，布置起來非常困難。經(jīng)過與設(shè)備商的反復(fù)的討論，最終提供了兩版方案供船東選擇。第一版的核心思想是保證甲板上有足夠的空間，將主甲板向舷外擴(kuò)展900mm;第二版的核心思想是避免對甲板進(jìn)行大范圍改造，將自卸設(shè)備都布置在原左舷甲板上，兩種方案布置具體如圖5。

顯然第一種方案，對于設(shè)備布置更為有利，同時便于船廠的生產(chǎn)設(shè)計。但是對于整個船中區(qū)域的甲板延伸需新加鋼材近百噸。第二種方案，減小了設(shè)備布置的空間，但相對于第一種方案可以節(jié)省近百噸鋼材。最終船東選擇了第二種布置方案，在后續(xù)的生產(chǎn)設(shè)計過程中我們發(fā)現(xiàn)，左舷的空間確實極為緊湊，對于護(hù)舷絞車的操作較為困難。

艏艉部線型收縮，寬度不滿足要求，需新加延伸平臺。艉部上建區(qū)域在寬度方向和高度方向均不能滿足自卸設(shè)備的安裝要求。需對老上建需部分割除或移位。

3.2 右舷自卸設(shè)備布置

右舷甲板設(shè)備布置包括：4臺甲板克令吊及底座;縱向輸送裝置一套;4個料斗;4個抓斗及抓斗平臺;3個護(hù)舷絞車等。（圖6）

右舷的設(shè)備布置同樣要對艏艉部的主甲板進(jìn)行延伸，艉部上建同樣需要部分割除。設(shè)備布置時除了要考慮空間位置外，還要保證貨物的裝卸原理及各個設(shè)備之間的配合關(guān)系，如克令吊與料斗的位置關(guān)系，克令吊與抓斗及擱架的位置關(guān)系等。對于艉部的自卸設(shè)備布置類似于左右甲板，故不在此贅述。

4? 自卸設(shè)備安裝的精度控制

自卸設(shè)備安裝的精度控制是自卸改裝過程中的核心過程，是保證設(shè)備能順利調(diào)試的前提條件。該輪自卸設(shè)備的安裝的精度控制分為兩個關(guān)鍵過程：

4.1 設(shè)備安裝基準(zhǔn)線（面）及中心線確認(rèn)

確定設(shè)備安裝基準(zhǔn)線（面）及中心線是自卸改裝過程中的一個難點。原因有以下幾個方面：

①改裝船多為運行過一段時間的船舶。在使用過程中，原船結(jié)構(gòu)已經(jīng)存在一定的變形，相對于新造船，難以確認(rèn)一個全船統(tǒng)一的安裝基準(zhǔn)線（面）。

②船舶在改裝過程中，大多在浮態(tài)下進(jìn)行，一些3維精度定位儀器無法使用。

③自卸設(shè)備相互間有精度配合關(guān)系，安裝基準(zhǔn)線（面）及中心線的選取不僅要在一個設(shè)備或一個區(qū)域滿足精度要求，對于整個自卸系統(tǒng)在全船范圍內(nèi)的精度配合均要滿足。

下文以該輪行走龍門吊軌道的安裝為例，具體描述安裝過程的基準(zhǔn)線（面）及中心線選取方法。因該輪左舷主甲板上需要安裝一個行走的龍門吊，因此在FR46到FR214之間需要安裝龍門吊軌道。龍門吊與軌道的配合關(guān)系如圖7。

從圖7中我們可以看到，龍門吊通過行走的軌道輪及限位輪將龍門吊固定在軌道上，龍門吊的長度方向主尺度約24m，限位輪與軌道方鋼理論間隙4mm。軌道的典型橫剖面如圖8。

設(shè)備商要求軌道橫向間距誤差范圍±10mm，高度誤差范圍±10mm。看似十分簡單的要求，但在船舶浮態(tài)下操作時卻是困難重重。

問題1：以什么為基準(zhǔn)確定距中10630和15630距中中心線和距基線20330高度基準(zhǔn)線。

問題2：如何向船東及設(shè)備商驗證每一段軌道的安裝在精度范圍內(nèi)。

針對于問題1，我們初始的想法是以NO.3的艙口圍的側(cè)板及頂板為基準(zhǔn)，但經(jīng)過實船測量，發(fā)現(xiàn)NO.3后艙口圍自身變形已經(jīng)很大，如果放大到全船，僅高度誤差接近200mm。而后我們通過激光定位儀對原船的數(shù)據(jù)進(jìn)行了大量的采集，同時通過對所有軌道立柱處的橫向梁拱值實測進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)NO.2，4艙兩個艙的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)較為接近，最終確認(rèn)使用NO.2，4艙口圍縱壁及頂板實測數(shù)據(jù)的均值作為基準(zhǔn)來確定軌道安裝的基準(zhǔn)線。同時考慮到原船中拱最大值已經(jīng)高達(dá)60mm，需要在底座設(shè)計時，在下口加放足夠的余量，方可保證軌道的順利安裝。

針對于問題2，因為該軌道全場約147m，我們將其劃分為約12m一段，船東及設(shè)備商要求對每一段的軌道都要交驗。考慮NO.1，3，5艙口圍已經(jīng)有不同程度的變形，不能作為交驗基準(zhǔn)。只能以NO.2，4艙艙口圍拉好的基準(zhǔn)線為基準(zhǔn)，但是由于拉線鋼絲在一定范圍內(nèi)會存在撓度，因此也不能滿足要求。只能同通過激光定位儀，提前打好相關(guān)的精度基準(zhǔn)線，同時在每一段軌道范圍內(nèi)做好標(biāo)桿，同時標(biāo)桿的設(shè)定要得到船東和設(shè)備商的認(rèn)可，避免后期對于交驗基準(zhǔn)存在分歧而無法交驗。此處需注意標(biāo)桿一定要在軌道安裝前設(shè)定，因后期施工時船上環(huán)境極為復(fù)雜，很難有條件在全船范圍內(nèi)使用激光定位儀。

4.2 自卸設(shè)備間的配合關(guān)系要滿足設(shè)備商要求

要明確自卸系統(tǒng)的精度配合關(guān)系，我們首先對自卸系統(tǒng)的工作過程做一個簡要的敘述。首先甲板克令吊通過抓斗將貨艙內(nèi)的貨物（礦石等）抓至料斗，料斗通過喂料口將這些貨物源源不斷的輸送到右舷的縱向輸送帶上，然后經(jīng)過右舷輸送帶轉(zhuǎn)至艉部橫向輸送帶，再由艉部橫向輸送帶將貨物轉(zhuǎn)至左舷的縱向提升輸送帶，再經(jīng)由行走龍門吊上的BOOM輸送帶將貨物運送到指定的位置。由此我們可以看出該自卸系統(tǒng)實際上是一個整體的自卸系統(tǒng)，左，右，后3條輸送帶，料斗，龍門吊及縱向提升裝置等均有固定的配合精度要求，因此在安裝時要整體考慮，統(tǒng)一基準(zhǔn)才能保證設(shè)備的順利安裝。以下將以縱向提升裝置，縱向輸送帶及龍門吊的安裝為例進(jìn)行說明。

由圖7、圖9我們可以看出龍門吊及縱向提升帶之前的配合關(guān)系及配合精度要求。同時也再次驗證了同一個精度基準(zhǔn)的重要性。

5? 克令吊底座設(shè)計

該輪右舷新加4臺SWL50噸重型甲板克令吊，克令吊的塔體，吊臂及中間過渡段由設(shè)備商提供，克令吊底座由船廠提供。克令吊底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計及強(qiáng)度計算由設(shè)計公司負(fù)責(zé)提供，并送審。

5.1 有限元模型

克令吊底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計分為兩個部分，一部分為主甲板上的新加結(jié)構(gòu)，第二部分為主甲板以下延伸至貨艙區(qū)域的克令吊底座的加強(qiáng)。以下將以NO.1克令吊底座及加強(qiáng)的設(shè)計作為例子詳解，克令吊底座及加強(qiáng)模型如圖10。

船體模型來自原船MARS模型，通過“MSC.PATRAN”軟件并對新加的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行完善并進(jìn)行有限元分析，校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

5.2 材料屬性

結(jié)構(gòu)的材質(zhì)屬性有3種，分別為“A”，“AH32”，“AH36”對應(yīng)的屈服強(qiáng)度分別為235MPa、315MPa、355MPa。按照船級社規(guī)范，對于以上3種材質(zhì)用于克令吊底座及加強(qiáng)的安全許用應(yīng)力如圖11。

3種材質(zhì)對于船體結(jié)構(gòu)的安全許用應(yīng)力如圖12。

5.3 載荷施加

5.3.1 克令吊工作狀態(tài)下的工況載荷

克令吊工作狀態(tài)下的載荷的施加由設(shè)備商提供，對于甲板以上的底座結(jié)構(gòu)，主要載荷為克令吊在工作狀態(tài)下的彎矩，剪切應(yīng)力及扭矩的校核;對于主甲板以下的結(jié)構(gòu)，還要考慮結(jié)構(gòu)參與原船總縱彎曲等初始應(yīng)力的影響。

設(shè)備商對克令吊的載荷工況有以下3種定義：

工況1：無風(fēng)狀態(tài)下的滿負(fù)荷;

工況2：有風(fēng)狀態(tài)下的滿負(fù)荷;

工況3：克令吊承受異常負(fù)載。

3種工況下的載荷施加如下：

工況1a：彎矩：35605kNm;正應(yīng)力：2375kN;剪切應(yīng)力：224kN;扭矩：5921kNm。

工況1b：彎矩：42051kNm;正應(yīng)力：2572kN;剪切應(yīng)力：242kN;扭矩：6995kNm。

工況2：彎矩：35983kNm;正應(yīng)力：2375kN;剪切應(yīng)力：224kN;扭矩：6854kNm。

工況3：彎矩：38478kNm;正應(yīng)力：2510kN;剪切應(yīng)力：0kN;扭矩：2431kNm。

顯然，工況1b為最危險工況，我們僅需施加該工況下的載荷即可。另外，克令吊的工作狀態(tài)為360度全回轉(zhuǎn)運動，因此計算時需按照每旋轉(zhuǎn)45度計算一次載荷。

5.3.2 原船載荷

原船載荷，選取FR193作為計算截面，應(yīng)力直接從MARS種讀取。（圖13）

5.3.3 計算結(jié)果

對于主甲板以上的克令吊底座僅承受克令吊底座工作狀態(tài)下的工況載荷，結(jié)構(gòu)分析結(jié)果如圖14。

由圖14我們可以看出按照設(shè)備商提供的工況下計算的克令吊底座及加強(qiáng)最大應(yīng)力（MAX STRESS）均在材料的許用應(yīng)力（ALLOWABLE STRESS）范圍內(nèi)。

對于主甲板以下的外板，主甲板及上邊艙框架結(jié)構(gòu)等，不僅要承受克令吊工作狀態(tài)下的工況載荷，同時要參與船體總縱強(qiáng)度等，復(fù)合載荷的計算方法如下：

復(fù)合載荷下的應(yīng)力分析結(jié)果如圖15。

由圖15我們可以看出原船外板，主甲板及上邊艙框架等結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力（MAX STRESS）均在材料的許用應(yīng)力（ALLOWABLE STRESS）范圍內(nèi)。

通過以上的計算分析，克令吊底座，加強(qiáng)及原船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計滿足船級社規(guī)范要求。

6? 結(jié)論

本文就一型57000DWT常規(guī)散貨船改裝為54000DWT自卸駁的改裝難點進(jìn)行了簡要的介紹。自卸船改裝的重點是合理的設(shè)備布置和對總體穩(wěn)性的計算，難點是施工過程中的精度控制。只有解決了以上兩個問題，才能保證自卸設(shè)備的順利調(diào)試，進(jìn)而完成改裝任務(wù)。希望通過本文的介紹對于同類改裝的船舶提供參考。

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