艦船總段整體吊裝研究和實(shí)施

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(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)

目前船舶市場異常繁榮，但國內(nèi)船廠產(chǎn)能嚴(yán)重不足，特別是船臺、船塢利用效率更是生產(chǎn)過程中的薄弱環(huán)節(jié)，如何縮短在建船舶的船臺(塢)占用時(shí)間一直是業(yè)界所關(guān)注的焦點(diǎn)。民用船舶建造時(shí)大多采用大型、巨型總段建造法，以期盡量縮短船臺(塢)周期；而軍用艦船仍采用分段散吊的形式，與殼舾涂一體化區(qū)域造船的技術(shù)現(xiàn)代化目標(biāo)相距甚遠(yuǎn)。雖然有些型號的軍用艦船采用的是總段吊裝的形式，但主要是用鋼梁抬吊，此方法僅限于型寬較小的艦船，且鋼梁通常需要特制，工時(shí)和材料費(fèi)用居高不下。

我公司建造的某型艦船產(chǎn)品采用主甲板下環(huán)形三總段建造法，由于本艦型寬較大，不宜采用鋼梁抬吊的方式，而需將吊點(diǎn)直接布置于船體上，考慮到艦船本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即板材薄、結(jié)構(gòu)相對較弱、開孔多、設(shè)備繁雜等，以往軍艦建造中并沒有這方面的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，因此，必須設(shè)計(jì)全新的吊裝及加強(qiáng)工藝，攻克相關(guān)技術(shù)難關(guān)。

1 目標(biāo)及方案設(shè)計(jì)

1) 吊裝過程首先必須保證100%安全進(jìn)行，吊裝結(jié)束總段必須保持無損傷，無永久變形。

2) 需要盡可能縮短船舶的建造周期，特別是船塢周期，目標(biāo)節(jié)省25～35 d。

根據(jù)現(xiàn)有的條件和設(shè)定的目標(biāo)，借鑒民船建造中的吊裝經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出2套方案。

方案1：吊點(diǎn)設(shè)置于舷頂列板面內(nèi)，將原單個(gè)的吊環(huán)集成于一個(gè)吊環(huán)鏈(見圖1)，兩舷首尾分別布置兩組，功能等價(jià)于32個(gè)獨(dú)立吊環(huán)。甲板、舷頂列板及相關(guān)結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)處理。

圖1 方案1吊點(diǎn)布置示

本方案采用集成吊環(huán)設(shè)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)是對船體本身改動(dòng)少；吊點(diǎn)較為集中，工裝布置方便；吊環(huán)加工簡單，材料利用效率較高。缺點(diǎn)是吊環(huán)拉力全部施加于外板，容易造成外板變形或撕裂；外板局部更改對影響板縫編排，有礙船體美觀。

方案2：吊點(diǎn)布置于甲板面上，根據(jù)方案特別改進(jìn)吊環(huán)設(shè)計(jì)(見圖2)，根據(jù)各總段的特殊情況分別考慮吊點(diǎn)的布置，數(shù)量和型號也相應(yīng)靈活處理，相關(guān)區(qū)域的結(jié)構(gòu)作小幅調(diào)整。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是可以逐個(gè)對總段進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計(jì)，船體線型對吊環(huán)的布置影響較小，對起重設(shè)備的要求較低；此方案只對船體內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，不會(huì)影響船體外觀；結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)所增加的重量分布均勻，對艦船整體重心影響較?。坏醐h(huán)可全部布置于主橫隔壁或強(qiáng)肋骨框上方，使船體受力更均勻；由于受力點(diǎn)分散，力的傳遞連續(xù)，因此船體變形將會(huì)更小。

缺點(diǎn)是吊環(huán)較為分散，需要改動(dòng)的結(jié)構(gòu)相對較多；吊運(yùn)時(shí)鋼絲繩與甲板面成一定角度，會(huì)產(chǎn)生甲板面內(nèi)的縱、橫向分力；需要的臨時(shí)加強(qiáng)較多，材料利用效率降低；施工所耗費(fèi)的工時(shí)相對較多。

綜合考慮2套方案的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合公司現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝、施工能力、相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行效能等，決定采用方案2。

圖2 方案2吊點(diǎn)布置示意

2 方案優(yōu)化及詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 確定吊裝狀態(tài)

本艦在船塢建造，由于線型變化比較明顯，塢中現(xiàn)有水泥墩和鋼墩不足以滿足本艦的建造需要；且大型總段吊裝時(shí)，定位比較難；考慮到節(jié)約工裝的加工和材料成本，艦體采用隨船架小車承托，吊裝時(shí)隨船架小車隨總段一起吊運(yùn)。為吊運(yùn)安全，隨船架小車與船體通過鋼墩(見圖3)、槽鋼與船體連接，見圖4，隨船架小車之間以連接縱桁約束。根據(jù)船體本身結(jié)構(gòu)和隨船架小車的承重能力，繪制船塢布置圖。

圖3 鋼墩側(cè)視圖

圖4 隨船架小車與船體連接圖

2.2 重量、重心計(jì)算與控制

根據(jù)船體分段及總段劃分情況，各總段分別編制重量、重心計(jì)算書，計(jì)算書中分為船體結(jié)構(gòu)、隨船架、連接縱桁、金屬墩、墩木、內(nèi)外舾裝、輪機(jī)管系、電氣部分和特種設(shè)備共9大類，詳細(xì)列出各總段所涉及的所有結(jié)構(gòu)、設(shè)備及工裝的重量、重心，匯總并算出各總段的總重量和重心位置，由施工管理部門確認(rèn)裝艦狀態(tài)下的設(shè)備、工裝后進(jìn)行再匯總，得出各總段吊裝狀態(tài)下的重量、重心。

2.3 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

主船體分EZ、AZ和FZ3個(gè)總段整體吊裝入塢，其中EZ總段近800 t，而該艦的船體結(jié)構(gòu)平均鋼板厚度很小、結(jié)構(gòu)相對較弱，施工比較困難。為保障吊裝順利進(jìn)行且不影響艦船的總體性能，結(jié)構(gòu)總重量應(yīng)盡量保持不變，因此設(shè)計(jì)時(shí)，采取多吊點(diǎn)化、減少結(jié)構(gòu)永久性加強(qiáng)和適當(dāng)?shù)呐R時(shí)性結(jié)構(gòu)支撐加強(qiáng)相結(jié)合的措施。

2.3.1 吊點(diǎn)的布置

充分考慮到船體骨架的強(qiáng)弱、不同骨架之間的距離、總段重量及吊環(huán)本身所能承受的載荷，最終確定各總段吊環(huán)的數(shù)量、大小和其布置方式。

2.3.2 結(jié)構(gòu)永久性加強(qiáng)

結(jié)構(gòu)永久性加強(qiáng)會(huì)影響艦船噸位，從而可能影響艦船的總體性能，因此，設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)永久性加強(qiáng)的范圍和數(shù)量，對吊環(huán)作用區(qū)域內(nèi)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行小范圍的修改，以增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，如：

1) 甲板加厚，原4～8 mm局部調(diào)整為10 mm。

2) 肋骨框局部加強(qiáng)，由原6/8×80規(guī)格的T型材換成8/10×80規(guī)格。

3) 吊環(huán)下1 m×1 m范圍內(nèi)主橫隔壁板厚局部增厚，由原4、6 mm換成8 mm板。

4) 2個(gè)縱骨間距內(nèi)的所有非水密開孔均以與所補(bǔ)結(jié)構(gòu)板等厚的水密補(bǔ)板補(bǔ)強(qiáng)。

經(jīng)過仔細(xì)核算，全艦重量共計(jì)增加4.181 t，由于分布均勻，因此其對艦船總體噸位、重量、重心的影響非常小，原則上不會(huì)影響艦船性能。

2.3.3 臨時(shí)性結(jié)構(gòu)支撐加強(qiáng)

由于船體結(jié)構(gòu)不能作大范圍修改，為減小船體吊裝應(yīng)力和控制船體變形，設(shè)計(jì)時(shí)較多采用臨時(shí)加強(qiáng)的方式，按其作用分為3個(gè)方面。

1) 減小應(yīng)力。

(1) 取消原吊環(huán)兩側(cè)肘板，一端直接與外板相連，將外板向上延伸，且延伸部分加厚至14 mm，鋼板用L907A規(guī)格；另一端換成25a槽鋼，保證結(jié)構(gòu)連續(xù)且避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)奇點(diǎn)。

(2) 依附船體傳遞結(jié)構(gòu)受力，減小應(yīng)力集中。如在吊環(huán)下面的橫艙壁上加裝16號槽鋼連接1、2甲板主要結(jié)構(gòu)，并與艙壁焊接，減小艙壁的面內(nèi)應(yīng)力；大開口處以20號槽鋼連接開口兩端(側(cè))的主要結(jié)構(gòu)，使力的傳遞連貫。

2) 直接作為受力構(gòu)件。

由于在吊環(huán)設(shè)置時(shí)，某些肋位處沒有橫向構(gòu)件，因此局部加裝臨時(shí)艙壁，并按船體基本結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)，作為船體主要構(gòu)件承受吊環(huán)拉力，吊裝結(jié)束后拆除，不改變船體本身結(jié)構(gòu)。

3) 控制變形。船體在吊運(yùn)時(shí)容易因受拉壓而變形，因此有必要加裝臨時(shí)性的支撐。為控制重量，設(shè)計(jì)時(shí)考慮情況：

(1) 吊環(huán)作用區(qū)域，以16號槽鋼和100×100×8角鋼連接橫梁與縱桁的交點(diǎn)，使整個(gè)船體呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，控制變形。

(2) 在機(jī)艙大開口等涉及多層甲板的大開口處，用不同型號的槽鋼組成網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)，控制結(jié)構(gòu)變形，減小應(yīng)力集中。

總段吊裝結(jié)束后，拆除所有臨時(shí)結(jié)構(gòu)支撐，且不破壞船體原有結(jié)構(gòu)并打磨光滑。

2.4 強(qiáng)度校核

船體結(jié)構(gòu)有限元建模與分段施工設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，吊裝方案設(shè)計(jì)完成后，模型作相應(yīng)的修改，然后進(jìn)行有限元計(jì)算，設(shè)定的工況盡量模擬吊裝的實(shí)際情況。

初步計(jì)算后完成后，根據(jù)各總段的應(yīng)力分布、變形狀況，找出危險(xiǎn)區(qū)域，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改，如更換承受最大反力的吊環(huán)、增加吊環(huán)區(qū)域構(gòu)件肘板、增加或增強(qiáng)大變形區(qū)域的臨時(shí)加強(qiáng)材等。方案修改及時(shí)反映到有限元模型中，重新進(jìn)行計(jì)算、校核。

經(jīng)過對方案反復(fù)多次優(yōu)化、有限元分析計(jì)算，形成吊裝方案資料和有限元計(jì)算分析報(bào)告。

各總段最大合成應(yīng)力：129、96.2、74.4 MPa。其中最大值與本艦所用鋼板的許用應(yīng)力(312 MPa)的比值為0.413，吊裝是安全的；各總段最大變形分別為：13.00、5.93、6.81 mm，最大變形與船體半寬比為：0.001 625，在彈性變形允許范圍內(nèi)，不會(huì)對船體造成永久性的影響，滿足吊裝工藝目標(biāo)；各總(環(huán))段吊環(huán)承受的最大反力分別為：251.21、280.61、180.20、197.65 kN，均小于相應(yīng)位置吊環(huán)的設(shè)計(jì)載荷(300、400、250、250 kN)，不會(huì)有吊環(huán)失效的情況，因此滿足吊裝要求。

3 方案實(shí)施

實(shí)施包括2個(gè)主要階段：結(jié)構(gòu)永久性加強(qiáng)、總段組裝。

從《建造大綱》確定建造方式開始著手吊裝的技術(shù)準(zhǔn)備，吊裝所需的結(jié)構(gòu)永久性加強(qiáng)設(shè)計(jì)與分段生產(chǎn)設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，同步放樣。分段制造時(shí)，直接用經(jīng)過修改的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可避免分段或總段成形后更換零件所帶來的工時(shí)和材料浪費(fèi)。同時(shí)，由于總組吊環(huán)在分段制造時(shí)就已經(jīng)裝焊，相關(guān)區(qū)域也提前進(jìn)行加強(qiáng)處理，如角焊縫等，避免了分段完工后再進(jìn)行焊縫補(bǔ)強(qiáng)可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題。

總段組裝包括隨船架小車的布置、隨船架小車與船體的連接和臨時(shí)加強(qiáng)等3部分。各總段分段完工后，在總組平臺上按船塢布置圖面置好隨船架小車，并按順序吊裝分段，在總段基本成形后，裝焊附件及臨時(shí)加強(qiáng)材料。隨船架小車承重能力分別為120、80和40 t，結(jié)合鋼墩及墩木重量，選擇隨船架與船體的連接方式，連接材料均為20#槽鋼，根據(jù)隨船架小車的大小及鋼墩重量不同，連接點(diǎn)的數(shù)量也具體設(shè)計(jì)。所有槽鋼均焊接在船體的縱橫構(gòu)架相交處，并以300 mm×300 mm肘板對端部進(jìn)行約束。隨船架小車之間以20#槽鋼約束縱向位移，保障吊裝安全。

臨時(shí)加強(qiáng)材料在實(shí)船中的布置與設(shè)備會(huì)有沖突，為保證加強(qiáng)效果和吊運(yùn)安全，將所有與設(shè)備等沖突的臨時(shí)加強(qiáng)材進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，即在保證原有加強(qiáng)效果的同時(shí)，盡可能考慮施工的方便，并將修改反饋到設(shè)計(jì)圖紙中。

4 吊裝實(shí)施結(jié)果

正式實(shí)施吊運(yùn)時(shí)，2臺600 t龍門吊聯(lián)合運(yùn)行，1 d之內(nèi)成功將3總段(即主甲板下主船體)整體吊運(yùn)入塢。吊裝結(jié)束后，經(jīng)檢查，船體結(jié)構(gòu)未有明顯變形，板材、焊縫等完好，船體基線偏差均在允許范圍之內(nèi)。龍門吊和塔吊的計(jì)算機(jī)顯示，總段重量與理論計(jì)算值相差在5%范圍內(nèi)，結(jié)果證明，本工藝的重量、重心計(jì)算方法有效，新工藝在總段吊裝時(shí)的應(yīng)用是可行的，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

5 方案總結(jié)

1) 吊環(huán)直接布置在主船體上，相比于以前所用的鋼梁抬吊方式，節(jié)省了大量的工裝費(fèi)用和施工時(shí)間。

2) 新工藝采用結(jié)構(gòu)永久性加強(qiáng)和臨時(shí)加強(qiáng)2種加強(qiáng)方式，既保證了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又不影響艦船性能，且臨時(shí)加強(qiáng)材料簡單，可重復(fù)利用，節(jié)省了生產(chǎn)成本。

3) 由于在分段制造時(shí)就將零件進(jìn)行了更換，既節(jié)省了成本，也避免了總段成形后再換時(shí)可能引起的結(jié)構(gòu)破壞和整體外觀；

4) 吊環(huán)選擇既保證了其整體性能，又可以變換其形狀以適應(yīng)實(shí)際需要，并解決了大型吊環(huán)與艦船結(jié)構(gòu)板厚的矛盾；特別是肘板，以槽鋼的形式進(jìn)行加強(qiáng)在保證原有效果的基礎(chǔ)上又保證了結(jié)構(gòu)及應(yīng)力傳遞的連續(xù)性。

5) 在不影響原有結(jié)構(gòu)的原則下，適量的臨時(shí)加強(qiáng)效果明顯。有限元計(jì)算結(jié)果表明，在進(jìn)行臨時(shí)加強(qiáng)前后，最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力相差超過10%，而臨時(shí)加強(qiáng)材料的重量卻不到總段重量的2%。