船舶軸系和舵系安裝過程受力分析與安全控制

葉 濤

（舟山中遠海運重工有限公司，浙江舟山 316131）

0 引言

目前針對船舶軸系和舵系安裝過程安全控制的相關(guān)研究較少，現(xiàn)場施工缺少相關(guān)參照。本文基于3 600 TEU集裝箱和152 000載重噸穿梭油輪項目，對軸系和舵系施工中的尾管密性、吊裝及壓裝等 3個關(guān)鍵階段的受力情況進行分析，并提出相應(yīng)的管控措施，以確保施工過程安全、規(guī)范、可控。

1 艉管壓力試驗

1.1 試驗概況

艉管壓力試驗包括艉管內(nèi)部小油管密性試驗和艉管本體密性試驗。在進行艉管內(nèi)部小油管密性試驗時，需要嚴格按照系統(tǒng)的設(shè)計工作壓力和試驗壓力進行試驗，通常情況下安全風(fēng)險可控。進行艉管本體密性試驗前，需要核對制造廠家的原始設(shè)計工藝。特別需要注意的是組裝式艉管，其艉管本體與法蘭采用螺栓連接的方式組裝在一起。由于艉管的橫截面積較大，試驗壓強稍微超出理論值即會對螺栓產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力與螺栓連接緊固時產(chǎn)生的拉應(yīng)力之和一旦大于螺栓自身的屈服強度，螺栓就會斷裂。部分生產(chǎn)廠家在設(shè)計階段未對螺栓連接強度進行校核，部分技術(shù)人員缺少實踐經(jīng)驗，對艉管試驗壓力標準的選擇不合理，這些因素容易造成螺栓斷裂，進而導(dǎo)致安全事故。船廠在進行艉管壓力試驗時，需要嚴格進行安全管控。

1.2 艉管壓力試驗強度校核

在進行艉管壓力試驗前，需要辨識組裝式艉管的薄弱點，并進行強度校核。通常情況下，組裝式艉管的連接螺栓處強度最弱。連接螺栓強度校核公式為

式（1）和式（2）中：為氣體對螺栓的作用力；為氣體的壓強；為密封板的受力面積；為預(yù)緊力；為扭矩；為系數(shù)；為螺栓直徑。

連接螺栓受到的實際拉應(yīng)力為

式中：為連接螺栓的數(shù)量；為螺栓螺紋的小徑。

保守起見，螺栓強度應(yīng)滿足下式

式中：為安全系數(shù)，取1.5；為螺栓的許用屈服強度，通常情況下，4.8級螺栓的屈服強度為320 MPa、8.8級螺栓的屈服強度為640 MPa、10.9級螺栓的屈服強度為 900 MPa、12.9級螺栓的屈服強度為1 080 MPa。

1.3 試驗現(xiàn)場安全控制

加強試驗現(xiàn)場的安全控制至關(guān)重要，需要特別注意以下2點：

1）嚴格規(guī)范試驗過程各個工序

在對組裝式艉管緊固螺栓時，要嚴格按照預(yù)緊力的要求進行操作，既不能松弛也不能過緊。試驗過程中要嚴格控制試驗壓力，以免造成超壓事故。

2）制訂切實有效的應(yīng)急處置措施

在進行艉管壓力試驗之前，在安裝壓力表對試驗壓力進行監(jiān)測的基礎(chǔ)上，增設(shè)一根透明的U型塑料軟管以起到超壓卸載的功能。當試驗壓力超出工藝設(shè)定壓力時，試驗介質(zhì)會突破水柱，溢流泄壓。

2 船舶軸系和舵系吊裝

目前大型船廠常使用液壓小車對槳葉和舵葉進行吊裝，部分中小型船廠使用電動葫蘆進行吊裝工作。

2.1 舵葉吊裝

舵葉吊裝通常采取以下兩種方式：1）將舵葉翻身后放置在液壓小車上，平移、抬升液壓小車進行安裝工作，該方法相對簡潔、高效、安全；2）協(xié)同使用門機和電動葫蘆進行倒運安裝。該安裝方式斜拉跨度大、懸吊平移距離遠、需要交替倒運電動葫蘆、需要多人協(xié)同作業(yè)，在操作時存在電動葫蘆懸掛及鉤掛難度大、葫蘆易損壞且損壞后無法下地修理等問題，作業(yè)風(fēng)險高、效率低。

對于電動葫蘆吊裝，部分日本船廠在舵葉后方增設(shè)2個吊耳，并用門機進行起吊。在吊裝過程中，舵葉為傾斜狀態(tài)，需要在舵葉上段增設(shè)2個吊點掛設(shè)電動葫蘆以便扶正舵葉。電動葫蘆吊裝舵葉示意圖見圖1，1號吊點為中間吊點，其受力為

圖1 電動葫蘆吊裝舵葉示意圖

式中：為舵葉重力；為1號吊點受力方向與垂線的夾角。

1號吊點處的吊索具承載能力要高于1.2。

通常情況下，2號吊點的受力最大值要小于 1號吊點。若其吊索具與1號吊點相同，則無須計算2號吊點的受力情況；若兩個吊點處吊索具不同，則需計算2號吊點的受力情況。2號吊點受力為

式中：為2號吊點受力方向與垂線的夾角。

2號吊點處的吊索具承載能力要高于1.2。

合理設(shè)置吊耳位置、減小斜拉角度是降低吊索具負荷的關(guān)鍵要素。在設(shè)置吊耳時，要考慮船體自身強度，通常設(shè)置在船體強結(jié)構(gòu)處。若沒有強結(jié)構(gòu)，需要在吊耳反面進行加強處理。

2.2 槳葉吊裝

根據(jù)廠家設(shè)計的不同，槳葉翻身方式有如下 2種：1）在槳轂上設(shè)置吊環(huán)，利用吊環(huán)進行吊運翻身和安裝；2）未在槳轂上設(shè)置吊環(huán)，由船廠自行配置吊索具，捆綁槳葉并進行吊運翻身和安裝。通常采用2根吊帶分別懸掛翻身主鉤和副鉤。主鉤吊帶的許用載荷不得小于槳葉重力的1.2倍，副鉤吊帶的許用載荷不得小于槳葉重力的0.6倍。

在使用電動葫蘆安裝槳葉之前，要認真分析吊運、安裝全過程的受力情況。在布設(shè)吊點時，要嚴格遵循“受力均勻、施工便捷、安全冗余”的原則，并選擇適當?shù)牡踹\角度。吊點布設(shè)完成后，選擇合適的吊索具并進行保養(yǎng)處理。

2.3 艉軸吊裝

對于單根質(zhì)量在100 t以上的大型超重艉軸，不便于使用電動葫蘆吊運安裝，一般采用軌道滑移的方式進行安裝。下面以某152 000載重噸穿梭油輪為例，對其艉軸吊裝要點進行介紹。

穿梭油輪艉軸示意圖見圖2，總長為11 538 mm，總質(zhì)量為47 t，槳轂重22 t。

圖2 穿梭油輪艉軸示意圖（單位：mm）

艉軸尾部的吊點設(shè)置在槳轂中心，在起吊時為均衡受力，將艉軸首部吊點設(shè)置在質(zhì)心前方1 m處。為保證艉軸在起吊后保持水平狀態(tài)，2個吊點的鋼絲繩長度不能等長。如圖3所示，以質(zhì)心為基點，垂直于軸心線引一條直線。尾部吊點鋼絲繩長度為8 m，以尾部吊點為圓心，8 m為半徑作圓弧，圓弧與上述直線的交點即為吊鉤中心點。吊鉤中心點與首部吊點連線長度即為首部吊點鋼絲繩的長度。如圖4所示，在進行受力分析時，可將艉軸進行均勻化處理，均勻化艉軸重力為，多余的重量可等效為一個集中力。

圖3 艉軸鋼絲繩配置示意圖（單位：mm）

圖4 艉軸受力示意圖（單位：mm）

圖4中A、B、C為吊點，AB=1 m，AC=3.375 m，=270 kN，=200 kN。C點吊繩與垂線的夾角為17°，A 點吊繩與垂線的夾角為 7°。由力矩平衡計算可知，A點吊索具理論承載力為145 kN，C點吊索具理論承載力為344 kN。因此，不規(guī)則零件在吊裝前要進行受力分析與核算，不能簡單按照規(guī)則物件吊裝慣例來配置吊索具。

3 施工安全

舵葉、舵桿、槳葉與艉軸的安裝均需要采用液壓輔助裝置。通過液壓軟管將液壓單元和舵桿螺母或槳轂相連接，舵桿螺母或槳轂隨著液壓單元壓力不斷升高而逐漸膨脹。現(xiàn)場施工需要注意以下4點：

1）合理選用液壓單元壓力表的量程，最大量程一般取工作壓力的1.5～2.0倍，量程過小容易爆表，過大則不夠精準。

2）所有高壓油管、接頭和閥件的許用壓力不得小于最大工作壓力的1.2倍。

3）放氣孔的螺紋需要保證完好無損，螺紋損傷會降低預(yù)緊力，壓裝過程中極易將悶堵彈出，故需在悶堵的前方設(shè)置警戒區(qū)。

4）高壓油管應(yīng)避免打折，打折損傷處極易爆管。

4 結(jié)論

船舶軸系和舵系施工風(fēng)險高、難度大，一旦發(fā)生事故，后果非常嚴重，本文基于3 600 TEU集裝箱和152 000載重噸穿梭油輪項目，對軸系和舵系施工中的尾管密性、吊裝及壓裝等3個關(guān)鍵階段的受力情況進行分析，并提出相應(yīng)的管控措施。研究表明：優(yōu)化施工工藝、重視關(guān)鍵受力環(huán)節(jié)的分析與管控、強化施工組織與管理等措施可有效提升船舶軸系和舵系現(xiàn)場施工的安全性。