海工電氣設備基座的優(yōu)化設計

于棟亮，田慶明，陳 霖，趙日升

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

海洋平臺是人類用于開發(fā)海洋資源的基礎化設施，集各種先進的設計與制造技術于一體，結構復雜，造價昂貴。如何在降低造價的同時提高結構的可靠性，是海工項目設計、建造的一個永恒命題。為提高平臺的性能和可靠性，需要研究新的設計理論和技術，通過科學的計算方法，以獲得優(yōu)化的設計方案。

通過對傳統(tǒng)基座的分析，開發(fā)出一些新形式設備基座，并綜合考慮設備定位、安裝時所遇到的難題，設計出一個專用安裝工具。并對新舊形式基座作了綜合分析。

1 基座分類

根據(jù)平臺建造的階段，可以把基座的種類分為3類：

1)預舾裝：分段組立結束、沖砂涂裝前階段，由預舾裝部施工的所有需燒焊的基座。

2)總段舾裝：分段總段（分段與分段拼接）結束、搭載之前安裝的基座。

3)最終舾裝：搭載結束后，安裝于總段與總段之間的基座（不便在預舾裝階段施工的基座）。

2 基座選用標準

2.1 材料驗算

舉例：一個 20kg的電氣設備，基座腿長 D=150 mm ，按傳統(tǒng)經驗，選擇50mm×50mm×5mm 的角鋼。根據(jù)型鋼表（熱軋等邊角鋼（GB700-79））查得，50mm×50mm×5mm 的角鋼參考數(shù)值為：y=1.42cm ，Iz=11.21cm4。

根據(jù)材料力學[1]最大正應力公式σ=My/ Iz。式中：M——橫截面的彎矩；y——需求應力的點對中性軸的坐標；I——慣性矩。由于設備底座有4個腳，分攤到每個腳M=M/4，σ=20×0.15× 1.42× 10-2/

z總(4×11.21×10-8)=95(MPa)。一般角鋼材料選用Q235-A，即屈服應力σ0=235 MPa[2]。根據(jù)ABS規(guī)范要求，σ≤[σ]；[σ]=σ0×η。式中：[σ]——許用應力；η——有效利用因子，ABS規(guī)范要求船體結構材料的有效利用因子選0.8，驗算得σ=95 ＜[σ]=0.8×235=188 MPa[2]；雖此材料符合要求，但規(guī)格偏大。重新選取40 mm×40 mm×5 mm 角鋼。重復以上步驟算得σ=159MPa，既滿足要求，又減少了重量和制造成本。

綜上分析，影響角鋼選型的參數(shù)為：設備的質量M、基座的腳高D，因此在角鋼選型時可適當縮短角鋼腳高來降低角鋼的規(guī)格，以達到減輕重量的目的。

2.2 根據(jù)設備重量選型

表1的數(shù)據(jù)是根據(jù)以上公式計算所得，其規(guī)格數(shù)據(jù)較傳統(tǒng)經驗數(shù)據(jù)有所降低。

表1 設備基座所用角鋼選用表

3 注意事項

1)小型設備盡可能選用形狀類似的基座。

2)考慮到空間和振動，基座的腳高盡可能短一點（盡量控制在 300mm以內）。小型設備的基座適合采用70～100mm的腳高（務必確認是否包絕緣）。

3)包有白鐵皮的房間，設備基座的腳高應等于鋼圍壁離白鐵皮表面的距離。

4)圍壁內安裝的基座，基座面與木圍壁內側平齊并在基座的內側燒焊螺母。

5)考慮到安全，落地設備的基座盡可能采用角鋼，同時將角鋼的面朝外設計。

6)設計時機艙、舵機艙等層高較高區(qū)域的燈架盡可能利用艙壁或柱子。

7)為節(jié)省物資、工時成本，同一區(qū)域安裝多個設備時，盡量采用組合基座。

4 基座優(yōu)化設計

4.1 設備基座形式的優(yōu)化

對側燒設備而言，傳統(tǒng)設計的基座形式如圖1所示，設備安裝在基座上，主要應力集中在4個腿上，中間的橫撐主要有兩個用途：1)保持基座的整體性，方便定位；2)產生橫向或縱向拉力。

圖1 傳統(tǒng)基座形式

優(yōu)化后的基座如圖2所示，基座可由4個獨立的腿組成，設備的所有重量由4個腿承受，每個腿上留一個孔，以便設備接地，另外，考慮到在基座安裝時，較難規(guī)定設備尺寸，因此，設計了一個專用的安裝工具，見圖3。設計步驟如下：

圖2 優(yōu)化后的設備基座形式

圖3 基座安裝專用工具

1)制作2套設備安裝專用工具和4套螺絲螺帽；

2)現(xiàn)場施工人員用這兩套安裝工具交叉固定在設備上，測量出設備安裝孔的孔距，并在安裝工具上畫上刻度（用可擦筆寫）；

3)卸下安裝工具，把4個基座固定在安裝工具上，并根據(jù)剛剛記錄的數(shù)據(jù)調整好4個基座之間的孔距；

4)把安裝工具看成設備并定位，點焊4個基座，卸下安裝工具，滿焊。

4.2 設備基座個性化設計

考慮到設備上必須貼有設備銘牌，在設計基座時就考慮一體化設計。即將銘牌位置預留好，給設備進線的扁鋼準備好，避免這些附件安裝時所帶來的麻煩，見圖4所示。

圖4 個性化設計后的基座形式

5 基座優(yōu)化效果分析

經綜合比較，新的設備基座有如下優(yōu)點：

1)體積輕巧，大型側燒設備的基座可以不作為封艙件處理；

2)基座結構比較簡單，可以通用；

3)設備孔距現(xiàn)場可以調節(jié)，免去設備實物與到手圖紙不一致的困擾；

4)節(jié)省材料，節(jié)約成本。

當然，新的設備基座也有缺點，如現(xiàn)場工作人員無法根據(jù)設備安裝圖對基座直接定位安裝，必須現(xiàn)場測量。從建造方角度看，設計時最重要的兩個指標為實用性、經濟性。下面從經濟性角度來分析新舊基座的優(yōu)劣。

優(yōu)化前結構見圖1。設角鋼理論重量密度u（kg/m），優(yōu)化前基座重量M1=[2(W+L)+4D]×u 。優(yōu)化后結構見圖2優(yōu)化后基座重量M2=4D×M；

減重重量：M減=M1-M2=[2(W+L)+4D]×u-[2(W+L)+4D]×u=2(W+L)×u ；

節(jié)省率η=2(W+L)×u/{[2(W+L)+4D]×u}=(W+L)/[(W+L)=2D]；

若一設備D=100mm，W=700mm，L=800mm，η=（700mm+800mm）/[(700mm+800mm)+2×100mm]=88%。根據(jù)型鋼表（熱軋等邊角鋼（GB700-79））查得，型號為63mm×63mm×6mm的角鋼，重量密度u=5.7kg/m，則減重M減=17.1kg。平臺上此類壁掛設備大約有200個，總減重 M總=17.1× 200=3.42 t。

6 結 語

控制設備基座重量是海工產品重量控制的一個重要措施。從本文分析數(shù)據(jù)可以看出，只要從實用性和經濟性兩大要素出發(fā)，采用合適的設計方法和理論分析，打破經驗設計的禁錮，將會對平臺的設計優(yōu)化和成本控制提供更大的幫助。

[1] 歐貴寶，朱加銘.《材料力學》[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1997.

[2] 陳鐵云，陳伯真.《船舶結構力學》[M].上海：上海交通大學出版社，1992.