化學(xué)品船甲板單元模塊工法方案淺析

杜興華，王守正，劉 凱

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引言

單元模塊化是現(xiàn)代造船推進(jìn)中間產(chǎn)品完整性的一項重要手段。單元模塊可以與船體平行或提前建造，保證了船臺（船塢）舾裝施工的完整性，縮短了船臺（船塢）舾裝周期，單元模塊大量工作在室內(nèi)施工。施工者可以充分利用室內(nèi)設(shè)備手段，利用360°空間，施工質(zhì)量易控制，提高了施工質(zhì)量[1]。對化學(xué)品船來說，甲板區(qū)域存在大量管束，對其進(jìn)行單元化區(qū)域劃分，而后模塊化在總組階段開始制作，可以使甲板管系的開工節(jié)點大幅提前，工作效率顯著提升，產(chǎn)品質(zhì)量得到有效保障[2]。

單元模塊設(shè)計的基本指導(dǎo)思想是，在詳細(xì)設(shè)計所作的總體規(guī)劃統(tǒng)籌下，依托分段總段科學(xué)、合理的劃分，以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向，在全船各個區(qū)域進(jìn)行綜合布置的過程中，可以選擇設(shè)備、裝置、管路、鐵舾件及其它舾裝件等綜合布置相對比較密集的局部區(qū)域設(shè)計為單元組裝乃至舾裝模塊，即將該局部區(qū)域的相關(guān)工程內(nèi)容從總體綜合布置中剝離出來，形成一個具有良好接口的獨立完整體，它既便于制作，也方便吊運安裝[3]?；瘜W(xué)品船甲板管束眾多，按照圖1所示進(jìn)行了區(qū)域劃分，形成了19個主要模塊區(qū)段，這些模塊都具有重量較大，結(jié)構(gòu)單薄，管束密集等特點，特別是管束固定點少、穩(wěn)定性不良的問題，制約著模塊化的發(fā)展，為了解決管束單元本身特點所帶來的問題，控制好管系精度，開展了針對19個單元模塊的專題研究工作，進(jìn)行了大量計算和工法方案的調(diào)整，很大程度上促成了化學(xué)品船模塊化方案的有效開展，最終為保證企業(yè)造船新模式的持續(xù)推進(jìn)、保證化學(xué)品系列產(chǎn)品的高質(zhì)量交付提供了支持。

圖1 某型化學(xué)品船甲板管束單元模塊劃分圖

1 典型模塊吊裝分析

甲板模塊數(shù)量很多，在此僅以UD302單元為例，UD302單元布置圖（見圖2），長×寬19m×16m，管束密集。針對其結(jié)構(gòu)形式特點，考慮到船臺生產(chǎn)塔吊的技術(shù)參數(shù)，初步設(shè)計了雙車聯(lián)吊方案及相應(yīng)的吊環(huán)布置圖，見圖3。

圖2 UD302單元總圖

圖3 吊環(huán)布置圖

通過MSC.Patran/Nastran 有限元軟件進(jìn)行建模，計算得到相應(yīng)的吊裝應(yīng)力及變形數(shù)據(jù)。在沒有進(jìn)行任何輔助加強(qiáng)設(shè)計的情況下，該模塊吊裝應(yīng)力最大值達(dá)675 MPa（見圖4），最大變形達(dá)137mm（見圖5），這顯然是不可接受的。

圖4 UD302單元無加強(qiáng)吊裝應(yīng)力云圖

圖5 UD302單元無加強(qiáng)吊裝變形云圖

進(jìn)一步的，利用有限元軟件對單元模塊的典型剖面進(jìn)行篩查，確認(rèn)存在較大應(yīng)力的單元節(jié)點，可以得到圖6～圖9中存在問題的位置。其中，X1剖面最大應(yīng)力519 MPa，X2剖面最大應(yīng)力為327MPa，X3剖面最大應(yīng)力為543MPa，X4剖面最大應(yīng)力為675 MPa。由此可見，每個剖面上都存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，經(jīng)分析，一方面是由模塊管束相互間的連接方式導(dǎo)致的，另一方面也是由框架強(qiáng)度不足引起的。

圖6 UD302 單元X1 剖面應(yīng)力云圖

圖7 UD302 單元X2 剖面應(yīng)力云圖

圖8 UD302 單元X3 剖面應(yīng)力云圖

圖9 UD302 單元X4 剖面應(yīng)力云圖

2 工法方案研究

2.1 工法輔助加強(qiáng)方案設(shè)計

無輔助加強(qiáng)時，各剖面顯示的應(yīng)力集中點可分析出該模塊需要進(jìn)行全面加強(qiáng)而非局部。因此，使用20#槽鋼制作其外圍框架，使用H型鋼及加強(qiáng)肘板制作局部點加強(qiáng)。細(xì)節(jié)上，應(yīng)注意到加強(qiáng)件數(shù)量眾多，在安裝時避免干涉、拆除時要明確拆除階段和拆除要求等。此外，在吊環(huán)所在位置，為了保證良好的應(yīng)力傳遞，應(yīng)進(jìn)行加大焊腳、焊接狀態(tài)檢查等相關(guān)工藝和質(zhì)量管理。

考慮到模塊下口距離地面高度很低，增加加強(qiáng)件健將不便施工，因此設(shè)計了支撐腳將模塊抬高，支撐腳相當(dāng)于模塊胎架的作用，用于提供施工空間的同時，也利于控制模塊安裝時的水平精度。支撐腳布置見圖10。

其次，在支撐腳胎架建立好后，在管系單元各剖面對應(yīng)位置安裝槽鋼加強(qiáng)，注意槽鋼加強(qiáng)統(tǒng)一安裝在單元立柱的艉側(cè)防止相互干涉。結(jié)合前文所述應(yīng)力集中位置，槽鋼框架共安裝在7個橫縱主剖面上，以便將計算結(jié)果控制在可接受范圍內(nèi)。槽鋼加強(qiáng)設(shè)計及安裝圖如圖11～圖17 所示。

圖10 UD302單元支撐腳胎架布置圖

圖11 FR105剖面加強(qiáng)方案

圖12 FR100剖面加強(qiáng)方案

圖13 FR115剖面加強(qiáng)方案

圖14 FR110 剖面加強(qiáng)方案

圖15 L±4剖面加強(qiáng)方案

圖16 FR120 剖面加強(qiáng)方案

圖17 L±10剖面加強(qiáng)方案

2.2 改進(jìn)方案有限元校核

經(jīng)過上述工法輔助加強(qiáng)方案的改進(jìn)，原UD302模塊已經(jīng)具備了一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，形成了較好的整體性。為進(jìn)一步驗證改進(jìn)方案的可行性，在原有限元模型基礎(chǔ)上增加加強(qiáng)單元，重新校核模塊吊裝應(yīng)力及變形狀態(tài)，所得結(jié)果如圖18、圖19 所示。其中，該模塊吊裝應(yīng)力最大值196MPa，滿足小于普通船用鋼許用應(yīng)力（235 MPa）的要求；最大變形28mm 且僅存在于管束單元末端的局部區(qū)域，模塊中部主結(jié)構(gòu)變形普遍小于10mm。由此可見，上述工法輔助加強(qiáng)方案理論上是可接受的。在現(xiàn)場作業(yè)的實踐環(huán)節(jié)，要注重焊接質(zhì)量的控制，從而保證方案的實踐效果。

專題組應(yīng)用上述方法對19只化學(xué)品船甲板模塊進(jìn)行逐一研究，針對其各自的本體形態(tài)特點設(shè)計了多種加強(qiáng)方案，但始終以應(yīng)力集中分析作為方案設(shè)計的核心技術(shù)。通過應(yīng)力分析，細(xì)節(jié)微調(diào)，最終完成了全部19只單元模塊的工法方案改進(jìn)設(shè)計工作。

圖18 UD302 單元加強(qiáng)后吊裝應(yīng)力云圖

圖19 UD302 單元加強(qiáng)后吊裝變形云圖

3 結(jié)論

綜上所述，本文得出以下結(jié)論：

1）應(yīng)力集中是管系單元模塊吊裝普遍存在的問題，有針對性地開展應(yīng)力分析并制定對策是管系模塊類工法輔助方案設(shè)計的合理思路。

2）經(jīng)生產(chǎn)實踐檢驗，實踐結(jié)果與有限元預(yù)報值基本吻合，有限元預(yù)報的應(yīng)用價值和準(zhǔn)確性得以驗證。

3）本文的研究是基于已劃分成型的管系單元開展，考慮到模塊化的發(fā)展，建議將模塊劃分和有限元研究同步進(jìn)行，這樣可以減輕甚至避免很大程度上的輔助加強(qiáng)施工作業(yè)量，節(jié)約時間和經(jīng)濟(jì)成本。