風(fēng)車安裝船主吊車吊重試驗(yàn)方案分析及實(shí)施

顏建軍

(中遠(yuǎn)船務(wù)(啟東)海洋工程有限公司，江蘇 啟東 226259)

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風(fēng)車安裝船主吊車吊重試驗(yàn)方案分析及實(shí)施

顏建軍

(中遠(yuǎn)船務(wù)(啟東)海洋工程有限公司，江蘇 啟東 226259)

為了最大程度地縮短自升式風(fēng)車安裝船建造工期，有效降低項(xiàng)目成本，在進(jìn)行主吊車吊重試驗(yàn)時(shí)采用了在塢內(nèi)坐墩來(lái)替代插樁提升狀態(tài)的試驗(yàn)方案。吊重試驗(yàn)結(jié)果顯示，方案實(shí)施順利，項(xiàng)目成本降低100萬(wàn)美元，建造周期縮短1個(gè)月。

主吊車；吊重試驗(yàn)；塢內(nèi)坐墩；有限元分析

0 引言

自升式風(fēng)車安裝船(以下簡(jiǎn)稱“風(fēng)車船”)是集大型風(fēng)車構(gòu)件運(yùn)輸、起重和安裝功能于一體的海洋專業(yè)工程特種船舶，作業(yè)地點(diǎn)主要在近海0～45 m水深的地方。風(fēng)車安裝船上的主吊車是核心設(shè)備，起著舉足輕重的地位。

在主吊車的安裝調(diào)試工作中，吊重試驗(yàn)是非常關(guān)鍵的一道工序。參照以前建造的風(fēng)車安裝船主吊車吊重試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，主吊車做額定負(fù)荷重量試驗(yàn)時(shí)需要在主船體抬升以后才能進(jìn)行的。但受工廠碼頭區(qū)域的資源、土壤等條件的限制，往往要通過(guò)外部租借或者到近海去做試驗(yàn)，這給企業(yè)增加了成本和延長(zhǎng)了時(shí)間。針對(duì)這一狀況，本文采用在工廠船塢內(nèi)坐墩來(lái)替代插樁提升狀態(tài)完成相關(guān)試驗(yàn)的方案。

1 風(fēng)車船概況

風(fēng)車安裝船為球鼻艏、方艉、雙艉鰭船型；船底結(jié)構(gòu)形式為雙層底縱骨架式，單層舷側(cè)及甲板亦為縱骨架式，艏部局部結(jié)構(gòu)為橫骨架式；配備DP-2動(dòng)力定位系統(tǒng)、艏側(cè)推及樁腿液壓提升系統(tǒng)。圖1為風(fēng)車船布置圖。主尺度及主要設(shè)計(jì)參數(shù)：

船長(zhǎng) (總長(zhǎng))

133.25 m

船長(zhǎng) (垂線間長(zhǎng))

121.68 m

型寬

39.00 m

型深

9.0 m

設(shè)計(jì)吃水

5.8 m

樁腿長(zhǎng)

82.50 m

樁腿數(shù)目

4

作業(yè)水深

45 m

航區(qū)

近海航區(qū)

海床條件

巖基或承載力較高的砂性土海底地質(zhì)條件

2 試驗(yàn)方案

2.1 主吊車參數(shù)

類型：Gusto GLC-900-ED

正常吊臂：94 m，長(zhǎng)吊臂：114 m。

吊重噸位@臂距：900 t@24 m，600 t@30 m (正常吊臂)；700 t@28 m (長(zhǎng)吊臂)。

主吊車為雙吊臂工作模式，適用性更廣，根據(jù)風(fēng)車重量及尺寸，選擇合適的吊臂，滿足吊運(yùn)的不同需求。圖2為主吊車布置圖。

2.2 傳統(tǒng)試驗(yàn)方案

傳統(tǒng)試驗(yàn)方案除了吊車付鉤等小噸位試驗(yàn)可以在風(fēng)車船浮態(tài)完成外，主吊鉤額定負(fù)荷試驗(yàn)考慮到穩(wěn)性的要求，則必須在船體提升狀態(tài)下進(jìn)行，采用樁腿支撐主船體。如果碼頭的土壤分析不滿足插樁要求，就要到近?；蜃饨栌袟l件的地方實(shí)施。這樣勢(shì)必會(huì)造成時(shí)間和成本的增加，同時(shí)也增加了難度，降低船廠的競(jìng)爭(zhēng)力。圖3為風(fēng)車船抬升狀態(tài)。

2.3 塢內(nèi)坐墩試驗(yàn)方案

塢內(nèi)坐墩試驗(yàn)方案就是在風(fēng)車船進(jìn)塢時(shí)采用塢墩支撐主船體，然后進(jìn)行吊車吊重試驗(yàn)。試驗(yàn)前塢墩按照試驗(yàn)要求的塢墩排布圖，將塢墩安裝到位，并控制相應(yīng)的精度要求?？紤]塢內(nèi)坐墩方案，必須要對(duì)主吊車試驗(yàn)時(shí)局部負(fù)荷對(duì)船體變形進(jìn)行分析。圖4為塢墩布置圖。

圖1 風(fēng)車船布置圖

圖2 主吊車布置圖

圖3 風(fēng)車船抬升狀態(tài)

進(jìn)塢塢墩布置精度控制：船長(zhǎng)方向±50 mm，船寬方向±50 mm，塢墩高度(1 700±5) mm。

3 有限元計(jì)算分析

根據(jù)該風(fēng)車安裝船在船塢內(nèi)吊重試驗(yàn)的要求和性能特點(diǎn)，確定典型計(jì)算工況，采用有限元直接計(jì)算的方法對(duì)船體結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度進(jìn)行分析，并對(duì)Fr35～Fr76肋位進(jìn)行屈曲強(qiáng)度校核。吊重試驗(yàn)時(shí)，船體結(jié)構(gòu)吃水為1.3 m，主船體由塢墩支撐，所有樁腿和樁靴自由下放至塢底地面；船體結(jié)構(gòu)除了承受較大的重力、水壓力、塢墩支反力以外，吊機(jī)所在的3號(hào)升降室還承受極大的彎矩和垂向載荷，其強(qiáng)度問(wèn)題應(yīng)當(dāng)予以重視。而要完成該船的吊重試驗(yàn)并獲得各主要構(gòu)件較精確的應(yīng)力及變形結(jié)果，應(yīng)用有限元方法對(duì)其船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析是必不可少的。

圖4 塢墩布置圖

3.1 計(jì)算工況

對(duì)風(fēng)車船的船舶重量、設(shè)備重量以及吊機(jī)載荷統(tǒng)計(jì)分析后，得出有限元計(jì)算工況，其工況情況分別見(jiàn)表1、表2。

表1 基本載荷工況

表2 組合載荷工況

3.2 計(jì)算模型

有限元計(jì)算模型的編輯處理所用軟件為SESAM/GeniE，線彈性分析解算器為Sestra。有限元模型包括Fr0～Fr204范圍內(nèi)的所有主要船體結(jié)構(gòu)。所有甲板、艙壁、桁材腹板等均用3、4節(jié)點(diǎn)板殼單元模擬；船體縱骨、加強(qiáng)筋、橫梁、桁材面板等用2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧M?？傮w模型網(wǎng)格尺寸為650 mm，所關(guān)注的局部區(qū)域網(wǎng)格尺寸為100 mm。

3.3 邊界條件

塢墩投影范圍內(nèi)，約束Z方向的位移；中縱剖面與艉部主甲板及艏部前甲板的交點(diǎn)處，約束了X、Y方向的位移。

當(dāng)約束所有塢墩Z(yǔ)向位移時(shí)，3號(hào)樁腿下面部分約束點(diǎn)受拉，與實(shí)際情況不符。因此將受拉點(diǎn)的約束取消，并以對(duì)應(yīng)塢墩的支反力代替，邊界條件如圖5所示。

3.4 計(jì)算結(jié)論

屈服強(qiáng)度校核基于等效應(yīng)力Von-Mises應(yīng)力進(jìn)行評(píng)估，高強(qiáng)度鋼的最小屈服應(yīng)力為355 MPa，安全系數(shù)取2.0，從而得出許用應(yīng)力為177.5 MPa。根據(jù)規(guī)范DNV-OS-C102 Structural Design of Offshore Ships，板殼單元網(wǎng)格大小為100 mm時(shí)，許用應(yīng)力峰值為525.4 MPa。本文2種組合工況下的最大應(yīng)力分別為470.7 MPa和462.3 MPa(肘板趾端應(yīng)力)，滿足規(guī)范要求，其結(jié)果見(jiàn)表3。

圖5 邊界條件

表3 船體結(jié)構(gòu)最大Von-Mises應(yīng)力

基于軟件PULS對(duì)Fr35～Fr76肋位進(jìn)行屈曲校核，其結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 屈曲校核結(jié)果

經(jīng)分析，試驗(yàn)時(shí)除局部高應(yīng)力大于材料許用應(yīng)力外，所關(guān)注區(qū)域的船體結(jié)構(gòu)滿足2倍安全系數(shù)的強(qiáng)度要求。考慮到高應(yīng)力區(qū)域周圍的網(wǎng)格單元應(yīng)力較小，在實(shí)際情況中應(yīng)力會(huì)趨于重新分配。從表4看出，根據(jù)屈曲校核結(jié)果，最大利用率為0.87，因此，船體結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度承擔(dān)吊重試驗(yàn)引起的載荷，但局部結(jié)構(gòu)屈曲強(qiáng)度無(wú)法滿足2倍的安全系數(shù)的要求。

為了防止分析的錯(cuò)誤，從而造成不可挽回的損失，要求設(shè)計(jì)公司給予審核，確認(rèn)方案的可行后，再進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

4 吊重試驗(yàn)實(shí)施

風(fēng)車船進(jìn)塢后，首先完成主吊車各項(xiàng)功能試驗(yàn)、校核以及小鉤、付鉤的吊重試驗(yàn)。在準(zhǔn)備試驗(yàn)主吊車的吊重試驗(yàn)50、700、770 t前，將塢內(nèi)按前期試驗(yàn)要求，將塢內(nèi)放水至3 m，從而減小吊車試驗(yàn)時(shí)短時(shí)間對(duì)底板局部造成的變形影響。

試驗(yàn)過(guò)程中，為避免船體局部變形，及時(shí)安排船體檢查人員到船體雙層底應(yīng)力最大處外觀檢查，檢查船體內(nèi)部構(gòu)架是否發(fā)生彎曲變形等。同時(shí)，因主吊車仍然處于試驗(yàn)中，沒(méi)有交付使用，建議吊重試驗(yàn)時(shí)環(huán)境周邊風(fēng)力不大于6級(jí)風(fēng)。

包括前期準(zhǔn)備及進(jìn)出塢時(shí)間，前后1個(gè)月完成了主吊車塢內(nèi)所有試驗(yàn)。

5 結(jié)論

風(fēng)車船主吊車的吊重試驗(yàn)的常規(guī)方案是在提升狀態(tài)下進(jìn)行，但受制于碼頭硬件資源等因素。本文介紹的風(fēng)車安裝船主吊車吊重試驗(yàn)方案采用了在工廠船塢內(nèi)坐墩來(lái)替代插樁提升狀態(tài)完成相關(guān)試驗(yàn)的方案，經(jīng)過(guò)前期方案提出、方案論證，最終試驗(yàn)順利實(shí)施完成，最大程度地利用現(xiàn)有企業(yè)的資源，降低了項(xiàng)目成本100萬(wàn)美元，縮短了項(xiàng)目建造周期1個(gè)月，同時(shí)為后續(xù)同類項(xiàng)目積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

[1] 邱菀華.現(xiàn)代項(xiàng)目管理導(dǎo)論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2] 陳鐵云,陳伯真.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1991.

2016-11-28

顏建軍(1975—)，男，工程師，主要從事海洋工程平臺(tái)建造及研究。

U661.4

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