鉆井船上層建筑整體吊裝工藝研究與應用

周 慶，徐 輝，龔偉兵，李佳琦（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

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鉆井船上層建筑整體吊裝工藝研究與應用

周 慶，徐 輝，龔偉兵，李佳琦
（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

摘 要：對總重1 500 t的鉆井船上層建筑整體吊裝工藝進行研究，在保證上層建筑預舾裝完整性的前提下，設計了吊梁、滑輪和卸扣組成的吊索具型式，制定了整體吊裝的工藝方案，同時應用有限元法對吊裝過程中的應力和變形進行了校核，并根據(jù)計算結果優(yōu)化吊裝方案，從而保證整體吊裝作業(yè)的順利進行。

關鍵詞：上層建筑；整體吊裝；工藝研究；有限元

0 引言

船舶與海洋工程中的上層建筑通常采用模塊化的建造方法，以大大提高預舾裝率和建造進度。近年來隨著船廠吊裝設備能力的提高和吊裝工藝的逐步改進，上層建筑的整體吊裝已經(jīng)成為船舶與海洋工程建造中的重要工藝。由于上層建筑在結構分類上一般屬于次要結構，具有重量大、尺度大、強度弱、剛性小的特點，使得大型上層建筑的整體吊裝變得尤為困難，設計合理的吊裝工藝方案，已經(jīng)成為保證吊裝作業(yè)順利進行的關鍵問題。

近年來，船舶與海洋工程建造越來越重視對于上層建筑整體吊裝工藝的研究，袁紅莉等［1］以大型散貨船的上層建筑為研究對象進行了吊裝工藝設計，王峰等［2］對大型船舶上層建筑整體吊裝的工藝進行了研究，并應用有限元計算進行驗證。本文以某型超深水鉆井船的上層建筑整體吊裝作業(yè)為研究對象，研究內容包括吊裝工藝難點分析、吊裝方案制定、新型索具設計、強度與變形校核等，并將研究成果應用于實船項目，保證了吊裝作業(yè)的安全可靠。

1 吊裝工藝研究

1.1上層建筑基本參數(shù)

該鉆井船上層建筑設計定員180人，結構共分為六層，從下到上分別為A甲板、B甲板、C甲板、D甲板、駕駛甲板和頂甲板，整個結構長29.3 m、寬34.0 m、高22.4 m。吊梁、吊耳及其加強結構采用AH36高強鋼制作，除此以外，整個上層建筑均采用普通船用鋼建造，外圍壁板厚8 mm，除頂甲板板厚為8 mm外，其它甲板板厚均為6 mm。整個上層建筑的吊裝重量為1 431 t，重心如表1所示。

表1　上層建筑重量重心

1.2工藝難點與應對措施

該鉆井船上層建筑設吊裝工藝設計的難點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）受船廠吊裝設備能力限制，該上層建筑加上吊索具總重1 500多噸，船廠的吊裝設備無法滿足要求。

2）上層建筑的重量重心主要靠統(tǒng)計和計算得出，準確性受制于各專業(yè)提供的分項重量的精確度，導致重量重心較難控制，再加上起重船是四鉤頭浮吊，吊裝方案的設計要充分考慮到常規(guī)吊環(huán)可能會導致每根鋼絲繩受力不均勻，被吊物可能整體傾倒而使吊裝作業(yè)有失敗的危險。

3）上層建筑結構剛性相對較弱，進行整體吊裝時候容易發(fā)生變形。

針對上述工藝難點，經(jīng)過分析可以采取下述應對措施：

1）船廠吊裝能力不足的問題可以通過租用大噸位起重船來解決。

2）重量重心控制問題，可以通過AVEVA或者INTEGRAPH等專業(yè)三維船舶設計軟件對上層建筑進行精確建模，各專業(yè)重量重心數(shù)據(jù)直接通過軟件從模型提取，從而盡可能保證上層建筑重量重心的準確度。同時通過設計新型的帶滑輪的吊索具，使單個鋼絲繩盡可能受力均勻，保證吊裝安全可靠。

3）吊裝變形問題，可以通過有限元直接計算方法，校核上層建筑結構吊裝過程的強度與變形，并根據(jù)計算結果調整和優(yōu)化吊裝方案。

2 吊裝方案設計

2.1整體方案

綜合上層建筑重量和船廠碼頭水深等因素，選用江蘇蛟龍打撈公司的2 000 t起重船“秦航工1號”進行本次整體吊裝作業(yè)，該起重船吊臂由雙扒桿組成，共四個主鉤，單鉤承重500 t，最大吊重2 000 t。吊裝方案的設計綜合考慮了鉆井船上層建筑結構型式以及該起重船雙扒桿四鉤頭的特點，根據(jù)碼頭布置，本次吊裝起重船起吊仰角選為68°，即吊臂與水平面的夾角為 68°，主鉤距起重船船艏距離為32.7 m，主鉤起升高度為12.2 m，吊梁距上層建筑吊點高度為15.1 m，鋼絲繩與吊梁夾角為78°，整體吊裝方案如圖1所示。

圖1　吊裝方案布置圖

2.2吊索具設計

對應起重船四個主鉤，在上層建筑上共布置了四組吊點，每組8個吊耳，一共32個吊耳。吊耳布置于上層建筑駕駛甲板的艏艉兩側，艏部兩組吊耳以前圍壁的上端為眼板，此處前圍壁的板厚增加到30 mm，加上頰板，吊耳眼板的總厚度達110 mm，艉部兩組吊耳采用D型吊耳，布置在后圍壁上。為了保證單個吊耳和單根鋼絲繩均勻受力，設計了鋼絲繩、滑輪與吊梁組合的吊索具，如圖2所示，吊梁端部設計為無卸扣式，采用纏繞方式與鋼絲繩連接。

索具共四套，對應四個鉤頭和四組吊點。每套索具均由相同數(shù)目的鋼絲繩、滑輪和卸扣組成，通過滑輪的調節(jié)作用，保證每組吊點的吊耳和鋼絲繩之間均勻受力，四套索具的總重量為128 t，索具清單見表2。

圖2　吊索具型式

表2　索具清單

3 強度與變形校核

為保證上層建筑整體吊裝作業(yè)的強度與變形安全，利用MSC. Pattran有限元軟件對整體吊裝進行直接計算，計算參考GL-Noble Deenton規(guī)范［3］和《船體結構強度直接計算指南》［4］，通過有限元分析來校核上層建筑和吊梁結構的強度和變形是否滿足整體吊裝要求。

3.1有限元模型

通過MSC. PPatran軟件建立整個上層建筑的結構有限元模型，整體模型如圖33所示。甲板、艙壁、縱桁及橫梁的腹板采用板單元建模，縱桁和橫梁的面板、甲板縱骨及艙壁扶強材等采用梁單元建模，鋼絲繩用桿單元建模。總體網(wǎng)格尺寸為350mm × 3500 mm，即每一縱骨間距兩個單元，吊耳附近區(qū)域細化網(wǎng)格尺寸為443.75 mm × 433.75 mm，吊梁結構網(wǎng)格尺寸為50 mm× 50 mm。

圖3　上層建筑有限限元模型

圖4　吊梁端部有限限元模型

3.2坐標系、邊界條件及載荷工況

坐標系定義：采用右手法則，定義FR0與基線和中線的交點為坐標原點，x軸為沿船長方向，指向船首為正，y軸為沿船寬方向，指向左舷為正，z方向向上為正。

邊界條件：所有吊點鋼絲繩索具末端約束x、y、z三個方向位移，另外在有限元模型上通過理論重心的截面上選取兩個節(jié)點，一個節(jié)點位于橫向結構上，約束它的x方向位移，另外一個節(jié)點位于縱向結構上，約束它的y方向位移。

載荷工況：上層建筑的重量通過慣性載荷施加，根據(jù)規(guī)范［3］，重量慣性載荷需要考慮動態(tài)放大、重心偏移、索具偏差等各種載荷修正系數(shù)，綜合規(guī)范中規(guī)定的各項系數(shù)，得到整體吊裝中不同結構分類的計算工況和載荷系數(shù)如表3所示。

表3　工況與載荷系數(shù)

3.3計算結果分析

根據(jù)規(guī)范［3］，采用許用應力法進行有限元分析，在考慮吊裝載荷系數(shù)情況下，材料系數(shù)取為0.75，則普通鋼的許用應力為176 MPa，AH36高強鋼的許用應力為266 MPa，計算所得各個結構部位的最大應力結果如圖5～圖7所示。

整理各工況下的最大應力和變形結果如表4所示，由結果可知，各工況下結構應力與變形均未超過規(guī)范［3］許用應力要求，從吊裝強度與變形角度考慮，吊裝工藝設計合理可行。

圖6　吊耳結構應力分布

表4　最大應力與變形

圖5　上層建筑應力分布

圖7　吊梁結構應力分布

4 結論

海洋工程船舶和平臺的建造，在具備大型起重設備的前提下，盡量提高上層建筑的預舾裝率，再運用整體吊裝的工藝方法完成上層建筑與主船體的合攏安裝，可以大大提高勞動生產(chǎn)率和內舾裝工程的施工質量，同時也能有效縮短建造周期并降低成本。對于多吊點的大型上層建筑整體吊裝，通過帶滑輪組合的索具設計，能夠有效解決單個吊耳和單個鋼絲繩受力不均勻問題，從而保證上層建筑在吊裝過程中不失穩(wěn)。利用有限元軟件計算校核吊裝過程中上層建筑的應力和變形，并根據(jù)計算結果優(yōu)化設計方案，對于提高吊裝工藝設計質量、保證整體吊裝作業(yè)安全具有重要意義。

參考文獻：

［1］ 袁紅莉， 蔡振雄， 陳章蘭. 53 000 DWT散貨船上層建筑整體吊裝工藝設計［J］. 船舶工程， 2009，31（2）： 1-3.

［2］ 王鋒， 汪家政. 大型船舶上層建筑整體吊裝技術研究及應用［J］. 造船技術， 2011， 299（1）： 20-22.

［3］ GL Noble Denton. Guidelines for Marine Lifting & Lowering Operation［S］. 0027/ND Rev10， 2013.

［4］ 中國船級社. 船體結構強度直接計算指南［S］. 北京：人民交通出版社， 2001.

［5］ 楊龍， 張少雄. 船體結構上層建筑設計計算中邊界條件的處理［J］. 船海工程， 2004（1）： 18-20.

［6］ 翟高進， 陳秩鋒， 郭林. 57000DWT散貨船上層建筑水下整體吊裝工藝制定與有限元分析［J］. 造船技術，2010， 297（5）： 22-25.

［7］ 李永正， 王珂， 郭瑋. 大型油船上層建筑整體吊裝強度有限元分析［J］. 科學技術與工程， 2012， 12（36）：10011-10016.

中圖分類號：U674.38+1

文獻標志碼：A

DOI：10.14141/j.31-1981.2016.03.007

作者簡介：周慶（1974—），男，碩士，工程師，研究方向：船舶與海洋工程結構設計與分析。

Study and Application of Superstructure Complete Lifting Technique of Drilling Ship

Zhou Qing， Xu Hui， Gong Wei-bing， Li Jia-qi
（COSCO Shanghai Shipyard Co.， Ltd.， Shanghai 200231， China）

Abstract：The lifting technique is studied for the superstructure of the drilling ship with 1 500 t. Subject to keeping the integrity of pre-outfitting of the superstructure， the lifting slings is designed to be composing of spread beam， block and shackle. The complete lifting plan is made accordingly. In the meantime， the FE analysis is performed to verify the strength and deformation for the lifting operation. The lifting plan can be optimized according to the calculating results to ensure the successful lifting.

Key words：superstructure； complete lifting； technique study； finite element