2500t單臂架起重船建造技術(shù)分析

倪 國 春

（中船江南重工股份有限公司，上海 200023）

0 引 言

大型起重船主要用于大型物件起重作業(yè)、沉船打撈、海灘救助、橋梁架設(shè)等等。特別是海洋工程裝備這個(gè)新興行業(yè)，必須依靠大型起重船在海面進(jìn)行吊裝。隨著我國經(jīng)濟(jì)的增長，科技實(shí)力的提升，逐步進(jìn)入這一領(lǐng)域，目前已能設(shè)計(jì)和建造數(shù)千噸甚至接近萬噸起重能力的起重船，如振華港機(jī)建造的7500t“藍(lán)鯨”號起重船。

我國在全球金融危機(jī)背景下[1,2]，適時(shí)提出了加快船舶工業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃，一方面推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高大型企業(yè)綜合實(shí)力，形成新的競爭優(yōu)勢，另一方面加快自主創(chuàng)新，開發(fā)高技術(shù)高附加值船舶，發(fā)展海洋工程裝備，為大型起重船的發(fā)展創(chuàng)造良好條件。

1 工程技術(shù)水平

1.1 起重船概況

2500t單臂架起重船的航行區(qū)域?yàn)榻：蛢?nèi)河航區(qū)，起重作業(yè)為遮蔽海域、內(nèi)河和港口水域。結(jié)構(gòu)形式為單底（機(jī)艙部分為雙層底）、單甲板、縱骨架式方箱駁船型，采用4錨定位的方式進(jìn)行起重作業(yè)。船體主要結(jié)構(gòu)采用D、E級船用結(jié)構(gòu)鋼，龍門架結(jié)構(gòu)采用D32、D36高強(qiáng)度船用結(jié)構(gòu)鋼，臂架、A架及其絞座采用Q500D和Q500E高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。臂架為桁架式結(jié)構(gòu)，與主船體連接為銷軸連接。工作吊鉤為額定起重能力 2500t（625t×4）的主鉤，見圖1。

1.2 構(gòu)造及主要參數(shù)

該船為固定式臂架非自航起重船，主要參數(shù)及特點(diǎn)如下：

1)臂架起升高度高。吊鉤滿載起升高度達(dá)到101m，能用于超高結(jié)構(gòu)的吊裝作業(yè)。

2)臂架總長度長、變幅范圍寬。臂架總長達(dá)120m，工作變幅范圍 30～65°，舷外最遠(yuǎn)吊距能達(dá)到93m（吊重400t）。長臂架加上寬變幅使得該起重船能進(jìn)行遠(yuǎn)距離作業(yè)，具有較高的作業(yè)效率。

3)滿載吃水淺、通航高度要求低。通航時(shí)可以將臂架放置在15°，能通過限高48m的橋梁，作業(yè)適應(yīng)范圍廣。

國內(nèi)外大型起重船參數(shù)比照見表1。

圖1 2500t單臂架起重船

表1 國內(nèi)外大型起重船參數(shù)比照

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 水陸結(jié)合方式安裝臂架

大型起重船的主體結(jié)構(gòu)可分為船體和臂架2部分，將兩者合攏安裝再穿繞變幅和起升鋼絲繩系統(tǒng)，是一個(gè)復(fù)雜的安裝工程。通常有如下2個(gè)實(shí)施方案：

1)借用大型的船塢。根據(jù)該船外形尺寸（船長105.6m，型寬 42m）以及臂架尺寸、重量（總長120m，總重1200t），需要10萬噸級以上的船塢，用2臺650t以上龍門起重機(jī)抬吊臂架，這樣才能滿足安裝需要。

2)采用其他大型起重船，在水面上進(jìn)行吊裝。根據(jù)該船情況，需要2艘起重能力1000t以上的起重船吊裝臂架。如果有良好的碼頭條件，可以將船體系泊在碼頭進(jìn)行安裝，如碼頭條件不理想，則選擇在寬闊水域拋錨后安裝。

該船的臂架安裝吸收了以上2種方案的優(yōu)點(diǎn)，并借鑒了大型龍門起重機(jī)[3]的提升方法，創(chuàng)新地提出水陸結(jié)合的總裝方案。先將總裝完成的臂架以根部朝向水側(cè)滑移出去與船首龍門架絞座對接，根部對接后穿引鋼絲繩系統(tǒng)，再用提升塔架將臂架頭部抬起至變幅可運(yùn)行角度（15°），最后利用變幅絞車將臂架拉起完成整體安裝。

首先是臂架根部與船首龍門架絞座的連接。將船體移進(jìn)港池，用移船絞車與港池兩側(cè)帶纜樁將船體系好，船體在移船絞車控制下進(jìn)行前后位置的調(diào)節(jié)。臂架通過滑移小車將根部伸出平臺，調(diào)整其左右位置，使其位于船首龍門架兩絞座后，采用一副提升塔架將根部抬起，并移動和調(diào)整臂架前后位置，使其鉸軸孔對準(zhǔn)龍門架絞座軸孔，然后穿裝銷軸，見圖2。

圖2 臂架根部與船體龍門架絞座的安裝

根部對接后安裝鋼絲繩系統(tǒng)，通過變幅絞車、A架和臂架變幅滑車穿引變幅鋼絲繩；通過起升絞車、A架、臂架起升滑車和吊鉤穿引起升鋼絲繩。然后采用提升塔架進(jìn)行臂架頭部的提升。將臂架抬至變幅絞車運(yùn)行范圍之內(nèi)，啟動變幅絞車提升臂架完成安裝過程，見圖3。

2.2 大型軸套、襯套的過盈配合安裝

臂架根部銷軸孔與銷軸的安裝采用大型襯套和軸套過渡，其中大型襯套與軸套間為過盈配合，襯套材質(zhì)為鑄造鋁青銅，見圖4。

襯套的安裝采用了冷卻法，經(jīng)過一系列的工藝探索、理論研究并結(jié)合以往同類產(chǎn)品的冷卻法安裝經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)施中采用了整體浸沒冷卻方式，冷卻介質(zhì)選用液氮。同時(shí)根據(jù)鋁青銅材質(zhì)的線膨脹系數(shù)，結(jié)合襯套尺寸、冷卻介質(zhì)溫度、環(huán)境溫度等因素制定了詳細(xì)操作工藝。安裝完成后經(jīng)檢查襯套與軸套過盈配合良好，達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖3 臂架頭部提升

圖4 臂架鉸點(diǎn)過盈襯套

2.3 Lebus（籬笆絲）繩槽技術(shù)的應(yīng)用

Lebus繩槽技術(shù)是美國人Lebus發(fā)明的一種適合鋼絲繩多層卷繞的繩槽技術(shù)，這種繩槽只在一圈中的兩個(gè)點(diǎn)上錯(cuò)開半個(gè)節(jié)距，其余部分均平行于卷筒法蘭，這樣每一圈繩槽正好錯(cuò)開一個(gè)節(jié)距[4]。由于這個(gè)特點(diǎn)，國內(nèi)起重行業(yè)稱之為“折線繩槽”。Lebus繩槽作為專利技術(shù)，與一般的螺旋繩槽相比，更能確保鋼絲繩排列整齊，提高鋼絲繩的平順度，大大減少鋼絲繩之間的摩擦，延長了鋼絲繩的使用壽命。另外，其對鋼絲繩直徑、卷繞層數(shù)、出繩速度的適應(yīng)性也相當(dāng)強(qiáng)。

該船變幅絞車和起升絞車上使用了 Lebus繩槽，在絞車裸卷筒上鑲嵌分體式Lebus繩槽卷筒皮完成安裝。與繩槽配對的鋼絲繩在卷筒上會自動沿繩槽卷繞排列整齊，因此并不需要另外的排繩系統(tǒng)。這種繩槽技術(shù)也避免了排繩器與絞車滾筒的同步問題以及與鋼絲繩的摩擦問題。

Lebus繩槽對鋼絲繩的要求很高，鋼絲繩匹配不好容易造成亂繩。因此在選繩時(shí)，應(yīng)根據(jù) Lebus繩槽的特點(diǎn)對鋼絲繩，如繩芯構(gòu)造、旋轉(zhuǎn)方式、直徑公差、預(yù)應(yīng)力等等均提出特殊要求，以保證鋼絲繩能滿足Lebus繩槽的要求。此外，鋼絲繩在Lebus繩槽上卷繞穿引時(shí)，必須施加適當(dāng)?shù)陌惭b張力。如果鋼絲繩卷繞太松會造成底層松垮，在頂層受力時(shí)就會產(chǎn)生亂繩現(xiàn)象；如果卷繞太緊，則給安裝帶來困難。圖5為起升鋼絲繩在Lebus繩槽卷筒上的卷繞過程。

圖5 起升鋼絲繩卷繞在Lebus繩槽卷筒上

2.4 變頻器-電機(jī)驅(qū)動的雙備切換優(yōu)化設(shè)計(jì)

該船起重系統(tǒng)配置有4套起升絞車電機(jī)，每臺功率300kW，4套變幅絞車電機(jī)，每臺功率315kW，絞車電機(jī)的驅(qū)動均采用變頻器。在系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)上，要求起升和變幅系統(tǒng)不能同時(shí)工作。

按照通常的驅(qū)動配置方案，選擇功率 400kW的變頻器，一臺電機(jī)配備一臺變頻器，需8臺變頻器，形成一一對應(yīng)配置方案。根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)還可設(shè)計(jì)成切換配置方案：一臺變頻器驅(qū)動一組起升電機(jī)和變幅電機(jī)，需4臺變頻器，通過切換開關(guān)滿足使用性能。這兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，在一一對應(yīng)方案中每臺變頻器的使用效率只有50%，資源并未充分利用。而在切換方案中每臺變頻器都是滿負(fù)荷運(yùn)行，資源利用率高，但是若某一臺變頻器出現(xiàn)故障，則起升電機(jī)和變幅電機(jī)都不能工作。

該船的傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)為雙備切換方案。每組起升電機(jī)、變幅電機(jī)各配置2臺變頻器，正常工作時(shí)采用起升變頻器對應(yīng)起升電機(jī)，變幅變頻器對應(yīng)變幅電機(jī)的一對一模式。當(dāng)每組變頻器中任一臺出現(xiàn)故障時(shí)，可通過變頻器輸出端設(shè)置的兩組切換開關(guān)，對相應(yīng)的兩臺電機(jī)進(jìn)行交換驅(qū)動。使2臺變頻器和2臺電機(jī)實(shí)現(xiàn)一一對應(yīng)并互為備用的方案，既能提高變頻器的利用率，也可解決變頻器出現(xiàn)故障時(shí)2臺電機(jī)都不能工作的難題?？紤]到變頻器的諧波影響，還在變頻器輸入端配置了無源諧波濾波器，以保護(hù)發(fā)電機(jī)和網(wǎng)路的其他重要電氣設(shè)備。見圖6。

圖6 起重機(jī)構(gòu)單傳動方案圖

3 結(jié) 語

水陸結(jié)合的臂架安裝方案是該船建造技術(shù)的一種創(chuàng)新。這種方案的成功實(shí)施，一方面可以證明方案本身的科學(xué)性，另一方面也為類似安裝工程提供了一套新的解決方案。在一系列施工難點(diǎn)中，例如大直徑軸套與薄壁襯套的過盈配合安裝工藝，Lebus繩槽的鋼絲繩應(yīng)如何選用及安裝，電機(jī)驅(qū)動方案的優(yōu)化等。通過工藝摸索獲得了許多重要工藝參數(shù)，對作為造船、海洋工程施工配套技術(shù)裝備的大型起重船工程施工積累了大量工藝資料。

[1]朱宏任. 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐 促進(jìn)船舶工業(yè)由大到強(qiáng)[J].上海造船，2010, (1)∶ 1-5.

[2]魏家福. 積極應(yīng)對全球金融危機(jī)的中國海運(yùn)業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 上海造船，2010, (1)∶ 9-11.

[3]王金成，孫東勝. 600t龍門起重機(jī)制作[J]. 上海鋼結(jié)構(gòu)，2005, (增)∶ 57-59.

[4]籬笆絲公司. Lebus繩槽產(chǎn)品說明書[Z]. 2009.