多功能吊杠開發(fā)與應(yīng)用研究

于海濤

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

隨著世界對深遠(yuǎn)海油田的大力開發(fā)，以及國際市場對FPSO 和其他類型海工產(chǎn)品需求量不斷增加，同時伴隨著我國大型浮吊的起重能力提高，超大型海洋功能模塊建造數(shù)量、體積、噸位也在快速增大。功能模塊包含設(shè)備體積小、種類多、功能大，價值昂貴，但整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度偏弱，所以在吊運(yùn)安裝過程中必須保證模塊本身結(jié)構(gòu)、設(shè)備底座及吊耳受力均勻，避免有害側(cè)向分力的產(chǎn)生。否則模塊結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生鋼性變形，甚至斷裂，提高模塊整體毀壞的 風(fēng)險(xiǎn)。如果保護(hù)不妥，吊裝索具也會對模塊設(shè)備產(chǎn)生破壞。所以一種科學(xué)、合理、通用吊裝工具（吊杠）設(shè)計(jì)是不可缺少的[1]。

現(xiàn)有浮吊設(shè)備一般都由2個主鉤或4個主鉤組成，其2 個主鉤距離約5 m，4 個主鉤間距為5 m× 6 m，而模塊吊耳設(shè)置距離通常為12 m～20 m 或更遠(yuǎn)，所以必須使用吊杠來進(jìn)行距離調(diào)整，以提高吊車適用性。

1 研究方法及步驟

大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司（以下簡稱：大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工）承造的“旭日東升”輪為例，該船主尺度：

總長Length O. A.：315.00 m； 型寬Breadth (MLD.)：60.00 m；

型深Depth (MLD.)：28.45 m；

載重噸Deadweight (at scantling d raft): A bt. 258.034 M.T.

1.1 確定吊杠的基本形式

1）“旭日東升”輪模塊重量及外形參數(shù)分析

“旭日東升”輪上部模塊為桁架式結(jié)構(gòu)，由支柱、平臺、管系和設(shè)備組成。1PW、2PW、3PW、4PW、5PW 模塊位于左舷側(cè)和甲板位置，底部支柱為不等高式桁架結(jié)構(gòu)，由3 層～4 層平臺和支柱組成、管系較多、無設(shè)備；2P、3P、4P、5P、6P 模塊位于甲板左側(cè)，結(jié)構(gòu)形式為桁架式結(jié)構(gòu)，由2 層～3 層平臺和支柱組成、管系和設(shè)備都很多；1S、2S、3S、4S、5S、6S、7S 模塊位于甲板右側(cè)，結(jié)構(gòu)形式為桁架式結(jié)構(gòu)，由3 層～4 層平臺和支柱組成、設(shè)備較多。具體模塊重量及外形參數(shù)見表1。

表1 模塊參數(shù)表

根據(jù)對模塊重量和大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工現(xiàn)有1 200 t、1 000 t 吊車參數(shù)分析，決定設(shè)計(jì)1 200 t 噸位吊杠以滿足模塊吊裝要求。1 100 t 以下模塊將采用大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工原有800 t 形式或單1 200 t 形式，超過1 100 t 模塊將采用800 t 和1 200 t 組合形式，1 200 t吊杠吊耳間距根據(jù)模塊吊耳距離設(shè)計(jì)，見圖1。

圖1 吊杠吊點(diǎn)間距（單位：mm）

2）1 200 t 吊杠結(jié)構(gòu)形式選取

由于模塊整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱，所以在吊裝過程中必須保證模塊本身吊耳受力均勻，避免有害側(cè)向分力的產(chǎn)生，否則模塊結(jié)構(gòu)也會發(fā)生塑性變形，甚至斷裂，提高模塊整體破壞的風(fēng)險(xiǎn)。國內(nèi)外各大海洋工程建造或改裝船廠均采取工裝吊杠吊裝模塊的形式。工裝吊杠基本分為方型吊架、箱型吊杠、管狀吊杠等。

圖2 吊杠型式示意圖

3）3 種吊杠對比及優(yōu)缺點(diǎn)分析

方型吊架的優(yōu)點(diǎn)：能保證吊耳垂直受力，降低吊運(yùn)高度，穩(wěn)定性高，適用大噸位吊運(yùn)。缺點(diǎn)：制作成本高，重量大，不具有通用性，只適用一種尺寸模塊。

箱形吊杠的優(yōu)點(diǎn)：適用小噸位吊裝，具有靈活性。缺點(diǎn)：不能適用于大噸位模塊吊裝，穩(wěn)定性較差。

管狀吊杠的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，制作成本較底，通用性強(qiáng)，穩(wěn)定性能高，適用用大噸位模塊吊裝。缺點(diǎn)：需要配備索具量較多。

根據(jù)以上對比，決定吊杠主體采用管狀吊杠形式，此種圓形截面相比其他形式吊杠具有穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)輕巧、節(jié)省材料、焊接工作量少等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)完畢后吊杠能覆蓋所有模塊吊裝工作。

1.2 吊杠強(qiáng)度校核

1）吊杠吊耳強(qiáng)度校核

由于吊杠起吊的重物重心可能不在中心位置，故設(shè)計(jì)的吊杠允許起吊的重物的重心在距中左右各1.5 m 的范圍內(nèi)。這時，吊耳應(yīng)能承受的載荷P 為675 t。

式中：P 為吊耳承受外力，t，在此取675 t。故上部吊點(diǎn)每個吊耳應(yīng)至少承受675 t 的力，下部吊點(diǎn)每個吊耳應(yīng)至少承受337.5 t 的力。

圖3 吊杠簡化受力分析

由于吊耳采用AH36 高強(qiáng)鋼，其屈服極限為σs=355（MPa），剪切應(yīng)力極限為τs=0.6σs=213（MPa），根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，拉應(yīng)力取其安全系數(shù)為5，剪應(yīng)力取其安全系數(shù)為3，則許用拉應(yīng)力[σ]=σs/5=71（MPa）=710（kg/cm2），許用剪切應(yīng)力[τ]=τs/3=71（MPa）=710（kg/cm2），上部吊耳正應(yīng)力計(jì)算面積為A1，下部吊耳正應(yīng)力計(jì)算面積為A2。

σs為屈服極限；τs為剪切應(yīng)力極限，N/mm2；[σ]為許用拉應(yīng)力，N/mm2；[τ]為許用剪切應(yīng)力，N/mm2；A 為吊耳正應(yīng)力計(jì)算面積，mm2。

上部吊點(diǎn)每個吊耳應(yīng)至少承受675 t 的力，故取P1=675 t，所以A1至少為950 cm2。

下部吊耳的機(jī)械強(qiáng)度校核為

下部吊點(diǎn)每個吊耳應(yīng)至少承受337.5 t 的力，故取P2=338，所以A2至少為476 cm2。吊點(diǎn)直接與卸扣連接，所以上部吊點(diǎn)應(yīng)與700 t 卸扣匹配、下部吊點(diǎn)應(yīng)與350 t 或400 t 卸扣匹配。經(jīng)查國家標(biāo)準(zhǔn)350 t /400 t/700 t 卸扣參數(shù)如表2 所示。

表2 卸扣參數(shù)表

根據(jù)以上計(jì)算和卸扣參數(shù)對照，上部吊點(diǎn)與下部吊點(diǎn)吊耳設(shè)計(jì)形式如圖4 所示。

圖4 吊耳結(jié)構(gòu)圖

2）吊杠整體強(qiáng)度有限元計(jì)算

吊杠結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度是吊杠設(shè)計(jì)必須考慮的問題之一，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算中，以滿足局部強(qiáng)度作為吊杠設(shè)計(jì)必要條件，同時認(rèn)為是滿足整體強(qiáng)度必要的。但很多因素是在吊杠使用過程中無法事先判斷的，因此在人們關(guān)注的安全問題中，整體強(qiáng)度成為焦點(diǎn)問題。隨著有限元計(jì)算方法的應(yīng)用及引入，各種有限元計(jì)算軟件被用來進(jìn)行吊杠整體強(qiáng)度分析和校核。

解決工程和數(shù)學(xué)物理問題的數(shù)值方法是有限元方式，也被稱為有限元單元法，是矩陣方法在結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展[2]。由于它的實(shí)用性和有效性，有限元方法被廣泛應(yīng)用在工程分析中，已成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造的重要組成部分。

本吊杠整體強(qiáng)度計(jì)算基于FEMAP有限元前處理軟件，整個結(jié)構(gòu)模擬為4 面體的體單元并根據(jù)實(shí)際情況對吊杠的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行適當(dāng)簡化，如圖5。

2.2.5 腹壁膀胱造瘺口的護(hù)理:教會病人更換造口袋的方法和技巧,指導(dǎo)患者一般5-7天更換造口袋一次,在發(fā)現(xiàn)造瘺袋底盤粘貼不緊或分泌物多時應(yīng)及時更換,鼓勵患者和家屬在護(hù)士的指導(dǎo)下親自操作,確保熟練掌握,消除患者的顧慮,減輕恐懼心理,增加生活的自信。

圖5 吊杠結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)物理量：鋼材比重為7.85 t/m3；楊氏模量為2.1×105N/mm2；泊松比：0.3。

吊杠結(jié)構(gòu)型式簡介：

1）此1 200 t 吊杠主體長度為25 m，由11 張厚度為40 mm、材質(zhì)AH36 鋼板卷制成φ1 200 mm 的鋼管并焊接而成。

2）此主梁上部安裝有4 只安全工作負(fù)荷為692 t的吊耳，吊耳主立板厚度為80 mm，穿透整個主梁，吊耳中心之間距離根據(jù)FPSO 模塊吊耳間距設(shè)置分別為3 100 mm、18 150 mm、2 700 mm，位于主梁中心位置平行安裝。

3）主梁下部設(shè)置12 只吊耳，每只的安全工作負(fù)荷為346 t。每2 個吊耳為一對，分別位于與上部吊耳成90°夾角的大型三角板2 個端點(diǎn)處，此種設(shè)計(jì)便于卸扣鋼絲繩連接。此三角板厚度為50 mm，中間4 塊三角板中間開直徑1 200 mm 圓孔直接焊接在主梁上，兩側(cè)為實(shí)心三角板與主梁端部焊接。此種設(shè)計(jì)不僅對主梁起了局部加強(qiáng)作用，還對上部吊耳起到肘板效果，而且有助于力的分散與傳遞[3]。

4）為了讓主梁結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度達(dá)到使用要求，特別在主梁內(nèi)部距離中心1 415 mm、1 840 mm 處增加2 道T 型材進(jìn)行加強(qiáng)。

3）計(jì)算工況及載荷選取

根據(jù)吊杠的結(jié)構(gòu)，選取了使用吊杠最遠(yuǎn)端吊耳進(jìn)行作業(yè)的典型工況進(jìn)行計(jì)算，載荷選取模塊的重量和吊杠結(jié)構(gòu)自身重力（不包括鋼絲繩、卸扣等重量，略小于實(shí)際載荷），經(jīng)計(jì)算給出了工況下吊杠結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形云圖，同時計(jì)算出了該工況下吊杠整體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值及變形值。

吊耳強(qiáng)度已經(jīng)通過計(jì)算，在吊杠整體強(qiáng)度的有限元計(jì)算中吊耳的約束及其點(diǎn)載荷的受力特點(diǎn)比較特殊，不予考慮，最大應(yīng)力值的計(jì)算結(jié)果為σmax=156 098 976 N?m2，如圖6。依據(jù)API 2A 或CCS《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》第2 篇第2 章的有關(guān)規(guī)定取應(yīng)力衡準(zhǔn)：

許用相當(dāng)應(yīng)力[σe]=234 N/mm2，滿足要求。

最大應(yīng)變值Emax=28 m m，如圖7。滿足模塊吊運(yùn)的整體變形要求。

圖6 吊杠應(yīng)力云圖

4）吊杠穩(wěn)性分析與計(jì)算

圖7 吊杠變形云圖

壓杠的穩(wěn)定性是指壓杠保持原有平衡形式的能 力，壓杠的平衡狀態(tài)是否穩(wěn)定與軸向壓力F 有關(guān)，而臨界力Fcr是判斷壓杠穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，壓杠失去平衡狀態(tài)的現(xiàn)象稱為失穩(wěn)，失穩(wěn)是構(gòu)件破壞形式之一，因此吊杠設(shè)計(jì)過程中必須考慮壓杠穩(wěn)性問題。

（1）吊杠截面慣性矩

式中：I 為截面慣性矩，cm4；i 為慣性半徑，cm3；D 為管子外直徑，mm；d 為管子內(nèi)直徑，mm。

（2）吊杠使用過程中相當(dāng)于一邊固定一邊無約束，固取長度系數(shù)μ=2，則柔度為

式中：λ 為壓桿柔度；λp為壓桿臨界柔度；l 為壓桿全長；μ 為壓桿長度系數(shù)；σp為材料比例極限；E為彈性模量。

從式中可以看出λ>λp，此時壓杠的實(shí)際柔度大于λp，吊杠可以看作是細(xì)長杠，屬于彈性范圍內(nèi)的壓杠穩(wěn)定性問題，適用歐拉公式：

根據(jù)API 2A 標(biāo)準(zhǔn)，取其安全系數(shù)為n=3，則許用壓力F（單位：t）為

式中：F 為軸向壓力；Fcr為臨界力。

實(shí)際吊杠水平受壓力為389 t，小于許用壓力700 t，故滿足要求。

1.2 1 200 t 吊杠使用方式

1 200 t 吊杠既可以單獨(dú)使用又可以多個組合使用，詳細(xì)使用方式如下。

1）單獨(dú)使用1 200 t 吊杠方式

主要用于設(shè)有8 個或4 個吊耳模塊，浮吊起重船為雙鉤頭、單鉤均可使用。首先必須保證吊杠上部吊耳與吊杠下部對應(yīng)吊耳成對使用，根據(jù)模塊本身吊耳方向及模塊吊耳之間間距L 確定成組方式。

例如：吊耳間距L=21 900 mm，首先從吊杠下部吊耳中選取其中間距為約為（21 900±300）mm，模塊吊耳與2 對吊耳用卸扣、索具進(jìn)行連接，再根據(jù)吊杠下部吊耳選擇對應(yīng)吊杠上部吊耳并用卸扣、索具與海吊鉤頭進(jìn)行連接，其他距離使用方法與之相同。

2）2 個1 200 t 吊杠組合使用方式

最為常用是2 個1 200 t 吊杠組合使用，即用兩根1 200 t 吊杠同時使用，吊車選用雙鉤頭吊裝，主要用于設(shè)有8 個或16 個吊耳的模塊吊裝，必須保證吊耳方向一致，吊杠吊耳選擇方法與單獨(dú)使用方式相同，如果浮吊起重船能力允許，這2 個1 200 t 吊組合方式最大起重能力為2 400 t。

3）1 200 t 吊杠與其他2 個吊杠組合使用方式

此種方式較為特殊，為二層式吊裝方法，吊車一般選取單鉤頭，主要用于設(shè)有4 個或8 個吊耳模塊吊裝，吊杠吊耳選擇方法與單獨(dú)使用方式一致，此種方式最大能吊裝1 200 t。

2 結(jié)論

本次所有研究成果已全部直接應(yīng)用于VLCC 改裝成FPSO 工程中，解決了超大型模塊吊裝諸多關(guān)鍵技術(shù)問題，為大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工后續(xù)FPSO 改裝工程提供了可靠的技術(shù)儲備。

1 2 00 t 吊杠是一種專為FPSO 船上部模塊吊裝設(shè)計(jì)的工具，解決了其他工具通用性不強(qiáng)、模塊吊裝時強(qiáng)度不足、受力不均勻等問題，同時對模塊自身也起到保護(hù)作用，實(shí)用性極強(qiáng)，在船舶及海洋工程建造領(lǐng)域具有極佳推廣價值。