800客位客滾船大型總組分段吊裝關鍵技術分析

張 鵬，鄭立遠

(天津市中舟船舶工貿有限公司，天津 300452)

當前，全球絕大多數造船企業均采用船體總組分段造船的現代建造模式[1]，該模式在提高生產效率的同時也帶來了新的挑戰?？蜐L船的總組分段由4～6個環形分段組成，包含16～24個單獨分段，長度接近60 m，總質量超過1 000 t。總組分段吊裝方案的確定主要以人工方式進行，設計人員通過實地考察分析，根據作業工序和施工方案，查閱相關技術文檔和吊車參數，最終制定吊裝方案。

在此情況下，開展客滾船大型總組分段吊裝關鍵技術的研究，確?？蜐L船大型總組分段的吊裝安全顯得尤為重要。本文通過對總組分段吊裝工藝進行研究，運用建模理論，計算分段內部的受力和變形情況，并對吊耳的布置進行優化，避免了吊裝事故的發生。

1 客滾船總組分段吊裝方案設計

800客位客滾船總組分段位于該船的59#～142#肋位，3#～7#甲板之間。其中5#甲板為車輛甲板，左舷布置活動坡道開孔，甲板橫梁不連續。7#甲板為客艙甲板，結構強度較低。在距船體中心線9 350 mm處設置內縱壁，內縱壁與外板之間布置2層中間甲板(4#甲板和6#甲板)。6#甲板首部為救生甲板，外板有大開孔，外板肋骨不連續。

總組分段結構主要參數為：長58.8 m，寬26.5 m，高11.5 m，肋距0.7 m，縱骨間距分別是中縱到14號縱骨的間距為0.560 m，14號縱骨到17號縱骨的間距為0.475 m，17號縱骨到外板的間距為0.520 m。

1.1 客滾船總組分段吊裝存在的關鍵問題

1.1.1 客滾船與散貨船總組分段結構對比

通過比較客滾船與散貨船的總組分段橫剖面，可發現散貨船的總組分段是由橫向實肋板、縱桁、內底板及外板組成的箱型結構，寬度一般為船寬的60%，高度一般不超過3 m。此類箱型結構整體剛度較高，抵抗變形的能力較強，且散貨船內底板的板厚一般超過20 mm，吊裝過程中的結構應力一般較小。而客滾船的總組分段結構形式與散貨船完全不同，其由多層甲板組成，橫向結構僅為T型橫梁，中間不設置支柱，橫梁跨距大。沒有連接兩側外板的強橫壁。

由于滾裝設備的布置，下層甲板的布置有大開孔，導致橫梁不連續，總組分段的最下端沒有橫向結構，形成“門”字型結構?？蜐L船與散貨船總組分段結構特點如表1所示。

表1 客滾船與散貨船總組分段結構特點

1.1.2 客滾船總組分段吊裝特點

船舶總組分段吊裝是指使用船廠內的起重設備將船體分段吊運至指定位置或場地的過程?？蜐L船大型總組分段的吊裝特點如下。

1)總組分段的橫向跨度較大，通常與船舶甲板等寬，中間無支撐，體積和質量都很大，且形狀不規則。

2)客滾船普遍采用薄板結構，橫梁設有減輕孔，甲板有大尺寸開孔，造成結構不連續，結構強度較弱。

3)隨著船舶制造的大型化，數百噸甚至數千噸的超大型設備的吊裝越來越多，多臺起重機協同作業的情況越來越多，為了確保吊裝作業能夠安全順利地進行，對吊裝方案的精確性、合理性、高效性和可靠性都提出了更高的要求。

1.1.3 客滾船總組分段吊裝難點分析

客滾船大型總組分段在吊裝作業時的受力與結構設計的受力不同，主要有以下幾點。

1)甲板開孔?？蜐L船結構設計時，一般在開孔周圍設置支柱支撐開孔旁的強橫梁，從而對甲板橫梁端部剛性固定。

2)下端分段縫。船體結構設計時，結構強度的核算按照船舶整體考慮，結構之間相互約束，但是在吊裝作業時，位于分段下端的結構不能與下層結構連接，處于自由狀態。

3)甲板首尾分段縫?？偨M分段吊裝時，甲板縱桁在首尾分段縫處不能與相鄰結構連接，導致中縱處向下產生變形，如果甲板變形超過工藝要求，需要增加臨時支撐加強。

1.2 客滾船總組分段吊點布置方案

1.2.1 客滾船總組分段質量質心

分段的質量主要由設計質量及施工輔料質量組成。其中設計質量指船體結構質量、焊材質量、油漆質量、舾裝設備質量。施工輔料質量是指現場施工所用的腳手架、焊機、工具等在吊裝過程中不能移除的部分質量。在確定施工輔料質量質心時，坐標定義X方向：FR59為原點，向船首為正方向；Y方向：船體中心線為原點，向左舷為正方向；Z方向：7#甲板理論線為原點，向下為正方向?？蜐L船總組分段質量質心匯總如表2所示。

表2 客滾船總組分段質量質心匯總

經計算，本總組分段質量為807.47 t，質心縱向坐標為FR97+325，橫向坐標為左舷151 mm，垂向坐標為5#甲板上965 mm。安全系數取1.1，本總組分段吊裝設計質量約為888 t(807.47×1.1)。

1.2.2 吊點布置設計

考慮到客滾船甲板結構設計可承受規范要求的甲板載荷，甲板結構具有一定的強度，而在吊裝時甲板不承受任何載荷，僅需承受甲板自身重力，因此認為在吊裝過程中甲板不會產生較大的變形[2]。綜合考慮以上因素，初步設計的吊點布置在7#甲板上表面，在舷側肋骨上方，左右舷對稱布置吊點。所有吊點分為4組，每組共10個吊耳。A組、B組分別對應第一臺800 t龍門吊的上行車和下行車，C組、D組分別對應第二臺800 t龍門吊的下行車和上行車。2臺龍門吊的上、下行車分開布置，可以盡可能地縮小2臺龍門吊之間的距離。

通過計算，總組分段的質量為888 t。針對客滾船總組分段吊裝的關鍵問題，并綜合考慮總組分段的質量質心以及船廠的起重能力，初步設計客滾船總組分段的吊裝方案中，總共布置40個吊點，分為4組，均勻布置在7#甲板兩側上。

2 客滾船總組分段吊裝受力及變形分析

大型總組分段的吊裝作業安全問題主要由以下2種原因導致：①在吊裝作業過程中，船體結構所承受的應力大于材料的許用應力，造成結構破壞、焊縫開裂、產生塑性變形等，這將導致嚴重的安全事故，在吊裝作業中要杜絕此類事故發生；②在吊裝作業過程中，雖然結構的應力小于許用應力，但是結構的變形較大，導致內部舾裝設備被破壞，此類現象主要發生在大跨度薄板結構區域。在總組分段的吊裝分析過程中，主要對結構受力及變形情況進行分析，通過對受力較大的結構進行加強或優化結構形式來達到減小應力的目的。

2.1 結構應力

通過有限元軟件計算，可得到總組分段結構最大應力為513.38 MPa，位于右舷外板首端救生設備開孔吊耳加強處。吊耳及附近結構在鋼絲繩的拉力作用下局部產生變形，甲板下的吊耳加強肘板趾端產生應力集中。

分析有限元計算結果可知，在靠近外板的甲板強橫梁處布置吊點，采用2臺800 t龍門吊聯吊的狀態下，總組分段的載荷通過強橫梁及強肋骨由5#甲板傳遞至布置在7#甲板的40個吊耳處，靠近7#甲板處外板應力大于5#甲板處外板應力。橫向框架的最大應力位于橫梁及肋骨連接處，橫梁跨中處應力較小，7#甲板與5#甲板之間的強肋骨應力較大，5#甲板下的強肋骨應力較小。

2.2 結構變形

通過計算可知，在吊裝過程中，總組分段的最大變形發生在5#甲板活動坡道開孔處，變形量為127.21 mm，該變形量包括鋼絲繩的伸長長度。

提取活動坡道開孔旁縱桁的變形數據，可得到該縱桁的變形曲線，最大相對變形量為108 mm，發生在距總組分段尾邊界26.9 m處。提取7#甲板首尾分段縫處變形，可得首尾分段縫處的甲板變形曲線。尾部分段縫處甲板最大相對變形為23.0 mm，首部分段縫處甲板最大相對變形為44.3 mm，均發生在船中處。

在吊裝作業過程中，總組分段的最大應力已超過材料的許用應力?；顒悠碌篱_孔處的相對變形為108 mm，可能會對設備造成損壞。7#甲板首尾分段縫處甲板的相對變形也已經超過船舶分段搭載工藝要求的10 mm。

結構變形主要集中在船中區域，由于吊點布置在靠近外板處，在重力作用下，船中區域結構產生向下的變形。另外，由于5#甲板布置有活動坡道開孔，導致橫梁結構不連續，開孔旁縱桁產生較大變形。

3 客滾船總組分段吊裝方案的優化

3.1 吊耳布置的優化

本文所論述的總組分段重心靠近甲板尾部，因此，靠近尾部的A組與B組吊耳承受的載荷較大。由前文分析可知，C組與D組吊耳所受鋼絲繩拉力小于A組與B組，而鋼絲繩拉力在豎直方向的分力差值約為6.5 t。可考慮增加C組與D組中每個吊耳的載荷，從而減少吊耳數量，減少焊接施工工作量。將C組與D組由目前的各兩排的吊耳減少為一排，吊耳數量減少50%，每個吊耳的載荷為原有方案的2倍。

3.2 結構應力優化

通過有限元軟件計算，吊耳布置優化后總組分段所受實際的應力約為140 MPa，最大變形為24.92 mm，位于7#甲板處，屬于彈性變形，由于7#甲板沒有任何舾裝設備，因此該變形不影響吊裝安全。