船體總段吊帶吊裝新工藝研究與應(yīng)用

黃 健，周洪元，奚 健，曹云勇

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引 言

以往國(guó)內(nèi)船廠通常采用甲板吊環(huán)吊裝與鋼梁托架吊裝兩種方式進(jìn)行薄壁船體總段吊裝[1]。采用甲板吊環(huán)吊裝過(guò)程中由于應(yīng)力集中可能造成薄壁船體總段嚴(yán)重變形甚至撕裂板材，故吊裝前需在總段內(nèi)進(jìn)行大量永久性和臨時(shí)性加強(qiáng)。采用鋼梁托架方式將船體總段放置在鋼梁托架上進(jìn)行吊裝，較好地解決了吊環(huán)吊裝應(yīng)力集中引起結(jié)構(gòu)變形的難題，但鋼梁托架本身自重又限制了總段舾裝率，且不適用于其他船型，不利于總段建造模塊化與殼舾涂的一體化。

隨著現(xiàn)代化造船的快速發(fā)展，上述兩種吊裝方式都不利于充分發(fā)揮起吊設(shè)備的能力。而采用吊帶總段吊裝這種新型吊裝方式，則既可大幅減小吊索具的附加重量，又可避免大量不必要的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，解決了前兩種吊裝方式帶來(lái)的弊端。在船舶行業(yè)，薄壁船體總段使用吊帶吊裝尚屬首次。對(duì)船體總段實(shí)現(xiàn)殼舾涂一體化，提高船體總段預(yù)舾裝率，提高艦船建造質(zhì)量具有十分重要的意義。

1 總段結(jié)構(gòu)

E總段為某型船船體機(jī)艙總段，是典型的深V型薄壁船體總段，其位于#58～#110肋位之間，設(shè)有1甲板、2甲板和內(nèi)底。1甲板在E總段范圍內(nèi)縱向連續(xù)，在#72～#84肋位之間距中2280mm內(nèi)具有機(jī)艙大開(kāi)口。2甲板#59～#106肋位之間間斷，內(nèi)底在E總段范圍內(nèi)縱向連續(xù)，E總段每?jī)蓹n肋位設(shè)有肋骨框架，#98和#110肋位處設(shè)置橫艙壁，總段結(jié)構(gòu)為縱骨架式，板材型材均采用低合金高強(qiáng)度鋼，1甲板板厚3～4mm,外板厚度為6～7mm。

2 吊帶吊裝方案

2.1 船體總段的質(zhì)量重心計(jì)算

根據(jù)各專(zhuān)業(yè)設(shè)備舾裝托盤(pán)安裝情況，對(duì)船體總段所包含的分段結(jié)構(gòu)質(zhì)量、外舾裝、內(nèi)舾裝、輪機(jī)管系、冷空調(diào)系統(tǒng)、輪機(jī)設(shè)備、電器設(shè)備、電裝附件及特種設(shè)備等，各專(zhuān)業(yè)的項(xiàng)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，計(jì)算出E總段的質(zhì)量重心。

2.2 吊裝方案

船體總段吊裝方案是在平臺(tái)進(jìn)行分段總組和總段預(yù)舾裝，船體總段由4臺(tái)門(mén)座式起重機(jī)（2臺(tái)80t吊車(chē)、2臺(tái)120t吊車(chē)）將機(jī)艙E總段抬吊運(yùn)至船臺(tái)。在總段＃61、＃70、＃80、＃90、＃98和＃108肋位處設(shè)置吊帶，吊帶自一側(cè)甲板邊緣向下，沿船體表面貼繞至另一側(cè)甲板邊緣處，吊帶甲板以下部分由固定保護(hù)器將其約束于船體相應(yīng)肋骨框架內(nèi)。在E總段的艏部#61肋位#70肋位布置兩根吊帶由兩舷伸出甲板企口，由2臺(tái)80t起重機(jī)通過(guò)額定載荷為160t的吊排連接起吊，在E總段中艉部#80、#90、#98 、#108肋位布置四根吊帶，由2臺(tái)120t起重機(jī)分別連接起吊，每根吊帶由兩舷伸出甲板企口，通過(guò)卸扣與鋼絲繩連接吊排或吊鉤，4臺(tái)起重機(jī)吊重載荷相當(dāng)于分配在3個(gè)點(diǎn)上，從而保證載荷的合理分配。

圖1 E總段吊裝受力示意

2.3 船體總段吊帶吊裝的受力狀況計(jì)算分析

選取額定負(fù)載為50t、長(zhǎng)度為23m的R02-50型吊帶進(jìn)行吊裝。吊車(chē)對(duì)稱(chēng)布置在船臺(tái)兩側(cè)，總的吊裝能力為400t，安全起吊定額按四臺(tái)吊車(chē)吊重的80%計(jì)算為320t，經(jīng)計(jì)算E總段的總質(zhì)量為215t。

吊帶吊裝的受力分析計(jì)算：具體的吊點(diǎn)設(shè)置及總段垂直起吊狀態(tài)的受力分析見(jiàn)圖1～3，#61和#70肋位處兩根吊帶左右舷端部分別匯于吊排兩端，由2臺(tái)80t吊車(chē)聯(lián)動(dòng)起吊，吊排中點(diǎn)處受到吊車(chē)的拉力T2；T21和T22。#80至#108肋位處4根吊帶左右舷端部分別匯于一個(gè)吊點(diǎn)，由2臺(tái)120t吊車(chē)連動(dòng)起吊，吊點(diǎn)所受塔吊拉力T1、T12和T11。經(jīng)詳盡計(jì)算得：F1=20.91t ，F(xiàn)2=18.27 t 。

圖2 #61和#70段左舷吊帶受力示意

圖3 #80～#108段左舷吊帶受力示意

根據(jù)船體線型的特點(diǎn)，船體結(jié)構(gòu)在甲板邊緣、舭部折角和底龍骨處承受吊帶張緊力在該處的合力作用，其他區(qū)域的船體外板與吊帶間無(wú)相互作用力。典型剖面（＃61肋位）吊帶受力分析見(jiàn)圖4。

由圖4可知，P1～P6分別為船體結(jié)構(gòu)在船底龍骨和左右舷舭部、甲板邊緣處承受的吊帶合力。根據(jù)吊裝方案，位于甲板以下部分的吊帶通過(guò)固定保護(hù)器約束于船體肋骨框架內(nèi)，因此P1～P4方向位于船體橫剖面內(nèi)，且P1和P2對(duì)稱(chēng)，P3和P4對(duì)稱(chēng)；位于甲板以上部分的吊帶沿船體縱向具有傾角，因此P5和P6方向與船體肋骨剖面具有夾角。

2.4 總段吊裝船臺(tái)傾斜受力分析

船臺(tái)傾斜比為1:20，傾斜角為2.86°。此時(shí)80t吊車(chē)和120t吊車(chē)的承重不變，船體總段艏部#61、#70兩個(gè)肋位吊帶受力相等（見(jiàn)圖 5）吊帶受力不變，沿船長(zhǎng)方向的最大縱向分為，此時(shí)若按原定預(yù)舾裝率計(jì)算出船體總段質(zhì)量為G=231t （包括吊索具），根據(jù)垂向受力平衡和對(duì)重心力平衡條件得：T1=160t ，T2=71t，符合吊裝安全規(guī)范。

圖4 典型剖面吊帶受力示意

圖5 總段傾斜工況中縱剖面受力示意

2.5 總段吊裝變形控制技術(shù)研究

針對(duì)深V型薄壁船體總段剛性較弱等特點(diǎn)，首先進(jìn)行吊帶的張力計(jì)算，對(duì)吊帶吊裝方案進(jìn)行受力分析可知#61和#70肋位吊帶內(nèi)張力相等，#80和#108肋位吊帶內(nèi)張力相等，垂向分量之和為相應(yīng)吊點(diǎn)載荷，如圖3所示進(jìn)行計(jì)算獲得在#61、#70肋位甲板邊緣護(hù)角器處得縱向分力為F1*cosθ1=3.59t ，F(xiàn)2在#90、#98肋位甲板邊緣(護(hù)角器處)的縱向分力為：F2*cosθ2=3.65t ，F(xiàn)2在#80、#108肋位甲板邊緣(護(hù)角器處)的縱向分力為：F2*cosθ3=10.90t 。研究表明吊帶固定工裝（保護(hù)器）能夠抵御吊帶側(cè)向分力及橫向分力，有效避免吊帶沿船長(zhǎng)方向發(fā)生側(cè)向滑移，確保吊帶載荷作用于船體肋骨框架上，在舭部折角處具有較大的集中載荷，研究設(shè)計(jì)折角保護(hù)工裝設(shè)備可有效控制船體總段結(jié)構(gòu)變形。

國(guó)家及遼寧省教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃均明確指出，踐行知行合一，將實(shí)踐教學(xué)作為深化教學(xué)改革的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。[2]要強(qiáng)化課堂教學(xué)、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)的融合，普及推廣項(xiàng)目教學(xué)、案例教學(xué)、情境教學(xué)等教學(xué)模式。[3]

在總段吊帶吊裝過(guò)程中，細(xì)節(jié)控制尤為重要，必須實(shí)施精度測(cè)控，制定相關(guān)的測(cè)控方法，建立測(cè)量的基準(zhǔn)面（線）與監(jiān)控點(diǎn)，實(shí)施全程跟蹤，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和統(tǒng)計(jì)分析。

2.6 有限元計(jì)算

依據(jù)中國(guó)船級(jí)社《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范（2007）》[2]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“規(guī)范”），對(duì)E總段吊裝過(guò)程中船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。

根據(jù)規(guī)范3.2.16，起重機(jī)結(jié)構(gòu)件許用應(yīng)力 按下式計(jì)算得到：

式中：σS——鋼材屈服強(qiáng)度，E總段船體采用E36高強(qiáng)度鋼，σS=355MPa；n——安全系數(shù)，參照規(guī)范表3.2.16.1有風(fēng)作業(yè)工況取1.5；β——鋼材屈服比系數(shù)，參照規(guī)范表2.3.5取1.0。

E總段在吊帶吊裝狀態(tài)下進(jìn)行有限元計(jì)算，結(jié)合了船體總段線型與結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，結(jié)合上述吊帶吊裝方案的受力分析計(jì)算結(jié)果，將有限元計(jì)算所得的船體結(jié)構(gòu)最大合成應(yīng)力匯總（見(jiàn)表1）。

表1 船體結(jié)構(gòu)最大合成應(yīng)力匯總 單位：MPa

圖6 有限元三維船體模型

有限元計(jì)算結(jié)果表明 E總段高應(yīng)力區(qū)主要集中在設(shè)置吊帶處的甲板邊緣、舷頂列板上緣、舭部外板以及相應(yīng)位置肋骨框架的局部區(qū)域，吊裝應(yīng)力小于許用應(yīng)力。船體總段吊裝船體結(jié)構(gòu)變形較小。將總段吊裝的吊帶設(shè)置在船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力相對(duì)集中的#61、#70、#80、#90、#98、#108肋位具有合理性，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較好，滿足規(guī)范要求，三維船體模型見(jiàn)圖6。

經(jīng)過(guò)有限元對(duì) E總段吊帶吊裝方案的理論計(jì)算分析，在實(shí)際吊裝過(guò)程中對(duì)可能產(chǎn)生的應(yīng)力變化所采取的實(shí)際控制措施的驗(yàn)證吊帶吊裝具有安全性，可靠性、實(shí)用性、通用性。

3 吊帶保護(hù)器設(shè)計(jì)制作

3.1 保護(hù)器剪切應(yīng)力計(jì)算

吊帶保護(hù)器的失效剪切應(yīng)力參照規(guī)范取材料強(qiáng)度的0.58倍，企口保護(hù)器與護(hù)角器材質(zhì)為A級(jí)鋼，屈服強(qiáng)度σs=235MPa ，護(hù)角器失效剪切應(yīng)力[τ]=0.58?σs=136.3MPa 。

根據(jù)上述船體總段吊裝狀態(tài)分析，吊帶最大縱向分力出現(xiàn)在總段調(diào)整到與船臺(tái)斜度平行時(shí)，此時(shí)吊帶最大的縱向分力為12.86t 。故護(hù)角器與船體結(jié)構(gòu)焊接部位所承受的最大剪切應(yīng)力為τ=F/S=35.73MPa<136.3MPa滿足規(guī)范要求。

3.2 保護(hù)器結(jié)構(gòu)組成

吊帶固定保護(hù)器分為企口保護(hù)器與折角保護(hù)器。企口保護(hù)器有掛板、面板、導(dǎo)向板、加強(qiáng)肘板、加強(qiáng)板、吊耳和止滑板組成，在甲板邊緣的企口內(nèi)則有加強(qiáng)板與三角肘板與外掛的企口保護(hù)器連接。折角保護(hù)器由加強(qiáng)板、擋板和填充物組成（見(jiàn)圖7、8）。

圖7 企口保護(hù)器示意

圖8 折角保護(hù)器示意

3.4 企口保護(hù)器使用

企口保護(hù)器在總段實(shí)際吊裝過(guò)程中的使用見(jiàn)圖9?？梢钥闯銎罂诒Ｗo(hù)器設(shè)置在強(qiáng)肋骨甲板邊緣，舷頂列板上緣的企口上。吊帶用橡膠皮包裹后穿過(guò)企口保護(hù)器與吊索具連接。

企口保護(hù)器對(duì)稱(chēng)設(shè)置，企口保護(hù)器的加強(qiáng)肘板設(shè)置在吊帶的受力方向。

3.5 折角保護(hù)器的使用

折角保護(hù)器設(shè)置在船底與舷部外板相接的折角處，見(jiàn)圖10，吊帶用橡膠皮包裹后穿過(guò)擋板。

圖9 企口保護(hù)器應(yīng)用實(shí)例

圖10 折角保護(hù)器應(yīng)用實(shí)例

4 實(shí) 施

經(jīng)首制船E總段首次實(shí)施總段吊帶吊裝后（見(jiàn)圖11），后續(xù)船又相繼采取了三總段吊帶吊裝方法，在總段吊帶吊裝方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，并形成一系列工藝文件和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為其它船型實(shí)施吊帶吊裝奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖11 總段吊帶吊裝

在充分考慮總段質(zhì)量、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工廠設(shè)施基礎(chǔ)上，進(jìn)行船體總段吊帶吊裝工藝技術(shù)研究、理論分析和有限元計(jì)算、吊點(diǎn)布置、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、工裝設(shè)計(jì)；根據(jù)船體總段吊裝設(shè)計(jì)要求，對(duì)船體總段吊帶等吊索具進(jìn)行載荷計(jì)算、選型及設(shè)置。解決了吊帶首次應(yīng)用于船體總段吊裝、4臺(tái)起重機(jī)3吊點(diǎn)吊裝及傾斜船臺(tái)吊裝風(fēng)險(xiǎn)控制等技術(shù)難點(diǎn)。

針對(duì)深V船型、板薄、結(jié)構(gòu)剛性較弱等特點(diǎn)，通過(guò)有限元計(jì)算吊帶內(nèi)張力和吊帶作用于環(huán)形總段上的載荷分布及薄壁船體總段結(jié)構(gòu)受力和變形情況，進(jìn)行吊帶設(shè)置、設(shè)計(jì)吊帶固定保護(hù)工裝，保護(hù)總段結(jié)構(gòu)、有效控制總段變形。

固定保護(hù)器的設(shè)計(jì)制作不僅新穎、簡(jiǎn)約且具實(shí)用性，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

總段建造技術(shù)屬于現(xiàn)代化造船模式，吊帶吊裝新工藝與甲板吊環(huán)或鋼梁托架吊裝相比具有自重小，可減小吊索具重量，最大限度發(fā)揮起吊能力；該吊裝方式中吊帶與總段外板線性接觸，避免了局部接觸導(dǎo)致的應(yīng)力集中，可有效降低吊裝變形，避免大量結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，是船體總段吊裝工藝上的一次科技創(chuàng)新。新工藝能有效提高預(yù)舾裝率和建造質(zhì)量，縮短建造周期；吊帶可以在不同型號(hào)、不同產(chǎn)品之間交替使用，適用性廣。吊帶吊裝新工藝必將在船舶與海洋工程行業(yè)的大型總段吊裝上帶來(lái)一次重大技術(shù)革新，有著巨大的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

[1] 黃 浩. 船體工藝手冊(cè) [M] . 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1989.

[2] 中國(guó)船級(jí)社. 船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范（2007）[S]. 北京：人民交通出版社，2007.