船舶軸系和舵系安裝過程受力分析與安全控制

葉 濤

（舟山中遠海運重工有限公司，浙江舟山 316131）

0 引言

目前針對船舶軸系和舵系安裝過程安全控制的相關研究較少，現場施工缺少相關參照。本文基于3 600 TEU集裝箱和152 000載重噸穿梭油輪項目，對軸系和舵系施工中的尾管密性、吊裝及壓裝等 3個關鍵階段的受力情況進行分析，并提出相應的管控措施，以確保施工過程安全、規范、可控。

1 艉管壓力試驗

1.1 試驗概況

艉管壓力試驗包括艉管內部小油管密性試驗和艉管本體密性試驗。在進行艉管內部小油管密性試驗時，需要嚴格按照系統的設計工作壓力和試驗壓力進行試驗，通常情況下安全風險可控。進行艉管本體密性試驗前，需要核對制造廠家的原始設計工藝。特別需要注意的是組裝式艉管，其艉管本體與法蘭采用螺栓連接的方式組裝在一起。由于艉管的橫截面積較大，試驗壓強稍微超出理論值即會對螺栓產生很大的拉應力，該拉應力與螺栓連接緊固時產生的拉應力之和一旦大于螺栓自身的屈服強度，螺栓就會斷裂。部分生產廠家在設計階段未對螺栓連接強度進行校核，部分技術人員缺少實踐經驗，對艉管試驗壓力標準的選擇不合理，這些因素容易造成螺栓斷裂，進而導致安全事故。船廠在進行艉管壓力試驗時，需要嚴格進行安全管控。

1.2 艉管壓力試驗強度校核

在進行艉管壓力試驗前，需要辨識組裝式艉管的薄弱點，并進行強度校核。通常情況下，組裝式艉管的連接螺栓處強度最弱。連接螺栓強度校核公式為

式（1）和式（2）中：為氣體對螺栓的作用力；為氣體的壓強；為密封板的受力面積；為預緊力；為扭矩；為系數；為螺栓直徑。

連接螺栓受到的實際拉應力為

式中：為連接螺栓的數量；為螺栓螺紋的小徑。

保守起見，螺栓強度應滿足下式

式中：為安全系數，取1.5；為螺栓的許用屈服強度，通常情況下，4.8級螺栓的屈服強度為320 MPa、8.8級螺栓的屈服強度為640 MPa、10.9級螺栓的屈服強度為 900 MPa、12.9級螺栓的屈服強度為1 080 MPa。

1.3 試驗現場安全控制

加強試驗現場的安全控制至關重要，需要特別注意以下2點：

1）嚴格規范試驗過程各個工序

在對組裝式艉管緊固螺栓時，要嚴格按照預緊力的要求進行操作，既不能松弛也不能過緊。試驗過程中要嚴格控制試驗壓力，以免造成超壓事故。

2）制訂切實有效的應急處置措施

在進行艉管壓力試驗之前，在安裝壓力表對試驗壓力進行監測的基礎上，增設一根透明的U型塑料軟管以起到超壓卸載的功能。當試驗壓力超出工藝設定壓力時，試驗介質會突破水柱，溢流泄壓。

2 船舶軸系和舵系吊裝

目前大型船廠常使用液壓小車對槳葉和舵葉進行吊裝，部分中小型船廠使用電動葫蘆進行吊裝工作。

2.1 舵葉吊裝

舵葉吊裝通常采取以下兩種方式：1）將舵葉翻身后放置在液壓小車上，平移、抬升液壓小車進行安裝工作，該方法相對簡潔、高效、安全；2）協同使用門機和電動葫蘆進行倒運安裝。該安裝方式斜拉跨度大、懸吊平移距離遠、需要交替倒運電動葫蘆、需要多人協同作業，在操作時存在電動葫蘆懸掛及鉤掛難度大、葫蘆易損壞且損壞后無法下地修理等問題，作業風險高、效率低。

對于電動葫蘆吊裝，部分日本船廠在舵葉后方增設2個吊耳，并用門機進行起吊。在吊裝過程中，舵葉為傾斜狀態，需要在舵葉上段增設2個吊點掛設電動葫蘆以便扶正舵葉。電動葫蘆吊裝舵葉示意圖見圖1，1號吊點為中間吊點，其受力為

圖1 電動葫蘆吊裝舵葉示意圖

式中：為舵葉重力；為1號吊點受力方向與垂線的夾角。

1號吊點處的吊索具承載能力要高于1.2。

通常情況下，2號吊點的受力最大值要小于 1號吊點。若其吊索具與1號吊點相同，則無須計算2號吊點的受力情況；若兩個吊點處吊索具不同，則需計算2號吊點的受力情況。2號吊點受力為

式中：為2號吊點受力方向與垂線的夾角。

2號吊點處的吊索具承載能力要高于1.2。

合理設置吊耳位置、減小斜拉角度是降低吊索具負荷的關鍵要素。在設置吊耳時，要考慮船體自身強度，通常設置在船體強結構處。若沒有強結構，需要在吊耳反面進行加強處理。

2.2 槳葉吊裝

根據廠家設計的不同，槳葉翻身方式有如下 2種：1）在槳轂上設置吊環，利用吊環進行吊運翻身和安裝；2）未在槳轂上設置吊環，由船廠自行配置吊索具，捆綁槳葉并進行吊運翻身和安裝。通常采用2根吊帶分別懸掛翻身主鉤和副鉤。主鉤吊帶的許用載荷不得小于槳葉重力的1.2倍，副鉤吊帶的許用載荷不得小于槳葉重力的0.6倍。

在使用電動葫蘆安裝槳葉之前，要認真分析吊運、安裝全過程的受力情況。在布設吊點時，要嚴格遵循“受力均勻、施工便捷、安全冗余”的原則，并選擇適當的吊運角度。吊點布設完成后，選擇合適的吊索具并進行保養處理。

2.3 艉軸吊裝

對于單根質量在100 t以上的大型超重艉軸，不便于使用電動葫蘆吊運安裝，一般采用軌道滑移的方式進行安裝。下面以某152 000載重噸穿梭油輪為例，對其艉軸吊裝要點進行介紹。

穿梭油輪艉軸示意圖見圖2，總長為11 538 mm，總質量為47 t，槳轂重22 t。

圖2 穿梭油輪艉軸示意圖（單位：mm）

艉軸尾部的吊點設置在槳轂中心，在起吊時為均衡受力，將艉軸首部吊點設置在質心前方1 m處。為保證艉軸在起吊后保持水平狀態，2個吊點的鋼絲繩長度不能等長。如圖3所示，以質心為基點，垂直于軸心線引一條直線。尾部吊點鋼絲繩長度為8 m，以尾部吊點為圓心，8 m為半徑作圓弧，圓弧與上述直線的交點即為吊鉤中心點。吊鉤中心點與首部吊點連線長度即為首部吊點鋼絲繩的長度。如圖4所示，在進行受力分析時，可將艉軸進行均勻化處理，均勻化艉軸重力為，多余的重量可等效為一個集中力。

圖3 艉軸鋼絲繩配置示意圖（單位：mm）

圖4 艉軸受力示意圖（單位：mm）

圖4中A、B、C為吊點，AB=1 m，AC=3.375 m，=270 kN，=200 kN。C點吊繩與垂線的夾角為17°，A 點吊繩與垂線的夾角為 7°。由力矩平衡計算可知，A點吊索具理論承載力為145 kN，C點吊索具理論承載力為344 kN。因此，不規則零件在吊裝前要進行受力分析與核算，不能簡單按照規則物件吊裝慣例來配置吊索具。

3 施工安全

舵葉、舵桿、槳葉與艉軸的安裝均需要采用液壓輔助裝置。通過液壓軟管將液壓單元和舵桿螺母或槳轂相連接，舵桿螺母或槳轂隨著液壓單元壓力不斷升高而逐漸膨脹。現場施工需要注意以下4點：

1）合理選用液壓單元壓力表的量程，最大量程一般取工作壓力的1.5～2.0倍，量程過小容易爆表，過大則不夠精準。

2）所有高壓油管、接頭和閥件的許用壓力不得小于最大工作壓力的1.2倍。

3）放氣孔的螺紋需要保證完好無損，螺紋損傷會降低預緊力，壓裝過程中極易將悶堵彈出，故需在悶堵的前方設置警戒區。

4）高壓油管應避免打折，打折損傷處極易爆管。

4 結論

船舶軸系和舵系施工風險高、難度大，一旦發生事故，后果非常嚴重，本文基于3 600 TEU集裝箱和152 000載重噸穿梭油輪項目，對軸系和舵系施工中的尾管密性、吊裝及壓裝等3個關鍵階段的受力情況進行分析，并提出相應的管控措施。研究表明：優化施工工藝、重視關鍵受力環節的分析與管控、強化施工組織與管理等措施可有效提升船舶軸系和舵系現場施工的安全性。