化學品船甲板單元模塊工法方案淺析

杜興華，王守正，劉 凱

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

0 引言

單元模塊化是現代造船推進中間產品完整性的一項重要手段。單元模塊可以與船體平行或提前建造，保證了船臺（船塢）舾裝施工的完整性，縮短了船臺（船塢）舾裝周期，單元模塊大量工作在室內施工。施工者可以充分利用室內設備手段，利用360°空間，施工質量易控制，提高了施工質量[1]。對化學品船來說，甲板區域存在大量管束，對其進行單元化區域劃分，而后模塊化在總組階段開始制作，可以使甲板管系的開工節點大幅提前，工作效率顯著提升，產品質量得到有效保障[2]。

單元模塊設計的基本指導思想是，在詳細設計所作的總體規劃統籌下，依托分段總段科學、合理的劃分，以中間產品為導向，在全船各個區域進行綜合布置的過程中，可以選擇設備、裝置、管路、鐵舾件及其它舾裝件等綜合布置相對比較密集的局部區域設計為單元組裝乃至舾裝模塊，即將該局部區域的相關工程內容從總體綜合布置中剝離出來，形成一個具有良好接口的獨立完整體，它既便于制作，也方便吊運安裝[3]。化學品船甲板管束眾多，按照圖1所示進行了區域劃分，形成了19個主要模塊區段，這些模塊都具有重量較大，結構單薄，管束密集等特點，特別是管束固定點少、穩定性不良的問題，制約著模塊化的發展，為了解決管束單元本身特點所帶來的問題，控制好管系精度，開展了針對19個單元模塊的專題研究工作，進行了大量計算和工法方案的調整，很大程度上促成了化學品船模塊化方案的有效開展，最終為保證企業造船新模式的持續推進、保證化學品系列產品的高質量交付提供了支持。

圖1 某型化學品船甲板管束單元模塊劃分圖

1 典型模塊吊裝分析

甲板模塊數量很多，在此僅以UD302單元為例，UD302單元布置圖（見圖2），長×寬19m×16m，管束密集。針對其結構形式特點，考慮到船臺生產塔吊的技術參數，初步設計了雙車聯吊方案及相應的吊環布置圖，見圖3。

圖2 UD302單元總圖

圖3 吊環布置圖

通過MSC.Patran/Nastran 有限元軟件進行建模，計算得到相應的吊裝應力及變形數據。在沒有進行任何輔助加強設計的情況下，該模塊吊裝應力最大值達675 MPa（見圖4），最大變形達137mm（見圖5），這顯然是不可接受的。

圖4 UD302單元無加強吊裝應力云圖

圖5 UD302單元無加強吊裝變形云圖

進一步的，利用有限元軟件對單元模塊的典型剖面進行篩查，確認存在較大應力的單元節點，可以得到圖6～圖9中存在問題的位置。其中，X1剖面最大應力519 MPa，X2剖面最大應力為327MPa，X3剖面最大應力為543MPa，X4剖面最大應力為675 MPa。由此可見，每個剖面上都存在明顯的應力集中現象，經分析，一方面是由模塊管束相互間的連接方式導致的，另一方面也是由框架強度不足引起的。

圖6 UD302 單元X1 剖面應力云圖

圖7 UD302 單元X2 剖面應力云圖

圖8 UD302 單元X3 剖面應力云圖

圖9 UD302 單元X4 剖面應力云圖

2 工法方案研究

2.1 工法輔助加強方案設計

無輔助加強時，各剖面顯示的應力集中點可分析出該模塊需要進行全面加強而非局部。因此，使用20#槽鋼制作其外圍框架，使用H型鋼及加強肘板制作局部點加強。細節上，應注意到加強件數量眾多，在安裝時避免干涉、拆除時要明確拆除階段和拆除要求等。此外，在吊環所在位置，為了保證良好的應力傳遞，應進行加大焊腳、焊接狀態檢查等相關工藝和質量管理。

考慮到模塊下口距離地面高度很低，增加加強件健將不便施工，因此設計了支撐腳將模塊抬高，支撐腳相當于模塊胎架的作用，用于提供施工空間的同時，也利于控制模塊安裝時的水平精度。支撐腳布置見圖10。

其次，在支撐腳胎架建立好后，在管系單元各剖面對應位置安裝槽鋼加強，注意槽鋼加強統一安裝在單元立柱的艉側防止相互干涉。結合前文所述應力集中位置，槽鋼框架共安裝在7個橫縱主剖面上，以便將計算結果控制在可接受范圍內。槽鋼加強設計及安裝圖如圖11～圖17 所示。

圖10 UD302單元支撐腳胎架布置圖

圖11 FR105剖面加強方案

圖12 FR100剖面加強方案

圖13 FR115剖面加強方案

圖14 FR110 剖面加強方案

圖15 L±4剖面加強方案

圖16 FR120 剖面加強方案

圖17 L±10剖面加強方案

2.2 改進方案有限元校核

經過上述工法輔助加強方案的改進，原UD302模塊已經具備了一定的結構強度，形成了較好的整體性。為進一步驗證改進方案的可行性，在原有限元模型基礎上增加加強單元，重新校核模塊吊裝應力及變形狀態，所得結果如圖18、圖19 所示。其中，該模塊吊裝應力最大值196MPa，滿足小于普通船用鋼許用應力（235 MPa）的要求；最大變形28mm 且僅存在于管束單元末端的局部區域，模塊中部主結構變形普遍小于10mm。由此可見，上述工法輔助加強方案理論上是可接受的。在現場作業的實踐環節，要注重焊接質量的控制，從而保證方案的實踐效果。

專題組應用上述方法對19只化學品船甲板模塊進行逐一研究，針對其各自的本體形態特點設計了多種加強方案，但始終以應力集中分析作為方案設計的核心技術。通過應力分析，細節微調，最終完成了全部19只單元模塊的工法方案改進設計工作。

圖18 UD302 單元加強后吊裝應力云圖

圖19 UD302 單元加強后吊裝變形云圖

3 結論

綜上所述，本文得出以下結論：

1）應力集中是管系單元模塊吊裝普遍存在的問題，有針對性地開展應力分析并制定對策是管系模塊類工法輔助方案設計的合理思路。

2）經生產實踐檢驗，實踐結果與有限元預報值基本吻合，有限元預報的應用價值和準確性得以驗證。

3）本文的研究是基于已劃分成型的管系單元開展，考慮到模塊化的發展，建議將模塊劃分和有限元研究同步進行，這樣可以減輕甚至避免很大程度上的輔助加強施工作業量，節約時間和經濟成本。