多功能吊杠開發與應用研究

于海濤

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

隨著世界對深遠海油田的大力開發，以及國際市場對FPSO 和其他類型海工產品需求量不斷增加，同時伴隨著我國大型浮吊的起重能力提高，超大型海洋功能模塊建造數量、體積、噸位也在快速增大。功能模塊包含設備體積小、種類多、功能大，價值昂貴，但整體結構強度偏弱，所以在吊運安裝過程中必須保證模塊本身結構、設備底座及吊耳受力均勻，避免有害側向分力的產生。否則模塊結構會產生鋼性變形，甚至斷裂，提高模塊整體毀壞的 風險。如果保護不妥，吊裝索具也會對模塊設備產生破壞。所以一種科學、合理、通用吊裝工具（吊杠）設計是不可缺少的[1]。

現有浮吊設備一般都由2個主鉤或4個主鉤組成，其2 個主鉤距離約5 m，4 個主鉤間距為5 m× 6 m，而模塊吊耳設置距離通常為12 m～20 m 或更遠，所以必須使用吊杠來進行距離調整，以提高吊車適用性。

1 研究方法及步驟

大連中遠海運重工有限公司（以下簡稱：大連中遠海運重工）承造的“旭日東升”輪為例，該船主尺度：

總長Length O. A.：315.00 m； 型寬Breadth (MLD.)：60.00 m；

型深Depth (MLD.)：28.45 m；

載重噸Deadweight (at scantling d raft): A bt. 258.034 M.T.

1.1 確定吊杠的基本形式

1）“旭日東升”輪模塊重量及外形參數分析

“旭日東升”輪上部模塊為桁架式結構，由支柱、平臺、管系和設備組成。1PW、2PW、3PW、4PW、5PW 模塊位于左舷側和甲板位置，底部支柱為不等高式桁架結構，由3 層～4 層平臺和支柱組成、管系較多、無設備；2P、3P、4P、5P、6P 模塊位于甲板左側，結構形式為桁架式結構，由2 層～3 層平臺和支柱組成、管系和設備都很多；1S、2S、3S、4S、5S、6S、7S 模塊位于甲板右側，結構形式為桁架式結構，由3 層～4 層平臺和支柱組成、設備較多。具體模塊重量及外形參數見表1。

表1 模塊參數表

根據對模塊重量和大連中遠海運重工現有1 200 t、1 000 t 吊車參數分析，決定設計1 200 t 噸位吊杠以滿足模塊吊裝要求。1 100 t 以下模塊將采用大連中遠海運重工原有800 t 形式或單1 200 t 形式，超過1 100 t 模塊將采用800 t 和1 200 t 組合形式，1 200 t吊杠吊耳間距根據模塊吊耳距離設計，見圖1。

圖1 吊杠吊點間距（單位：mm）

2）1 200 t 吊杠結構形式選取

由于模塊整體結構強度較弱，所以在吊裝過程中必須保證模塊本身吊耳受力均勻，避免有害側向分力的產生，否則模塊結構也會發生塑性變形，甚至斷裂，提高模塊整體破壞的風險。國內外各大海洋工程建造或改裝船廠均采取工裝吊杠吊裝模塊的形式。工裝吊杠基本分為方型吊架、箱型吊杠、管狀吊杠等。

圖2 吊杠型式示意圖

3）3 種吊杠對比及優缺點分析

方型吊架的優點：能保證吊耳垂直受力，降低吊運高度，穩定性高，適用大噸位吊運。缺點：制作成本高，重量大，不具有通用性，只適用一種尺寸模塊。

箱形吊杠的優點：適用小噸位吊裝，具有靈活性。缺點：不能適用于大噸位模塊吊裝，穩定性較差。

管狀吊杠的優點：結構簡單，制作成本較底，通用性強，穩定性能高，適用用大噸位模塊吊裝。缺點：需要配備索具量較多。

根據以上對比，決定吊杠主體采用管狀吊杠形式，此種圓形截面相比其他形式吊杠具有穩定性好，結構輕巧、節省材料、焊接工作量少等優點，設計完畢后吊杠能覆蓋所有模塊吊裝工作。

1.2 吊杠強度校核

1）吊杠吊耳強度校核

由于吊杠起吊的重物重心可能不在中心位置，故設計的吊杠允許起吊的重物的重心在距中左右各1.5 m 的范圍內。這時，吊耳應能承受的載荷P 為675 t。

式中：P 為吊耳承受外力，t，在此取675 t。故上部吊點每個吊耳應至少承受675 t 的力，下部吊點每個吊耳應至少承受337.5 t 的力。

圖3 吊杠簡化受力分析

由于吊耳采用AH36 高強鋼，其屈服極限為σs=355（MPa），剪切應力極限為τs=0.6σs=213（MPa），根據鋼結構標準，拉應力取其安全系數為5，剪應力取其安全系數為3，則許用拉應力[σ]=σs/5=71（MPa）=710（kg/cm2），許用剪切應力[τ]=τs/3=71（MPa）=710（kg/cm2），上部吊耳正應力計算面積為A1，下部吊耳正應力計算面積為A2。

σs為屈服極限；τs為剪切應力極限，N/mm2；[σ]為許用拉應力，N/mm2；[τ]為許用剪切應力，N/mm2；A 為吊耳正應力計算面積，mm2。

上部吊點每個吊耳應至少承受675 t 的力，故取P1=675 t，所以A1至少為950 cm2。

下部吊耳的機械強度校核為

下部吊點每個吊耳應至少承受337.5 t 的力，故取P2=338，所以A2至少為476 cm2。吊點直接與卸扣連接，所以上部吊點應與700 t 卸扣匹配、下部吊點應與350 t 或400 t 卸扣匹配。經查國家標準350 t /400 t/700 t 卸扣參數如表2 所示。

表2 卸扣參數表

根據以上計算和卸扣參數對照，上部吊點與下部吊點吊耳設計形式如圖4 所示。

圖4 吊耳結構圖

2）吊杠整體強度有限元計算

吊杠結構的整體強度是吊杠設計必須考慮的問題之一，在傳統的設計和計算中，以滿足局部強度作為吊杠設計必要條件，同時認為是滿足整體強度必要的。但很多因素是在吊杠使用過程中無法事先判斷的，因此在人們關注的安全問題中，整體強度成為焦點問題。隨著有限元計算方法的應用及引入，各種有限元計算軟件被用來進行吊杠整體強度分析和校核。

解決工程和數學物理問題的數值方法是有限元方式，也被稱為有限元單元法，是矩陣方法在結構力學和彈性力學等領域中的應用和發展[2]。由于它的實用性和有效性，有限元方法被廣泛應用在工程分析中，已成為計算機輔助設計和計算機輔助制造的重要組成部分。

本吊杠整體強度計算基于FEMAP有限元前處理軟件，整個結構模擬為4 面體的體單元并根據實際情況對吊杠的結構形式進行適當簡化，如圖5。

2.2.5 腹壁膀胱造瘺口的護理:教會病人更換造口袋的方法和技巧,指導患者一般5-7天更換造口袋一次,在發現造瘺袋底盤粘貼不緊或分泌物多時應及時更換,鼓勵患者和家屬在護士的指導下親自操作,確保熟練掌握,消除患者的顧慮,減輕恐懼心理,增加生活的自信。

圖5 吊杠結構有限元計算模型

結構物理量：鋼材比重為7.85 t/m3；楊氏模量為2.1×105N/mm2；泊松比：0.3。

吊杠結構型式簡介：

1）此1 200 t 吊杠主體長度為25 m，由11 張厚度為40 mm、材質AH36 鋼板卷制成φ1 200 mm 的鋼管并焊接而成。

2）此主梁上部安裝有4 只安全工作負荷為692 t的吊耳，吊耳主立板厚度為80 mm，穿透整個主梁，吊耳中心之間距離根據FPSO 模塊吊耳間距設置分別為3 100 mm、18 150 mm、2 700 mm，位于主梁中心位置平行安裝。

3）主梁下部設置12 只吊耳，每只的安全工作負荷為346 t。每2 個吊耳為一對，分別位于與上部吊耳成90°夾角的大型三角板2 個端點處，此種設計便于卸扣鋼絲繩連接。此三角板厚度為50 mm，中間4 塊三角板中間開直徑1 200 mm 圓孔直接焊接在主梁上，兩側為實心三角板與主梁端部焊接。此種設計不僅對主梁起了局部加強作用，還對上部吊耳起到肘板效果，而且有助于力的分散與傳遞[3]。

4）為了讓主梁結構局部強度達到使用要求，特別在主梁內部距離中心1 415 mm、1 840 mm 處增加2 道T 型材進行加強。

3）計算工況及載荷選取

根據吊杠的結構，選取了使用吊杠最遠端吊耳進行作業的典型工況進行計算，載荷選取模塊的重量和吊杠結構自身重力（不包括鋼絲繩、卸扣等重量，略小于實際載荷），經計算給出了工況下吊杠結構的應力和變形云圖，同時計算出了該工況下吊杠整體結構的最大應力值及變形值。

吊耳強度已經通過計算，在吊杠整體強度的有限元計算中吊耳的約束及其點載荷的受力特點比較特殊，不予考慮，最大應力值的計算結果為σmax=156 098 976 N?m2，如圖6。依據API 2A 或CCS《鋼質海船入級與建造規范》第2 篇第2 章的有關規定取應力衡準：

許用相當應力[σe]=234 N/mm2，滿足要求。

最大應變值Emax=28 m m，如圖7。滿足模塊吊運的整體變形要求。

圖6 吊杠應力云圖

4）吊杠穩性分析與計算

圖7 吊杠變形云圖

壓杠的穩定性是指壓杠保持原有平衡形式的能 力，壓杠的平衡狀態是否穩定與軸向壓力F 有關，而臨界力Fcr是判斷壓杠穩定性的重要指標，壓杠失去平衡狀態的現象稱為失穩，失穩是構件破壞形式之一，因此吊杠設計過程中必須考慮壓杠穩性問題。

（1）吊杠截面慣性矩

式中：I 為截面慣性矩，cm4；i 為慣性半徑，cm3；D 為管子外直徑，mm；d 為管子內直徑，mm。

（2）吊杠使用過程中相當于一邊固定一邊無約束，固取長度系數μ=2，則柔度為

式中：λ 為壓桿柔度；λp為壓桿臨界柔度；l 為壓桿全長；μ 為壓桿長度系數；σp為材料比例極限；E為彈性模量。

從式中可以看出λ>λp，此時壓杠的實際柔度大于λp，吊杠可以看作是細長杠，屬于彈性范圍內的壓杠穩定性問題，適用歐拉公式：

根據API 2A 標準，取其安全系數為n=3，則許用壓力F（單位：t）為

式中：F 為軸向壓力；Fcr為臨界力。

實際吊杠水平受壓力為389 t，小于許用壓力700 t，故滿足要求。

1.2 1 200 t 吊杠使用方式

1 200 t 吊杠既可以單獨使用又可以多個組合使用，詳細使用方式如下。

1）單獨使用1 200 t 吊杠方式

主要用于設有8 個或4 個吊耳模塊，浮吊起重船為雙鉤頭、單鉤均可使用。首先必須保證吊杠上部吊耳與吊杠下部對應吊耳成對使用，根據模塊本身吊耳方向及模塊吊耳之間間距L 確定成組方式。

例如：吊耳間距L=21 900 mm，首先從吊杠下部吊耳中選取其中間距為約為（21 900±300）mm，模塊吊耳與2 對吊耳用卸扣、索具進行連接，再根據吊杠下部吊耳選擇對應吊杠上部吊耳并用卸扣、索具與海吊鉤頭進行連接，其他距離使用方法與之相同。

2）2 個1 200 t 吊杠組合使用方式

最為常用是2 個1 200 t 吊杠組合使用，即用兩根1 200 t 吊杠同時使用，吊車選用雙鉤頭吊裝，主要用于設有8 個或16 個吊耳的模塊吊裝，必須保證吊耳方向一致，吊杠吊耳選擇方法與單獨使用方式相同，如果浮吊起重船能力允許，這2 個1 200 t 吊組合方式最大起重能力為2 400 t。

3）1 200 t 吊杠與其他2 個吊杠組合使用方式

此種方式較為特殊，為二層式吊裝方法，吊車一般選取單鉤頭，主要用于設有4 個或8 個吊耳模塊吊裝，吊杠吊耳選擇方法與單獨使用方式一致，此種方式最大能吊裝1 200 t。

2 結論

本次所有研究成果已全部直接應用于VLCC 改裝成FPSO 工程中，解決了超大型模塊吊裝諸多關鍵技術問題，為大連中遠海運重工后續FPSO 改裝工程提供了可靠的技術儲備。

1 2 00 t 吊杠是一種專為FPSO 船上部模塊吊裝設計的工具，解決了其他工具通用性不強、模塊吊裝時強度不足、受力不均勻等問題，同時對模塊自身也起到保護作用，實用性極強，在船舶及海洋工程建造領域具有極佳推廣價值。