大型生活區(qū)模塊浮態(tài)整體吊裝方案設計

趙 銳，賴良洲，楊 輝，龔偉兵

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

0 引言

隨著船廠生產(chǎn)建造設施的不斷改善和吊裝能力的提高，船舶與海洋工程領域中的總段和模塊化建造逐漸成為提高預舾裝率和建造進度的發(fā)展方向，包括生活區(qū)模塊和上部模塊，通常采用模塊化建造、整體吊裝的建造工藝，以改善施工條件、實現(xiàn)平行作業(yè)和提高預舾裝率，從而提高生產(chǎn)效率，并縮短建造周期。

生活區(qū)模塊結構主要有外形不規(guī)則、甲板圍壁尺寸較小、剛性弱和強度低等特點，因此如何保證整體吊裝的方案安全、可靠成為整體吊裝順利實施的關鍵所在。

本文以某大型油船改裝FPSO項目的生活區(qū)模塊整體在浮態(tài)狀態(tài)下的吊裝方案設計為主要研究對象，主要內容包括起重船選取、吊點位置、吊索具參數(shù)、壓載調整和強度校核等。

1 概況

1.1 生活區(qū)模塊主要參數(shù)

本生活區(qū)模塊共有居住定員140人，共分7層，主要艙室包括駕駛室中央控制室、電氣系統(tǒng)儀表間、廚房、冷庫、餐廳、醫(yī)院、娛樂室、辦公室和居住房間等，環(huán)境噪聲和振動水平需要滿足SOLAS公約A.468 (XII)規(guī)則相關要求。

生活區(qū)模塊長約19.25 m，寬約48.10 m，最大高度38.80 m（包括雷達桅），結構材料除吊耳和吊點位置采用局部加強高強度鋼以外，其他均為A級普通鋼。吊裝重量（不含鎖具重量）約計1 650 t，整個生活樓包括結構、舾裝、內裝、通風、管系、電氣和吊索具等的具體分布如表1所示。

表1 生活區(qū)模塊重量重心

1.2 生活區(qū)模塊總體建造方案

生活區(qū)模塊總體建造方案包含的主要步驟如下：

1）利用公司重件碼頭場地進行模塊建造；

2）受制于模塊尺寸和重量限制，選用合適的大型起重船進行模塊吊運；

3）FPSO主船體?？坑诖a頭泊位；

4）由浮吊銜模塊移動至碼頭泊位；

5）浮態(tài)狀態(tài)下模塊落位，完成集成安裝。

2 吊裝方案設計

2.1 環(huán)境天氣條件

考慮到安全因素，所有大型吊裝必須在少于 4級（7.9 m/s）風力情況下進行，原則上不允許夜間進行大型吊裝作業(yè)。如果必須在夜間進行作業(yè)的，其布置燈光能見度應大于500 m，考慮到水域環(huán)境影響，應選擇在平潮時間段內完成，并且最大波高不超過1.0 m。

2.2 起重船

根據(jù)生活樓模塊的尺寸和重量信息，結合公司場地布置和水深條件，選某2 400 t非自航起重船進行此次吊裝作業(yè)，見圖1。

圖1 生活區(qū)后壁吊點位置

該起重船吊架分為左右2個吊臂，每個吊臂有2個主鉤，每個主鉤最大吊重600 t，最大吊重共2 400 t。起重船的起重性能見表2。

表2 起重船主鉤載荷參數(shù)表

在綜合考慮起重船載荷參數(shù)、場地布置和吊物尺寸重量的情況下，最終選取起重船作業(yè)狀態(tài)為：作業(yè)角度62.0°、最大吊高82.0 m，舷外吊距39.5 m，起重重量1 950 t。

2.3 吊點位置選取

對于剛性較弱的上層建筑吊裝來講，吊點位置的選取一般考慮以下要素：

1）盡可能對稱吊裝總段重心布置；

2）吊點位置盡量減少吊裝總段變形；

3）設置連續(xù)型吊耳，將生活樓外圍壁局部進行加強并延伸制成吊耳；

4）吊索與甲板水平夾角不大于60°；

5）安裝位置易于裝焊和拆除。

基于以上要素和起重船主鉤的特點，吊點選擇位置位于生活區(qū)駕駛甲板前壁48號肋位和后壁26號/28號肋位共計4處，其中前壁左右舷分別布置8只吊耳，后壁26號和28號肋位分別布置8只吊耳，吊耳和圍壁加強材料為屈服強度355 MPa的20 mm/30 mm嵌入板和對應吊耳的垂向和橫向加強材，吊耳由30 mm主板制作并在兩側布置頰板，前壁吊點位置如圖1和圖2所示。

圖2 生活區(qū)前壁吊點位置

2.4 索具選擇

當?shù)玫矫總€吊點的受力情況后，根據(jù)公司現(xiàn)有卸扣、滑車及鋼絲繩尺寸和參數(shù)進行選擇，所選擇的吊鎖具和鋼絲繩的安全工作載荷在考慮各種環(huán)境因素影響的前提下要大于其承載力。

根據(jù)吊點位置，選取由滑車、卸扣和鋼絲組成的索具組合，如圖3所示。

圖3 生活區(qū)后壁吊點位置

為保證吊點和鋼絲繩均勻受力，每個吊點配備2組滑車進行調節(jié)。4個吊點的索具清單及最大負載表（吊點3為例）見表3。

表3 索具及最大負載表

3 相關計算

3.1 壓載計算

由于整個模塊吊裝作業(yè)時FPSO主船體和起重船均是在浮態(tài)狀態(tài)下作業(yè)，因此需要對作業(yè)過程中主船體和起重船進行局部壓載，保證調平狀態(tài)下作業(yè)。通過分別進行壓載計算，確定起重船尾部4個壓載艙100%壓載，F(xiàn)PSO主船體首尾舷側2個壓載艙進行70%和90%的壓載，見圖4。

圖4 FPSO主船體壓載計算表截圖

3.2 吊裝強度校核

由于生活區(qū)結構普遍采用薄板，結構剛性較小，且總吊重近1 560 t，因此利用有限元軟件校核整個吊裝過程中的應力響應和位移響應對于評估整個吊裝方案設計的安全性與可靠性至關重要。

根據(jù)有限元方法，甲板、圍壁、橫梁腹板和其他平臺板等采用板單元建模，骨材、扶強材和加強筋等采用梁單元建模。吊耳采用50 mm×50 mm網(wǎng)格，吊耳附近區(qū)域的嵌入板加強采用 200 mm×200 mm網(wǎng)格，其他結構均采用400 mm×400 mm網(wǎng)格。有限元模型見圖5和圖6。

圖5 整體有限元模型

圖6 吊耳及加強區(qū)域有限元模型

坐標系原點選擇以FPSO主船體一致，坐標系原點即采用右手法則，即：沿船長方向為

X

軸，船首為正；沿船寬方向為

Y

軸，左舷為正；沿高度方向為

Z

軸，朝上為正。

邊界條件為吊耳位置增加位移約束，同時為保證有限元計算時的穩(wěn)定性，在模型底部選取2個節(jié)點約束水平方向位移。

載荷工況在吊耳及周邊加強結構處選用1.65倍安全系數(shù)，其他區(qū)域選用 1.27倍安全系數(shù)。依據(jù)GL Nobel Denton對于許用應力的要求，衡準系數(shù)采用0.75，因此高強鋼許用應力為266 MPa，普通A級鋼許用應力為176 MPa。

根據(jù)有限元計算結果顯示，吊裝作業(yè)時最大高應力區(qū)集中在吊耳和吊耳加強處（圖7），應當特別引起注意。同時，吊耳位置下方的窗戶開孔需要臨時封閉，駕駛室甲板窗戶開孔需要增加臨時支撐加強，見圖8。其他區(qū)域均滿足最大許用應力和變形要求。

圖7 整體應力分布云圖

圖8 駕駛室甲板應力分布云圖

4 結論

本文通過合理布置吊耳、吊索具連接等方式保證生活區(qū)模塊整條吊裝時吊點均勻受力和吊裝完整性，并且通過穩(wěn)性和有限元軟件分別對浮態(tài)和結構強度進行校核和補強優(yōu)化，保證大型生活區(qū)模塊整體吊裝順利實施。