船舶改裝工程浮態(tài)下變形控制分析

徐海軍

(南通中遠(yuǎn)海運(yùn)船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226006)

近年來(lái)，國(guó)際航運(yùn)指數(shù)持續(xù)在低位徘徊，船東公司投資新船的積極性普遍不高，投資低、交船期短、見(jiàn)效快的二手船舶重大改裝，成為一種越來(lái)越普遍的選擇。相較于訂造新船，改裝船舶成本更低，改裝周期更短，從立項(xiàng)到交船基本在1年內(nèi)完成，以更短的時(shí)間實(shí)現(xiàn)投資回報(bào)。

為了縮短改裝周期，降低改裝成本，實(shí)現(xiàn)船東與船廠的雙贏，浮態(tài)下進(jìn)行主體工程的改裝，已經(jīng)成為一種普遍模式。而如何有效控制浮態(tài)下改裝過(guò)程中的船舶變形，最大限度的減小結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力，以確保主船體的結(jié)構(gòu)安全，是安全改造的基礎(chǔ)和安全生產(chǎn)的保障。[1]

本文以“阿芙拉型油船改大型半潛船”為例，研究船舶浮態(tài)下主甲板開(kāi)大工藝孔進(jìn)行主船體改裝、拆舊工程的可行性，以此來(lái)有效控制船舶變形，最終保質(zhì)保量完成項(xiàng)目，達(dá)到提質(zhì)增效的目的。該船改裝前總長(zhǎng)244.7 m，型寬42.0 m，型深21.3 m。改裝后型深13.5 m，設(shè)計(jì)吃水9.2 m，最大下潛吃水22.5 m，載貨甲板長(zhǎng)度170.0 m，最大下潛時(shí)主甲板距水面9.0 m，可以實(shí)現(xiàn)大型物件、海工裝備、工程船舶、浮船塢等貨物的裝卸和運(yùn)輸。該船所有結(jié)構(gòu)、管系主體工程全部在浮態(tài)下完成。在浮態(tài)下，完成原船主甲板大工藝孔的開(kāi)設(shè)，雙層底下縱向加強(qiáng)，新加管隧，縱壁分段和13.5 m主甲板分段的裝焊，原船結(jié)構(gòu)的全部拆除，以及壓載、透氣等管路的安裝，最后進(jìn)塢完成塢內(nèi)工程，其中塢內(nèi)工程包括外板油漆等全部工程，時(shí)間控制在7天左右。出塢后完成調(diào)試等掃尾工程，整個(gè)改裝周期約8個(gè)月。

由于時(shí)間緊、任務(wù)重，為了保證改裝工程的高效進(jìn)行，12個(gè)貨艙主甲板上均需11.48 m× 20.40 m的大工藝孔，需斷掉26根甲板縱骨(左右各13根)，對(duì)全船總縱強(qiáng)度和橫剖面慣性矩破壞較大，如何有效的進(jìn)行強(qiáng)度和慣性矩的補(bǔ)強(qiáng)，最大限度的減小因浮態(tài)改裝造成的船舶變形，是該項(xiàng)目高質(zhì)量完工的基礎(chǔ)，也是本文研究的內(nèi)容。圖1為開(kāi)孔加強(qiáng)后橫剖面，具體工藝孔開(kāi)設(shè)及加強(qiáng)方案參見(jiàn)圖1，其中陰影部分為壓載水3#、4#、5#艙。

圖1 開(kāi)孔加強(qiáng)后橫剖面

1 變形值計(jì)算和強(qiáng)度校核

將主船體視為1根受到各種復(fù)雜載荷漂浮在水面的梁。任何梁，在外力的作用下，都會(huì)發(fā)生變形。變形的大小，取決于外力的大小、梁的長(zhǎng)度、彈性模量和梁的慣性矩。變形值越小，說(shuō)明剛度越好。而對(duì)于改裝船舶來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)度值可以視為常量，彈性模量通常按鋼材的彈性模量計(jì)算。因此只需要考慮外力大小和梁的慣性矩，只要在改裝過(guò)程中，做好這2個(gè)參數(shù)的研究和控制，船舶在改裝過(guò)程的變形值就可以得到科學(xué)有效的控制。[2]

1.1 原始變形值的測(cè)量與記錄

船舶進(jìn)廠后，為盡可能減小溫度和天氣原因?qū)y(cè)量結(jié)果造成的誤差，盡量選天氣穩(wěn)定的時(shí)候，連續(xù)3天分早、中、晚3次，共計(jì)9次測(cè)量，在完全空載狀態(tài)實(shí)測(cè)原船甲板變形值，然后取平均值作為該船的原始變形值。經(jīng)實(shí)測(cè)，原始甲板在浮態(tài)下變形值W0為96 mm。船舶在空載浮態(tài)下，因艏艉纖瘦，結(jié)構(gòu)密度大，設(shè)備設(shè)施多，相對(duì)體積密度大，自重大于該區(qū)域外底板受到的向上浮力，因此艏艉段受到向下的合力，而中間貨艙區(qū)排水體積大，但自身體積密度小，自重不足以抵消船底板受到的浮力，貨艙區(qū)受到向上的合力。船舶在空載狀態(tài)下，更像是一根中間高兩頭低的扁擔(dān)，必然具有一定的變形值。為了減小初始變形值，可設(shè)法改變中間貨艙區(qū)的受力狀態(tài)，讓外力值變得更小。因此在中間3#、4#、5#艙雙層底下打入約3 500 t壓載水，盡可能將主船體壓平。經(jīng)實(shí)際測(cè)量打入壓載水后，主甲板變形值變?yōu)?5 mm。[2]

1.2 變形值計(jì)算

集中載荷簡(jiǎn)支梁變形值：

(1)

均布載荷簡(jiǎn)支梁變形值：

(2)

集中載荷懸臂梁變形值：

(3)

均布載荷懸臂梁變形值：

(4)

式中，F(xiàn)為梁所受到的外力，N；L為梁的長(zhǎng)度，m；E為鋼材的彈性模量，取210 GPa；I為梁的慣性矩，mm4；q為梁的均布載荷，N/m。

從上述計(jì)算公式可以看出，任何梁的變形值W與慣性矩都成反比，因此我們計(jì)算出工藝孔開(kāi)設(shè)前后的慣性矩變化比例，結(jié)合船舶初始變形值，就可以推算出開(kāi)孔后的大致變化情況。

原船橫剖面的慣性矩I5=3.62×1014mm4；剖面模數(shù)Z1=3.896×107cm3。開(kāi)工藝孔不做加強(qiáng)時(shí)，橫剖面的慣性矩I6=2.78×1014mm4；剖面模數(shù)Z2=3.463×107cm3。開(kāi)工藝孔加強(qiáng)后，橫剖面的慣性矩I7=3.15×1014mm4；剖面模數(shù)Z3=3.696×107cm3。

開(kāi)孔后，不做加強(qiáng)的狀態(tài)下，橫剖面慣性矩變化率φ1：

φ1=I6/I5=76.8%。

(5)

預(yù)測(cè)開(kāi)孔后變形值W1=W0/φ1=125 mm，增大約29 mm。

甲板加強(qiáng)狀態(tài)下，橫剖面慣性矩變化率φ2：

φ2=I7/I5=87.0%。

(6)

加強(qiáng)后，變形值W2=W0/φ2=110 mm，增大約14 mm。

根據(jù)估算，臨時(shí)加強(qiáng)對(duì)于慣性矩和剖面模數(shù)均有不小的貢獻(xiàn)，對(duì)控制變形和保證強(qiáng)度都起到了很好的作用。因此，理論上分析，開(kāi)孔加強(qiáng)方案對(duì)變形控制效果顯著。

1.3 有限元強(qiáng)度分析和變形值驗(yàn)證

估算驗(yàn)證方案可行后，使用有限元，將貨艙區(qū)域原船結(jié)構(gòu)整體建模，建模時(shí)候僅需考慮主要構(gòu)件，一些詳細(xì)節(jié)點(diǎn)，如補(bǔ)板、小肘板、局部加強(qiáng)筋，管穿孔等可不在模型中反應(yīng)。模型建立完畢后，分析不同工況下主船體的受力狀態(tài)并在模型中加載，分析出不同工況下的受力狀況和變形值，進(jìn)一步驗(yàn)證該方案的有效性和科學(xué)性。[1]

根據(jù)有限元模型計(jì)算，在船舶原始狀態(tài)下的變形值為96 mm的情況下，對(duì)其進(jìn)行開(kāi)孔、加強(qiáng)等操作。開(kāi)孔無(wú)加強(qiáng)的狀態(tài)下，船舶最大應(yīng)力發(fā)生在5#貨倉(cāng)區(qū)域主甲板位置，最大應(yīng)力為127 MPa，最大變形值為129 mm；在開(kāi)孔且完成全部加強(qiáng)的工況下，船舶處于中拱狀態(tài)，最大應(yīng)力的位置基本不變，最大應(yīng)力為114 MPa，原甲板材質(zhì)為AH32高強(qiáng)鋼，屈服強(qiáng)度為315 MPa，安全系數(shù)(屈服強(qiáng)度/最大應(yīng)力)為2.76；安全系數(shù)大于2，結(jié)構(gòu)安全性可靠。最大變形值為113 mm，與估算基本一致，滿(mǎn)足變形控制要求，進(jìn)一步證明了該方案在強(qiáng)度保證和變形控制方面是科學(xué)有效的。

2 浮態(tài)下施工過(guò)程中的變形控制

2.1 新加結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的變形控制

甲板臨時(shí)加強(qiáng)全部安裝完畢后，排空3#、4#、5#艙雙層底下3 500 t壓載水，內(nèi)底板分前后兩期開(kāi)設(shè)左右各6道臨時(shí)工藝孔，進(jìn)行雙層底下新加縱桁、縱骨，中間平臺(tái)反口新加縱骨、舭部肘板等散裝工程和壓載管安裝等工程。

從4#艙開(kāi)始向艏艉依次吊裝縱壁、管隧和甲板分段，用分段的自重作為固定壓塊，以減小船舶變形值，每個(gè)艙前后分2個(gè)分段，左右方向分10個(gè)分段，從開(kāi)設(shè)的大工藝孔直接吊裝到位。一個(gè)環(huán)段總質(zhì)量約520 t，每個(gè)艙分段相當(dāng)于約1 000 t的載荷，從中間向艏艉兩邊依次吊裝，對(duì)于控制船舶變形具有一定的積極作用。

如果在安裝縱壁管隧分段前，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)變形值變化較大，可在3#、4#、5#艙雙層底下打入3 500 t壓載水，注意確保內(nèi)底板距離壓載水液面300 mm以上，以確?？v壁與管隧分段及內(nèi)底板焊接質(zhì)量，避免背水焊接情況出現(xiàn)。此時(shí)，壓載水可一直保留至主體改裝全部完工后，再進(jìn)行抽排工作。

2.2 原甲板拆舊過(guò)程中的變形控制

貨艙區(qū)管隧、縱壁、甲板分段全部安裝到位后，完成與原主船體首尾的全部有效對(duì)接，所有合龍縫全部焊接并報(bào)驗(yàn)完畢，此時(shí)原甲板(包括需要拆除的外板，縱壁等)已經(jīng)相當(dāng)于額外壓載，新的甲板、縱壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已經(jīng)完全滿(mǎn)足要求，此時(shí)可以進(jìn)行原甲板結(jié)構(gòu)的拆除。

考慮到需要盡可能減小變形值，拆除甲板的時(shí)候從艏艉依次向船中拆除，此處需額外注意艉部角隅位置的完工情況，如果角隅區(qū)域已經(jīng)全部完工，等同于新船結(jié)構(gòu)形式，那么割除艉部原甲板結(jié)構(gòu)的時(shí)候，角隅位置強(qiáng)度足以支撐整船的質(zhì)量，分前、后、左、右4個(gè)點(diǎn)同步開(kāi)工，可以大幅提高拆舊效率。

如果因?yàn)槟承┰?，艉部角隅結(jié)構(gòu)加強(qiáng)還未完全完工，考慮到結(jié)構(gòu)安全性，拆舊可以從艏部向艉部依次進(jìn)行，最后拆除艉部角隅區(qū)域的原結(jié)構(gòu)。這種方法既可以用還未拆除的原甲板、縱壁、外板來(lái)補(bǔ)償暫未完工的角隅強(qiáng)度，又可以為艉部角隅區(qū)域的施工騰出時(shí)間。艏部拆除、角隅施工同步進(jìn)行，待拆到角隅區(qū)域之前，角隅位置的加強(qiáng)工作已經(jīng)全部完畢。[3-4]

原結(jié)構(gòu)拆除完畢后，主船體基本成型，完工模型見(jiàn)圖2。

圖2 完工模型

3 改裝過(guò)程中的變形值監(jiān)測(cè)與預(yù)案

3.1 變形值動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與記錄

在整個(gè)改裝項(xiàng)目的施工過(guò)程中，在左舷L21、船中CL、右舷L21這3個(gè)位置前后各設(shè)置14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于記錄整個(gè)改裝過(guò)程中變形值的變化情況，嚴(yán)格按照關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)一天兩測(cè)，重要施工階段一天一測(cè)，平穩(wěn)狀態(tài)隔天一測(cè)的要求，進(jìn)行船舶變形值的變化監(jiān)測(cè)。測(cè)量結(jié)果當(dāng)天呈報(bào)項(xiàng)目組和船東，以確保數(shù)據(jù)的時(shí)效性和真實(shí)性。[2]

根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)記錄我們發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算預(yù)估基本一致，完工狀態(tài)數(shù)據(jù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，原船不同狀態(tài)下最大變形值測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 原船不同狀態(tài)下最大變形值測(cè)量數(shù)據(jù) mm

3.2 監(jiān)測(cè)變形值超過(guò)預(yù)期的糾正預(yù)案

監(jiān)測(cè)過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)變形值超過(guò)預(yù)期的10%,達(dá)到124 mm，則立即停止現(xiàn)場(chǎng)施工，分析導(dǎo)致變形值超過(guò)預(yù)期的原因，并采取如下預(yù)案進(jìn)行變形值的回調(diào)。

1)減輕艏艉負(fù)荷，通過(guò)盡量排空艉部油艙、水艙，拆卸艏部錨、錨鏈，清空艉部舵機(jī)間、艏部水手間的重物，如油漆，腳手管、備用鋼絲繩等質(zhì)量較大的物件。

2)加大中部貨艙區(qū)域壓載水量，先在3#、4#、5#艙雙層底下打入壓載水(共計(jì)3 500 t)，如不滿(mǎn)足要求，在2#、6#艙雙層底下打入壓載水，并在3#、4#、5#邊艙打入壓載水(共計(jì)7 800 t)。

3)如上述措施還不能有效控制住變形值，則立即安排進(jìn)塢，在塢內(nèi)完成開(kāi)孔及加強(qiáng)，完成雙層底下新加縱骨、縱桁的安裝與焊接。如果圖紙齊全，可以借此機(jī)會(huì)完成全部塢內(nèi)工程，包括舵系、軸系、水下檢驗(yàn)外板標(biāo)志、外板油漆等。

3.3 存在的問(wèn)題及不足

1) 臨時(shí)加強(qiáng)需在原甲板上取材，每一個(gè)分期內(nèi)，先開(kāi)孔，再加強(qiáng)，加強(qiáng)與開(kāi)孔交替進(jìn)行，先切割破壞產(chǎn)生變形，再在變形的基礎(chǔ)上進(jìn)行加強(qiáng)。但實(shí)際加強(qiáng)效果不佳，需要用壓載水來(lái)調(diào)節(jié)，因此增加了額外的工作量。

2)不管是直接慣性矩計(jì)算還是有限元校核，都需要花費(fèi)較大的工作量來(lái)建模分析，建模周期較長(zhǎng)，占去了較大的人工成本，且需提前2個(gè)月介入，對(duì)于短周期的船舶適用性較差。

3)臨時(shí)加強(qiáng)和壓載水調(diào)節(jié)交叉進(jìn)行，容易與施工計(jì)劃的調(diào)整和安排產(chǎn)生矛盾，出現(xiàn)施工環(huán)節(jié)的脫節(jié)，造成時(shí)間的浪費(fèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以某大型油輪改自航半潛船改裝為例，通過(guò)理論計(jì)算和有限元分析，證明了浮態(tài)下開(kāi)設(shè)大工藝孔進(jìn)行全船主體改裝的可行性；并經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，該方案在整個(gè)改裝過(guò)程中科學(xué)有效，對(duì)安全施工，高質(zhì)量改裝及工期的保障起到至關(guān)重要的作用。

但在今后的改建中仍需考慮以下改進(jìn)：①持續(xù)優(yōu)化施工流程，力爭(zhēng)避免壓載水調(diào)節(jié)的方式來(lái)修正加強(qiáng)時(shí)的變形值；②持續(xù)優(yōu)化工藝方案，在不增加甚至減少現(xiàn)場(chǎng)施工量的情況下，盡可能減小工藝孔的寬度尺寸，從而減小總縱強(qiáng)度和橫剖面慣性矩的破壞。