大型郵輪分段總段稱重工藝設計

陳小雨,張理燕,張海甬,王虎,王華鋒,陳亞楠

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

郵輪空船重量之大、物資種類之廣、建造環節之多,加上空船重量裕度小,給郵輪重量控制全流程帶來極大考驗[1-3]。郵輪在詳細設計及生產設計階段進行重量估算,可在建造階段通過現場反饋的實際重量進行重量更新[4]。稱重作業作為重量控制全流程中的重要環節,特別是針對大批量中間產品,是檢驗和驗證船體結構和設備、材料是否超重的主要手段[5],將建造過程中的實際重量與理論重量對比,實時地對建造過程進行監控,確保船舶重量重心處于控制之內[6]。郵輪分段、總段是建造過程中向后道完工交付的完整性大型中間產品,也是郵輪稱重作業的關鍵對象。因此,郵輪稱重作業應要求稱重工藝通用和高效,適應全部類型結構及工藝。為此,探討適用的稱重方法,制定稱重系統工藝要求,根據分段、總段建造工藝確定合理的稱重工藝,確保稱重數據的精確度,提高稱重作業效率,實現分段、總段順利稱重,支撐郵輪重量控制。

1 稱重方法

1.1 稱重對象分析

分段總段重量從幾t到800 t,包含鋼結構、舾裝、油漆等重量。機艙總段、機艙分段、上層建筑薄板總段重量較重,覆蓋100～800 t。薄板甲板分段、機艙小分段重量較輕,覆蓋5～100 t。分段總段尺寸從單層甲板到多層甲板,包含大批量薄板甲板分段、總段。薄板甲板分段尺寸大約為長15 m、寬32 m。薄板甲板總段尺寸大約為長29 m、寬38～44 m、高10～15 m。薄板甲板分段數量多達500只,薄板甲板總段數量多達50只,模型見圖1。

圖1 典型薄板甲板分段總段模型

分段稱重作業在分段結構、舾裝、油漆完工及報驗后實施,即在分段擱置狀態進行稱重作業。分段使用圓柱擱墩或門架擱墩進行擱置?？偠畏Q重作業在總段結構、矯平、舾裝、油漆、內裝完工及報驗后實施,即在總段胎架擱置狀態進行稱重作業。機艙總段在水泥塢墩等胎架上總組。上層建筑總段在下口小鐵墩等胎架上總組。

通過分析分段總段重量和尺寸、以及建造工藝,稱重方法應確保精準測量大范圍的重量數據,滿足大跨度柔性結構的同步稱重和結構強度,適應分段總段不同的擱置工藝要求。

1.2 稱重方法確定

在常規的吊裝、運輸過磅等稱重方法中,存在數據誤差范圍相對較大、前后數據讀數變動較大、需要吊車或地磅專用工位和工序等問題;而且,需要多次運輸周轉,降低稱重作業效率。同時,郵輪大批量的薄板分段總段柔度大、重量分布不均勻,使用常規稱重方法,存在稱重支承點少且跨度大、容易造成變形和稱重數據結果誤差較大等問題。

采取多點同步頂升的稱重方法,可以確保大跨度船體結構同步頂升,通過借助稱重系統,實現單點重量數據測量、多點數據同步以及數據集成。首先,在每個單點,使用頂升油缸頂升分段、總段實現上下位移,使用高精度重量傳感器檢測單點受力即重量,使用位移傳感器體現單點頂升上下的位移值,實現同步頂升。其次,將數個單點進行分組管理,通過專用泵站實現分組內稱重作業同步。最后,通過同步控制臺,實現各專用泵站之間的數據同步和集成,并顯示稱重數據結果,經過多次檢測確定最終數據。稱重方法原理及系統組成,見圖2。

圖2 稱重方法原理及系統組成

相比傳統稱重方法,該系統重量檢測數據準確度高,基本不需要額外吊車或地磅等專用工位和工序,可減少場地和大型設備投入成本,在同一工位原地頂升、下降多次實現多次重量檢測,稱重作業效率高。

1.3 稱重系統工藝要求

通過研究稱重系統的工藝要求,明確稱重系統內主要設備的技術要求和功能,確保稱重方法滿足高精度重量數據準確度要求和同步頂升要求,適應郵輪分段總段稱重要求。

1)精度。使用精度等級≤±0.3%的稱重傳感器,實現頂升點的頂升重量數據測量,且該精度等級能滿足郵輪重量控制目標要求。

2)稱重單點的高度。單個傳感器與液壓頂升油缸進行組合,形成單個稱重點,實現頂升和數據傳輸,且組合高度滿足全部分段、總段建造工藝要求,適應全部分段總段的建造工藝要求,即能順利放入分段總段擱置狀態的下方。

3)頂升油缸。使用頂升行程200 mm左右的油缸,且頂升承重能力大于50 t。該頂升行程能確保頂升后結構與擱墩或胎架脫離。該頂升承重能力,依據分段總段重量數據范圍大、薄板結構有強有弱、以及單個油缸承重數據有大有小的復雜性,能在額定有效量程范圍內確保絕大多數重量檢測值有效。

4)同步控制臺。實現使用任意數量稱重傳感器的組合控制,實現各頂升點的數據匯總和同步頂升監控,通過頂升同步確保頂升過程安全。

5)其他要求。在稱重操作得當前提下,設備選用應確保前后多次稱重數據變化很小。

2 分段稱重工藝

將運輸平板車行進到分段擱置工裝下方,將高精度的單點稱重傳感器放置到平板車合適位置,該位置通常將頂升到分段強結構或直接頂升擱置工裝,通過平板車頂升稱重傳感器接觸分段或擱置工裝,實現分段脫離擱置工裝及地面,經過反復多次頂升,最終形成多次稱重數據。

以使用平板車頂升代替使用液壓油缸頂升的方式,避免安裝液壓油缸,操作較為簡便。本工藝覆蓋全部郵輪分段,確保高精度重量數據,數據誤差范圍小、前后數據讀數變動很小。避免安裝液壓油缸,無需專用工位和工序、無需多次運輸周轉,操作較為簡便,作業效率高。

2.1 使用圓柱擱墩的分段稱重

少部分機艙分段、大部分薄板分段使用圓柱擱墩進行擱置。針對大部分薄板分段,其稱重工藝是將稱重傳感器均勻布置在平板車兩側主梁結構上,通過平板車頂升稱重傳感器直接接觸并頂升分段,在稱重傳感器形成重量數據,實現稱重作業,見圖3。

圖3 使用圓柱擱墩的薄板分段稱重

薄板分段擱墩及傳感器頂升點布置方法,是將傳感器布置在甲板縱梁等強結構位置,避免頂升時造成薄板甲板及縱骨局部強度不足而變形,見圖4。針對超寬分段,其尺寸相比平板車長度較大,設計必要的全寬范圍橫向框架式加強,避免頂升時橫向剛度不足而產生彎曲變形。

圖4 使用圓柱擱墩的薄板分段稱重工藝布置示意

2.2 使用門架擱墩的分段稱重

大部分機艙分段、一部分薄板分段使用門架進行擱置。針對大部分機艙分段,其稱重工藝是將稱重傳感器均勻布置在門架下方的平板車兩側主梁結構上,通過平板車頂升稱重傳感器直接接觸并頂升門架,在稱重傳感器形成重量數據,扣除已標定重量的門架工裝得到分段實際稱重重量數據,實現稱重作業。

門架、傳感器頂升點布置方法,是在門架下方的平板車兩側主梁結構上,使用兩兩并組的稱重傳感器,即單個門架布置4個稱重傳感器,避免平板車不均勻頂升、頂升下降不同步給單個傳感器帶來受力不均勻,造成頂升偏心發生傾覆等安全問題,見圖5。

圖5 使用門架擱墩的薄板分段稱重工藝布置示意

3 總段稱重工藝

總段稱重工藝為將高精度的稱重設備放置到總段胎架上或者總組場地地面上的合適位置,通過稱重設備液壓油缸頂升總段結構或總組胎架,實現總段脫離總組胎架或地面,經過反復多次頂升,最終形成多次稱重數據便于統計分析。

結合郵輪總段型式及結構承重能力、建造場地、總組胎架型式,研制各類型薄板總段的稱重方式和稱重設備布點方式、以及必備工裝工藝要求,通過有限元計算分析,確保稱重設備頂升結構強度安全,最終形成幾種典型且通用的重量檢測方法。

工藝方案適用于郵輪全部總段,確保高精度重量數據檢測,且能精準的檢測薄板總段重心位置便于薄板總段吊裝控制管理。在各類型薄板總段工藝方案中,稱重設備頂升點數量和分布合理,確保郵輪結構不發生頂升變形。當總段類型不同、建造方式不同時,稱重設備選用和稱重方法設計、頂升點布置方案具有良好的通用性,可實現重量檢測作業標準化,提高作業效率。

3.1 機艙總段稱重

機械總段通常在水泥塢墩上的鋼塢墩總組。其稱重工藝是將稱重設備放置在水泥塢墩上,通過稱重設備液壓油缸頂升總段結構實現稱重。通常,選取總段首尾兩檔強檔作為總組胎架,且預先將鋼塢墩在水泥塢墩上偏裝以預留稱重設備的位置,實現稱重設備在稱重作業時放入,見圖6。

圖6 機艙總段稱重現場

3.2 中下層甲板的薄板總段稱重

中下層甲板的薄板總段,在地面直接使用矮小工裝進行胎架擱置總組。其稱重工藝,是確保稱重設備高度低于總段胎架高度,同時將稱重設備放置到地面上對應總段下口強結構位置,且與總段胎架錯開布置,實現頂升稱重,見圖7。

圖7 中下層甲板的薄板總段稱重現場

稱重設備頂升點布置方法,是考慮到薄板總段結構較弱,應盡可能多的布置頂升點,且盡可能確保頂升點均勻布置,確保每個頂升點的結構不會造成變形,見圖8。針對布置在支柱位置附近的頂升點,頂升點與總段胎架在支柱的對角進行布置。

圖8 中下層甲板的薄板總段稱重工藝布置方案

由于大型船體柔度大、重量分布不均勻以及支承點跨距較大的結構特點,為了保證稱重過程中的結構安全,必須通過有限元建模計算以確定各稱重點的位置和數量,同時對大跨度柔性結構進行力學分析計算,以確定稱重點結構強度以及加強措施[7]。根據稱重設備頂升點布置方案,建立總段有限元模型,認為總段下口與稱重設備接觸位置存在相互作用,采用分段施加重力作用以及在接觸位置施加固定約束的方式來模擬這種工況。經過有限元計算理論分析,見圖9,應力與變形較小,實際稱重與理論分析基本一致,證明此類薄板總段的稱重工藝布置方案合理。

圖9 中下層甲板的薄板總段稱重有限元計算應力云圖

3.3 上層甲板的薄板總段稱重

上層甲板的薄板總段,其總段下口結構較弱、大多數支柱尺寸及板厚相對較小。與中下層甲板的薄板總段稱重工藝基本相似,主要的差別如下:因支柱直徑小,當頂升點與總段胎架在支柱下口對角進行布置時,存在頂升接觸區域太小,會造成結構變形或頂升偏頂發生安全問題。研制一種支柱下口實現胎架擱置工況和承重工況二合一功能的專用工裝。該工裝高度與總段胎架高度一致,為一種中空的結構以實現稱重設備在使用時放置進去,同時工裝頂板與工裝本體不焊接以實現頂升該頂板與工裝本體脫離,最終實現頂升稱重功能,見圖10、11。

圖10 上層甲板的薄板總段稱重及專用工裝

圖11 上層甲板的薄板總段稱重工藝布置

根據稱重設備頂升點布置方案,建立總段有限元模型,采取前述方法模擬計算這種工況?？紤]到該類總段下口結構較弱、大多數支柱尺寸及板厚相對較小,經過有限元計算理論分析,見圖12,應力與變形較小,實際稱重與理論分析基本一致,特別是總段下口小尺寸支柱受力不大、且彈性變形可控,證明方案合理。

圖12 上層甲板的薄板總段稱重有限元應力云圖

3.4 總段重心測量

考慮到郵輪舾裝物量較大、以及內裝物資較多,必須準確評估實際重心位置,以徹底解決大批量總段實際重心位置無法預估問題。重心測量方法,是根據稱重工藝布置方案,預先將各稱重點的理論坐標值X、Y導入到檢測系統,依據實際重量檢測中同步控制臺反饋的各點實際重量值,經過系統內公式自動計算得出總段重心位置,并顯示在同步控制臺,見圖13。

圖13 總段重心測量

4 結論

針對郵輪分段、總段大型中間產品的稱重作業,是郵輪下塢前最后一道非常重要的重量控制環節。郵輪分段、總段稱重工藝,經過適應郵輪大量分段、總段的不同結構型式、建造工藝、重量數據范圍的研究與應用,具有適應度、通用度、精準度高的特點,同時在充分保障結構強度和剛度基礎上,實現稱重作業標準化,提高作業效率,最終實現大批量分段、總段重量稱重作業,提高建造效率,充分保證郵輪全過程重量控制成果。