潛水支持船大型潛水減壓艙組的安裝設(shè)計

付慶義，張家茂，林煥泉

（招商重工（深圳）有限公司，深圳518000）

1 前言

潛水減壓艙組是為潛水員提供加減壓氣體環(huán)境并兼具起居功能的艙室，一般由轉(zhuǎn)移艙（簡稱TL）和甲板減壓艙（簡稱DDC）組成，雙鐘潛水支持船由2臺TL 和4組DDC組成，安裝于船舶潛水甲板上，設(shè)備間通過對接法蘭連接并安裝于其獨立的基座上，其布置方式見圖1 所示。

圖1 潛水減壓艙室布置圖

潛水減壓艙組受船舶搖擺等運動的影響會產(chǎn)生運動加速度；設(shè)備運行時艙內(nèi)需要充入高壓氣體，其壓力一般高達30 bar；其溫度會隨著環(huán)境溫度的變化而變化，由于環(huán)境溫度變化幅度很大，必須采取必要的措施，以保證設(shè)備和艙內(nèi)潛水員的安全。

2 撬塊鞍座的滑移

從圖1可以看出，潛水減壓艙可以從CL 向左右分成左右兩部分，這兩部分左右對稱。為簡便起見，我們以左舷側(cè)的一半設(shè)備組來進行設(shè)備組的受力和位移分析。

采用有限元應(yīng)力分析軟件，模擬潛水減壓艙組在船上的各種受力狀況，并加載環(huán)境溫度變化和壓力變化因素，將其分成數(shù)個載荷工況（一般為22 個）計算艙組每一個鞍座在每個載荷下的位移量。

經(jīng)過有限元分析可知，自由鞍座沿撬塊的運動主要表現(xiàn)在沿其縱向的伸縮變化，最大的位移達到13.5 mm，如果不采取相應(yīng)措施，設(shè)備及其基座將產(chǎn)生很大的應(yīng)力，對設(shè)備和人員將產(chǎn)生很大的危險。

3 對安裝方案的要求

對安裝設(shè)計方案應(yīng)滿足下列要求：

（1）盡量選用生產(chǎn)中相對成熟的技術(shù)手段；

（2）設(shè)備具備穩(wěn)定、牢固的束縛，以保證其安全運行；

（3）合理設(shè)計在設(shè)備位移變化方向上的束縛，在為設(shè)備底座提供合理幅度的自由度的同時，不應(yīng)產(chǎn)生非預(yù)期的其他方向上的自由度；

（4）可以釋放設(shè)備在船上正常運行以及環(huán)境變化而產(chǎn)生的所有附加應(yīng)力；

（5）施工方案應(yīng)合理、簡便、易于操作，并滿足船級社等管理當局的規(guī)則規(guī)范要求。

4 安裝方案設(shè)計

4.1 墊塊的選擇

（1）墊塊類型

在造船生產(chǎn)中常用的安裝方式有：鋼質(zhì)墊塊、鋼質(zhì)楔形墊塊、成品墊塊、環(huán)氧樹脂墊塊、吊架吊裝、設(shè)備直接與基座接觸安裝等。

對于潛水減壓艙的安裝，由于設(shè)備的校中要求比較高（每個撬塊罐體長度大于8m、寬度2.85m、直徑分別是和2.53m、每對對接法蘭之間的SAG 不大于1mm）、設(shè)備組鋪展面積大（達160 m2），所以必須使用墊塊。鋼質(zhì)墊塊與鋼質(zhì)楔形墊塊，由于撬塊底腳尺寸很大，每個撬塊底腳尺寸大約為寬300 mm、長2 000 mm，如果使用鋼質(zhì)墊塊或鋼質(zhì)楔形墊塊，為了保證墊塊與撬塊底腳以及基座面板間的間隙滿足建造質(zhì)量要求，墊塊的加工將會非常困難。本設(shè)備為大型群組，由于彈性墊塊會引起設(shè)備之間的相對運動，對法蘭連接處產(chǎn)生額外的巨大的應(yīng)力，所以各設(shè)備之間采用剛性法蘭連接。

近年來，出現(xiàn)了一種新型的可調(diào)節(jié)墊塊。這種墊塊由上下兩個圓柱狀鋼塊再加頂端一個球冠組成：兩個圓柱體由螺紋來實現(xiàn)相對運行，可調(diào)整墊塊高度；上端的球冠可以調(diào)整墊塊角度，即使上下安裝面偏離平行可正常安裝。但市場上還沒有見到較大尺寸的可調(diào)節(jié)墊塊，如果使用小型墊塊將很不經(jīng)濟，吊架安裝方式也顯然不太方便。

環(huán)氧樹脂墊塊已成熟應(yīng)用于船舶及海工設(shè)備的安裝施工中，其有如下幾方面的優(yōu)點：

① 其對與之接觸的設(shè)備底座下表面和基座上表面的平面度、粗糙度等要求較低，可以免除機件表面的各種研配和機加工；

② 施工操作簡單方便，操作者稍加培訓(xùn)便可進行施工操作；

③ 墊塊厚度在12～70 mm范圍內(nèi)都可以澆注。特殊情況下，墊塊厚度薄至9 mm 亦可采取適當?shù)募訅鹤⑷氪胧┩瓿蓾沧ⅲ?/p>

④ 澆筑面積越大施工越方便、技術(shù)經(jīng)濟性越高；

⑤ 各大船級社均接受環(huán)氧樹脂墊塊。

本項目的潛水減壓艙鞍座底腳面積大，其與下面基座之間的間隙大約為30 mm，因此可以考慮采用環(huán)氧樹脂墊塊，如圖2 所示。

圖2 環(huán)氧樹脂墊塊圖

（2） 受力分析

采用環(huán)氧樹脂墊塊需要進行受力計算，校核墊塊是否在可承受范圍以內(nèi)。

受力計算時，需要選擇模塊的最不利受力工況，考慮墊塊所承受的所有壓力、承壓墊塊的面積，以及墊塊的力學(xué)參數(shù)進行綜合計算。本項目計算結(jié)果滿足船級社的相應(yīng)力學(xué)要求，可以正常使用。

4.2 設(shè)備底腳的安裝緊固

下面以TL1的安裝為例，介紹潛水減壓罐組的緊固方案（DDC1的緊固與DDC2 類似）：

常規(guī)的設(shè)備緊固方法，包括螺栓連接、錨固連接、夾塊連接、漲緊連接等。由于減壓艙撬塊鞍座與其基座之間是平面連接，因此采用螺栓和夾塊聯(lián)合連接更為合適。

根據(jù)上面的分析，潛水減壓罐組在TL1左舷側(cè)的鞍座底腳固定的情況下，TL1的S2 鞍座在負荷工況改變時有向船中CL.滑移的可能，且滑移的幅度為2.5 mm；同時，S2 只存在沿Y向滑移的可能，在任何正常工況下均不會沿X軸方向滑移，因此可以在TL1 S1 鞍座處采用螺栓固定。

如圖3所示，在TL1S2鞍座處使用夾塊與擋塊連接：在X軸方向設(shè)置束縛，使鞍座無任何滑移空間；在Y軸方向上，在鞍座的左右舷側(cè)設(shè)置距離2.5mm 的束縛；另外，為了防止撬塊傾覆，在Z軸方向（垂直于X-Y平面方向）設(shè)置嚴格的束縛。

圖3 TL1 S2鞍座處的緊固

4.3 預(yù)留間隙

為了保證TL1 S2 可以向船中方向自由滑移，在焊接夾塊時給出了2.5mm 的自由空間。由于設(shè)備安裝時是處于船體靜態(tài)、罐體無內(nèi)壓、冬季低溫狀態(tài)，所以2.5 mm的滑移空間位于運動方向一側(cè)；如果初始條件有變，滑移空間的左右分配需要以實際計算為準。

4.4 設(shè)置滑板

由上所述，采用環(huán)氧樹脂墊塊解決了墊塊的問題，選用螺栓-夾塊-擋塊方案解決了底座得到有效束縛的問題。但是環(huán)氧樹脂一般是同撬塊底腳下表面以及基座面板上表面粘合的，如果不采取適當?shù)拇胧?，當撬塊鞍座滑移時環(huán)氧樹脂將會被撕裂，使TL1還是不能順利地滑移，因此必須設(shè)計一套滑移板裝置（見圖4），使得定向滑移成為可能。

圖4 滑移板安裝示意圖

由圖4 可以看出：一個鞍座下的滑移板組合由一塊滑移板和兩塊凡士可板組成，兩者通過M3x8 mm長的自攻螺釘組合到一起，再通過M24x100 mm 的螺栓安裝到鞍座底腳板上。

環(huán)氧樹脂澆注前，將滑移板組件安裝到位，并按照安裝要求做好泡沫圍擋和澆注口等輔助工作，然后澆注環(huán)氧樹脂。這樣，環(huán)氧樹脂由滑移板和鞍座底板包圍，形成一個靴墊并與基座脫開，以利于鞍座與基座之間的相對滑移；當潛水減壓艙的鞍座滑移時，靴墊將隨鞍座一起在基座上滑動。由于有擋塊與夾塊的束縛，鞍座的滑移將在設(shè)計工況下進行而不會出現(xiàn)失控狀況。

4.5 DDC 的安裝緊固

DDC的安裝與TL 類似，不同之處是TL 靠舷側(cè)一端的鞍座S1 固定后，只在船舶左右舷方向上存在較大的位移變化，在順船長方向則無位移；而DDC有所不同，靠近TL 固定鞍座S1的DDC其側(cè)向滑移量很小，可以忽略。而靠近滑移鞍座S2 的DDC會受到TL 伸縮的連帶影響，產(chǎn)生順左右舷方向的滑移。為此，在設(shè)計固定方案時，在DDC有滑移趨勢的一側(cè)，設(shè)計一個相應(yīng)的緩沖空間即可。

5 結(jié)束語

通過分析潛水艙的安裝要求，選擇了環(huán)氧樹脂作為墊塊、螺栓與夾塊聯(lián)合緊固、并設(shè)置滑板作為潛水減壓艙組的安裝方案。經(jīng)過實船施工和檢驗，驗證了本安裝方案選擇正確，滿足設(shè)備的安裝要求，船東、船級社等有關(guān)各方均接受了試驗結(jié)果。

本安裝方案有如下特點：

（1）適應(yīng)大型設(shè)備群組在復(fù)雜工況下的成組安裝要求；

（2）解決了大型矩陣式設(shè)備群組的安裝位移問題；

（3）為高溫差、高壓差設(shè)備的安裝提供了有效的解決方案；

（4）本方案引入了滑移板的概念，解決了設(shè)備滑移時環(huán)氧樹脂被撕裂破壞的問題，使本方案設(shè)計更為有效和實用。

參考文件

[1]中國船舶工業(yè)總公司編.船舶設(shè)計實用手冊（輪機分冊）[M].北京：國防工業(yè)出版社，1999.

[2]機械設(shè)計手冊編委會編.機械設(shè)計手冊（第2 卷）[M].北京：機械 工業(yè)出版社， 2004.

[3] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 150-2011固定式壓力容器， 2016.

[4] 全國船舶標準化技術(shù)委員會.CB/Z321—81 尾軸管及尾軸承環(huán)氧樹脂定位.1982.