自升式鉆井平臺居住艙室模塊移運裝置設(shè)計

張宜群,顧軍軍

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032； 2.江南長興造船有限責(zé)任公司，上海 201913)

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自升式鉆井平臺居住艙室模塊移運裝置設(shè)計

張宜群1,顧軍軍2

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032； 2.江南長興造船有限責(zé)任公司，上海 201913)

隨著我國船舶工業(yè)向高端轉(zhuǎn)型發(fā)展，海洋工程平臺、豪華郵輪等高端船型的艙室數(shù)量多，傳統(tǒng)艙室建造方式難以滿足需求。以典型自升式鉆井平臺生活樓為研究對象，結(jié)合典型居住艙室模塊特點和移運要求，提出居住艙室模塊的新型移運裝置設(shè)計方案，詳細闡述該裝置的工作原理、各組成部分和使用方法，并采用有限元法校核該裝置的強度和剛度。計算結(jié)果表明：該移運裝置能夠滿足工程使用要求，可重復(fù)使用、方便快捷、成本低、更加安全可靠，為艙室模塊移運技術(shù)和工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

自升式鉆井平臺；居住艙室；模塊；移運裝置

0 引言

在高效、節(jié)能、環(huán)保的造船理念影響下，傳統(tǒng)船舶與海洋工程裝備的艙室施工作業(yè)模式的弊端日漸顯露出來，尤其在造船行業(yè)處于低迷的階段，如何控制成本、提高效益，是船東、船廠和配套廠家迫切需要解決的問題。隨著造船技術(shù)的發(fā)展，歐洲、日韓等國已實現(xiàn)多種類型船舶上層建筑和海洋平臺建造方式的重大變革，采用居住艙室模塊化設(shè)計和建造方法，應(yīng)用專業(yè)化生產(chǎn)車間進行居住艙室模塊的預(yù)制組裝，然后整體吊裝上船安裝[1]，解決了傳統(tǒng)生產(chǎn)模式效率低、質(zhì)量難以保證等問題，使得艙室內(nèi)部的裝修施工效率顯著提升。

現(xiàn)有技術(shù)中的居住艙室模塊移運裝置各有優(yōu)缺點，傳統(tǒng)使用撬棍的方法效率低、質(zhì)量不易保證，容易損壞船舶甲板表面；目前常用的自制小車移運大型艙室安全性差，居住艙室模塊移運時易脫離小車跌落墜地，造成沖擊損傷；居住艙室模塊艙壁嵌入輪子的方法成本過高，僅適用于豪華郵船這類高附加值船型。因此，方便快捷、低成本、小型化、提高安全性就成了居住艙室模塊移運技術(shù)的發(fā)展方向。本文以外高橋承造的CJ50-X120-G自升式鉆井平臺為研究對象，設(shè)計了一種用于自升式平臺居住艙室模塊的可重復(fù)使用的移運裝置，可實現(xiàn)典型居住艙室模塊方便快捷、低成本、更加安全性的移運，為模塊移運技術(shù)完善以及工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 自升式鉆井平臺居住艙室模塊移運基本要求

1.1 自升式鉆井平臺典型居住艙室模塊簡介

CJ50自升式鉆井平臺的生活樓可容納約150人居住，單人間與雙人間共計121個，其中119個房間尺寸相同(4 400 mm×2 642.5 mm)，艙室內(nèi)布置基本相同，因此，典型居住艙室可以采用模塊化設(shè)計和建造方式，應(yīng)用專業(yè)化預(yù)制組裝，整體上船安裝。該自升式平臺及其典型居住艙室如圖1所示。本文用來移運的居住艙室模塊包括居住部分和衛(wèi)生單元部分，居住部分為無底結(jié)構(gòu)，衛(wèi)生單元部分為有底結(jié)構(gòu)，壁板為A型復(fù)合巖棉板，厚度為30 mm，天花板為A型復(fù)合巖棉板，厚度為25 mm。

圖1 典型自升式鉆井平臺及其典型居住艙室圖

1.2 典型居住艙室模塊移運基本要求

居住艙室模塊主要考慮移運安全性、靈便性以及層高要求等，需滿足：(1) 移運裝置需要具備2 t升降能力(非典型較大居住艙室模塊約1.7 t，典型艙室模塊小于該重量)，能夠?qū)⒕幼∨撌夷K整體提升和下降，確保升降過程中艙室的穩(wěn)定。(2) 移運裝置需要具備足夠的結(jié)構(gòu)強度和剛度，保證居住艙室模塊在移運過程中不與裝置分離，實現(xiàn)平穩(wěn)移運。(3) 移運裝置需要具備靈活轉(zhuǎn)向能力，能夠滿足移運過程中的轉(zhuǎn)彎、平移等工作狀態(tài)要求。(4) 移運裝置需要滿足艙室層高要求，居住艙室天花板到上層甲板間約有700 mm距離，需布置主干風(fēng)管，艙室天花板距離主干風(fēng)管下緣略大于100 mm，因此，移運時艙室模塊整體提升高度約100 mm。(5) 移運裝置需要滿足4～5名工人操作，盡量減少工人和工時。

2 自升式鉆井平臺居住艙室模塊的移運裝置設(shè)計方案

2.1 設(shè)計思想和原理

本次設(shè)計的新型移運裝置由鋼制框架結(jié)構(gòu)、升降裝置和多個萬向輪組成[2]。升降部分是本次設(shè)計的核心。由于居住艙室模塊整體重量不到2 t，空間體積與集裝箱相當(dāng)，因此，借鑒千斤頂基本原理和相關(guān)裝置，結(jié)合自升式鉆井平臺居住艙室模塊的特點，在居住艙室模塊常用自制小車的基礎(chǔ)上，開展研發(fā)設(shè)計工作，增加移運過程中的安全性和可靠性。千斤頂主要有齒條千斤頂、液壓千斤頂、螺旋千斤頂和充氣千斤頂?shù)榷喾N類型，綜合考慮使用體積、操作性和經(jīng)濟性等，選用2 t手動液壓千斤頂。另外，移運過程中需要轉(zhuǎn)向和最終定位，選用剎車萬向輪用于移動和定位。

2.2 移運裝置的組成部分

自升式鉆井平臺居住艙室模塊的新型移運裝置主要由折角形式的鋼結(jié)構(gòu)、艙壁靠臂、升降機構(gòu)(含滑動支架、2 t起重能力的液壓千斤頂和鋼鏟)及底部的3個剎車萬向輪等部件組成，如圖2所示。該裝置依靠升降機構(gòu)的鋼鏟和艙壁靠臂與艙室模塊接觸，鋼鏟插入居住艙室模塊底部對其進行支撐，艙壁靠臂采用直角貼靠，2個面同時扶靠，在鋼板層外增加橡膠層，用于防止居住艙室模塊壁板外表面劃傷或磕碰。3個剎車萬向輪實現(xiàn)移運和定位。本移運裝置可提升最大高度為200 mm，移運時最小提升高度要求不小于80 mm，能夠滿足在一般船舶甲板內(nèi)的移動和轉(zhuǎn)向。

圖2 移運裝置組成部分示意圖

2.3 移運裝置的使用方法和步驟

本文設(shè)計的新型移運裝置需要4個為1組同時工作，將其分別移至居住艙室模塊外的4角處，分別下降滑動支架，將鋼鏟插入居住艙室模塊4個角的底部，如圖3所示；然后同時啟動千斤頂，使居住艙室模塊整體提升至距離地面約100 mm的高度，如圖4所示；所有千斤頂鎖緊后，推至甲板指定區(qū)域定位，如圖5所示。然后，開啟萬向輪的剎車裝置，卸下居住艙室模塊，關(guān)閉剎車，逐一抽出4個移運裝置即完成1次移運，后續(xù)居住艙室模塊重復(fù)上述過程，直至所有模塊移動和定位結(jié)束，最后在撬棍的協(xié)助下取出本移運裝置。重復(fù)上述工序，直至所有艙室移運安裝就位，如圖6所示。

圖3 移運裝置插入操作示意圖

圖4 移運裝置提升操作示意圖

圖5 某甲板典型居住艙室模塊移運路線圖

圖6 某甲板所有典型居住艙室模塊就位圖

2.4 與同類型移運裝置的對比分析

大船重工多次完成自升式生活平臺的建造，其典型居住艙室基本采用模塊化設(shè)計和制造，具有較為成熟的技術(shù)和豐富的經(jīng)驗，采用的移運裝置為常用自制小車，如圖7a)所示，其結(jié)構(gòu)形式由鋼制框架結(jié)構(gòu)、千斤頂提升裝置和底部萬向輪組成。上海船舶工藝研究所課題組開展居住艙室模塊試驗，其采用的移運裝置為常用自制小車，如圖7b)所示，其結(jié)構(gòu)形式與大船重工相似，為了更好地定位，將萬向輪改為剎車萬向輪。常用自制小車盡管使用方便，但是安全性差，居住艙室模塊移運時易脫離小車跌落墜地，造成沖擊損傷。本文設(shè)計提出的新型移運裝置如圖7c)所示，結(jié)構(gòu)形式由平面框架結(jié)構(gòu)改為折角框架結(jié)構(gòu)，升降裝置也改為折角形式，同樣方便快捷、成本低，移運的安全性和可靠性明顯提高。

圖7 同類型移運裝置對比圖

3 移運裝置有限元計算分析

3.1 建立有限元計算模型

本文應(yīng)用Patran 2010軟件對該新型移動裝置進行有限元計算[3-4]，簡化后的計算模型如圖8所示。千斤頂和鋼鏟間的滑動連接桿尺寸為35 mm×4 mm(滑動桿與固定桿間隙需匹配)，其余桿尺寸為30 mm×4 mm，鋼鏟厚度5 mm，千斤頂?shù)装搴穸? mm。鋼鏟頂端、千斤頂頂端滑動桿采用MPC單元連接到垂向固定桿，并釋放z方向自由度。

圖8 簡化后的計算模型示意圖

3.2 約束和加載

約束：頂部支點約束水平位移；輪子底部約束垂向位移；考慮到靜摩擦力，對鋼鏟受力平面約束水平位移，如圖9所示。

加載：重力加速度取9 810 mm/s2，鋼鏟加載取1 t(實際承載在0.3～0.8 t，考慮到安全性本文用1 t載荷進行校核)。鋼鏟的底面積為14 475 mm2，面壓力為0.678 N/mm2。加載示意圖如圖10所示。

圖9 邊界條件示意圖

圖10 鋼鏟底面加載示意圖

3.3 計算結(jié)果

有限元模擬結(jié)果如圖11～圖14所示，可以看出：板單元合成應(yīng)力最大值為165 MPa，梁單元合成應(yīng)力最大值為169 MPa，梁單元最小合成應(yīng)力為-170 MPa，均小于普通低碳鋼屈服極限235 MPa，滿足強度要求。圖14為整體變形圖，可以看出：梁單元最大變形為0.018 mm，板單元最大變形3.93 mm，滿足工程需求。

圖11 板單元合成應(yīng)力圖 圖12 梁單元最大合成應(yīng)力圖

圖13 梁單元最小合成應(yīng)力圖 圖14 整體變形圖

4 結(jié)論

本文以典型自升式鉆井平臺為研究對象，結(jié)合該平臺典型居住艙室模塊特點和移運基本要求，通過深入研究提出了居住艙室模塊的新型移運裝置設(shè)計方案，設(shè)計一種用于自升式平臺居住艙室模塊的新型移運裝置。該裝置在常用自制小車移運裝置的基礎(chǔ)上進行改進優(yōu)化，艙壁靠臂采用直角貼靠，實現(xiàn)2個面同時扶靠，提高了移運的安全性和穩(wěn)定性，并具有方便快捷、低較成本、安全可靠、可重復(fù)使用的優(yōu)點，為居住艙室模塊移運工裝的改進和重物移運技術(shù)優(yōu)化提供參考。經(jīng)有限元計算校核，其強度和剛度能夠滿足工程使用要求，為艙室模塊移運技術(shù)和工程應(yīng)用提供了技術(shù)參考。

[1] 孫新峰.預(yù)制模塊化艙室單元的技術(shù)特點及應(yīng)用[J].船舶,2015(1):95-100.

[2] 王金娥,曹紅梅,李蘭美.模塊化造船技術(shù)應(yīng)用綜述[J].造船技術(shù),2013(5):1-4.

[3] 王國治.多用途液壓搬運車：ZL99234503.0[P].2000-3-22.

[4] 趙耕賢.船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)之一(結(jié)構(gòu)強度) [J].船舶,2000,12(6):22-35.

Design of Transport Device for Jack-Up Drilling Unit′s
Accommodation Cabin Module

ZHANG Yiqun1，GU Junjun2

(1.Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute,Shanghai 200032,China; 2.Shanghai Jiangnan Changxing Shipbuilding Co.,Ltd.,Shanghai 201913,China)

With the development of China's shipbuilding industry transformation to high-tech ship ,the cabins of offshore platform,luxury cruise liner and other high-tech ship are massive,the traditional cabin construction method is difficult to meet demand.The living building of typical jack-up drilling unit is taken as the research carrier.Combined with the typical accommodation cabin module features and transport requirements of jack-up drilling unit,a design scheme for the new transport device of the typical accommodation module is given,and its working principle,components and operation method are described.Strength and stiffness of the transport device are calculated by finite element design method.And the results show that the transport device can meet using requirements.The transport device can be used repeatedly,which is convenient and rapid,low cost,safe and reliable.It provides technical reference for cabin module transportation technology and engineering application.

jack-up drilling unit; accommodation cabin; module; transport device

2016-12-28

張宜群(1982-)，男，高級工程師

1001-4500(2017)03-0023-07

U667

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