浮式作業(yè)裝置的縱向強(qiáng)度試驗(yàn)

范 鵬，王璐玭，韓冰洋，婁慧龍

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司江南研究院，上海200913）

0 引 言

江南造船廠自建的32 000 t舉力浮式作業(yè)裝置是一種在漂浮或半潛狀態(tài)下作業(yè)的非自航駁船式裝置，主要應(yīng)用于船舶產(chǎn)品船臺(tái)過(guò)駁下水、大型總段短距離駁運(yùn)，以及塢內(nèi)舾裝、改造和修船等業(yè)務(wù)中，是進(jìn)一步增強(qiáng)船廠的船舶建造能力、豐富其船舶建造模式和縮短其船舶建造周期的重大戰(zhàn)略裝備?？v向強(qiáng)度試驗(yàn)是此類船舶需開(kāi)展的重要試驗(yàn)之一，不僅能驗(yàn)證其建造質(zhì)量和總縱強(qiáng)度，更能反饋其彎矩與撓度的真實(shí)變化關(guān)系，是今后進(jìn)行各類作業(yè)的重要參考依據(jù)。

浮式作業(yè)裝置的結(jié)構(gòu)形式與浮船塢較為接近。文獻(xiàn)［1］對(duì)空塢縱向強(qiáng)度試驗(yàn)的原理和方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹；文獻(xiàn)［2］以48 000 t舉力浮船塢為例，對(duì)縱向強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行了全面闡述，但未對(duì)試驗(yàn)的精度控制進(jìn)行展開(kāi)分析。相對(duì)于浮船塢，浮式作業(yè)裝置的業(yè)務(wù)更側(cè)重于船舶產(chǎn)品的甲板過(guò)駁和深沉起浮，數(shù)量有限的過(guò)駁小車(chē)加橫梁支撐體系對(duì)甲板的平整度有極高的要求。本文結(jié)合32 000 t舉力浮式作業(yè)裝置的縱向強(qiáng)度試驗(yàn)的具體流程，對(duì)試驗(yàn)的精度控制要點(diǎn)和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，為今后該浮式作業(yè)裝置服務(wù)作業(yè)的開(kāi)展提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，為同類型船縱向強(qiáng)度試驗(yàn)的開(kāi)展提供參考。

1 浮式作業(yè)裝置

1.1 主要參數(shù)

該浮式作業(yè)裝置采用鋼制的箱型船體結(jié)構(gòu)、四角塔樓、無(wú)脊弧無(wú)梁拱的舉升甲板和艏艉圓舭雪橇型船殼等設(shè)計(jì)，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 浮式作業(yè)裝置主要參數(shù)

1.2 壓載艙布置

該浮式作業(yè)裝置共設(shè)置10道水密橫艙壁和3道水密縱艙壁，整體均勻分布40個(gè)壓載艙并布置回型管弄，艉塔樓中額外配置2個(gè)備用壓載艙，具體布局見(jiàn)圖1。

圖1 浮式作業(yè)裝置壓載艙布置圖

1.3 液位遙測(cè)系統(tǒng)和撓度測(cè)量系統(tǒng)

液位遙測(cè)系統(tǒng)是浮式作業(yè)裝置的重要系統(tǒng)之一，在縱向強(qiáng)度試驗(yàn)初始“0”狀態(tài)下，對(duì)吃水讀取結(jié)果與壓載艙液位手測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，將所得結(jié)果作為整個(gè)縱向強(qiáng)度試驗(yàn)的液位數(shù)據(jù)來(lái)源。該船的每個(gè)壓載艙都設(shè)置有雙傳感器，吃水測(cè)量裝置為單測(cè)量點(diǎn)連接雙傳感器，滿足一定的系統(tǒng)冗余度要求。

撓度測(cè)量裝置是用來(lái)實(shí)時(shí)反饋船體撓度信息的關(guān)鍵設(shè)備，在浮式作業(yè)裝置各類作業(yè)中，通過(guò)數(shù)據(jù)監(jiān)控及時(shí)作出調(diào)整決策，保障被抬船舶產(chǎn)品和浮式作業(yè)裝置結(jié)構(gòu)的安全性。該船的撓度測(cè)量裝置由14個(gè)連通的充液測(cè)量管（見(jiàn)圖2）組成，在左右縱向管弄中各布置1排，如圖1所示。由于液壓撓度測(cè)量裝置是依據(jù)連通管原理工作的，各測(cè)量液位筒的液面始終處于同一水平面，故其所在位置的縱向撓度不同會(huì)導(dǎo)致液位高度不同，從而通過(guò)壓力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。

圖2 撓度測(cè)量裝置示意圖

在縱向強(qiáng)度試驗(yàn)中，為校正船上的撓度測(cè)量裝置，會(huì)在撓度測(cè)量裝置對(duì)應(yīng)位置的舉升甲板上布置一套由激光經(jīng)緯儀（或全站儀）和測(cè)量標(biāo)尺組成的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。在試驗(yàn)過(guò)程中，以光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的撓度測(cè)量值為基準(zhǔn)，對(duì)液壓型撓度測(cè)量裝置進(jìn)行校正。

2 縱向強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康暮驮?/h3>

開(kāi)展縱向強(qiáng)度試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證浮式作業(yè)裝置的總縱強(qiáng)度和變形情況，同時(shí)校核其撓度測(cè)量裝置和液位測(cè)量系統(tǒng)，以及整體配電系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)和壓載系統(tǒng)的工作狀態(tài)。根據(jù)簡(jiǎn)支梁理論，彎矩與撓度成線性關(guān)系，故該試驗(yàn)通過(guò)不同壓載配比使浮式作業(yè)裝置達(dá)到不同的中拱、中垂和彎矩狀態(tài)，并通過(guò)實(shí)際測(cè)量這些狀態(tài)下的真實(shí)撓度校準(zhǔn)撓度測(cè)量裝置，得到撓度與彎矩的真實(shí)關(guān)系。

2.2 試驗(yàn)條件

縱向強(qiáng)度試驗(yàn)的基礎(chǔ)試驗(yàn)條件如下：

1）試驗(yàn)應(yīng)在傾斜或定重試驗(yàn)之后進(jìn)行，基于確定的重量和重心核算試驗(yàn)的各步驟；

2）應(yīng)完成對(duì)液位遙測(cè)系統(tǒng)和壓載系統(tǒng)的報(bào)驗(yàn)，并在試驗(yàn)前對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)；

3）試驗(yàn)應(yīng)在陰天或晚間進(jìn)行，以盡可能地減少溫差變化對(duì)撓度的影響；

4）試驗(yàn)應(yīng)在平靜的水域和適當(dāng)?shù)奶鞖庀逻M(jìn)行，風(fēng)力不大于蒲氏2級(jí)；

5）試驗(yàn)時(shí)浮式作業(yè)裝置應(yīng)處于自由漂浮狀態(tài)，纜繩應(yīng)放松。

2.3 試驗(yàn)步驟

縱向強(qiáng)度試驗(yàn)步驟見(jiàn)圖3。結(jié)合浮式作業(yè)裝置最新的狀態(tài)反饋制訂初步的配載方案，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作性，減少各配載工況下的調(diào)載時(shí)間，合理控制試驗(yàn)時(shí)間。試驗(yàn)開(kāi)始之后，按既定的步驟記錄吃水、壓載艙液位及光學(xué)和液壓撓度裝置的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程中需對(duì)試驗(yàn)設(shè)備、纜繩松緊情況及結(jié)構(gòu)構(gòu)件和焊縫進(jìn)行檢查，若發(fā)現(xiàn)異常，需及時(shí)報(bào)告試驗(yàn)主持人。最終根據(jù)試驗(yàn)各步驟的信息匯總記錄，判斷試驗(yàn)結(jié)果的有效性。

圖3 縱向強(qiáng)度試驗(yàn)步驟

初始“0”狀態(tài)粗調(diào)：調(diào)整船舶的壓載和配載，使其接近理論初始“0”狀態(tài)。此時(shí)需同步統(tǒng)計(jì)船上多余的不足重量，除了調(diào)平壓載水以外，通常要求其他多余的不足重量不超過(guò)空船重量的1%，以保證重量及其分布的準(zhǔn)確性。

初始“0”狀態(tài)精調(diào)：作為整個(gè)試驗(yàn)的初始基準(zhǔn)點(diǎn)，需進(jìn)行初始“0”狀態(tài)精調(diào)，主要包括對(duì)舷外及艙內(nèi)水密度和液位進(jìn)行實(shí)測(cè)，校正液位遙測(cè)系統(tǒng)并將實(shí)際數(shù)據(jù)更新至理論計(jì)算模型中，同時(shí)基于光學(xué)測(cè)量?jī)x器的撓度數(shù)據(jù)校準(zhǔn)液壓撓度測(cè)量裝置，記錄試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的溫度和時(shí)間等信息。

中垂各工況：考慮到浮式作業(yè)裝置今后在進(jìn)行載船深沉起浮作業(yè)時(shí)遇到的中垂工況比較多，分別對(duì)25%、50%、75%和100%等設(shè)計(jì)中垂彎矩工況進(jìn)行撓度測(cè)定。

中拱各工況：與浮船塢類似，浮式作業(yè)裝置在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中遇到的中拱狀態(tài)較少，為得到設(shè)計(jì)彎矩下的最大中拱撓度值，同時(shí)控制試驗(yàn)時(shí)間，僅選取75%和100%的設(shè)計(jì)中拱彎矩工況進(jìn)行撓度測(cè)定。

2.4 試驗(yàn)精度控制

由于縱向強(qiáng)度試驗(yàn)是檢驗(yàn)浮式作業(yè)裝置的總縱強(qiáng)度和變形情況的重要試驗(yàn)，同時(shí)可對(duì)液位遙測(cè)系統(tǒng)和撓度測(cè)量裝置等關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證，且試驗(yàn)結(jié)果可作為今后作業(yè)的參考和報(bào)警點(diǎn)限制依據(jù)，故對(duì)試驗(yàn)的精度進(jìn)行控制尤為重要。影響試驗(yàn)精度的因素有很多，包括理論計(jì)算模型與實(shí)際的偏差、吃水液位讀取及修正換算方法的偏差和撓度測(cè)量裝置數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度等，結(jié)合試驗(yàn)具體的操作，對(duì)以下幾點(diǎn)進(jìn)行精度控制。

2.4.1 初始“0”狀態(tài)

對(duì)于浮式作業(yè)裝置而言，“0”狀態(tài)是其作業(yè)時(shí)最常遇到的狀態(tài)，故對(duì)“0”狀態(tài)進(jìn)行精確狀態(tài)校核十分必要。同時(shí)，縱向強(qiáng)度試驗(yàn)會(huì)根據(jù)初始“0”狀態(tài)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)液位遙測(cè)系統(tǒng)和撓度測(cè)量裝置進(jìn)行校正，作為后續(xù)各步驟的基準(zhǔn)狀態(tài)。由于重量分布和浮力不均勻，無(wú)法得到絕對(duì)的“0”狀態(tài)，而剪切撓度一般僅為彎曲撓度的10%左右，故控制浮式作業(yè)裝量的最大彎矩值最為關(guān)鍵。通過(guò)一定的壓載艙調(diào)節(jié)得到波浪型彎矩分布線，得知該工況下的最大彎矩值約為設(shè)計(jì)值的2%（試驗(yàn)建議小于5%），達(dá)到了初始“0”狀態(tài)。

2.4.2 吃水修正

縱向強(qiáng)度試驗(yàn)開(kāi)始之前，需讀取初始“0”狀態(tài)的吃水信息，確認(rèn)浮式作業(yè)裝置的基礎(chǔ)浮態(tài)，并驗(yàn)證其液位遙測(cè)系統(tǒng)在該狀態(tài)下的吃水信息見(jiàn)表2。

表2 初始“0”狀態(tài)下的吃水信息

吃水通過(guò)外板標(biāo)志目測(cè)或通過(guò)專用測(cè)量裝置讀取，同時(shí)需考慮吃水標(biāo)志包含的龍骨板厚（0.026 mm）。通常情況下，考慮艏部、舯部和艉部吃水權(quán)重，平均吃水的計(jì)算公式為

式（1）中：d、d和d分別為艉吃水、舯部吃水和艏吃水。

本文所述船舶采用方形圓舭雪橇型船殼設(shè)計(jì)，艏部、舯部和艉部吃水權(quán)重與常規(guī)艏艉削瘦的船型不同，舉升甲板以下近似為長(zhǎng)方體，故采用以下公式計(jì)算平均吃水更貼合實(shí)際，即

修正之后，平均吃水為4.779 m，縱傾為-0.011 m，艏傾為正，獲得初始“0”狀態(tài)下的基礎(chǔ)浮態(tài)。同時(shí)，測(cè)量舷外及各壓載艙中水的密度和溫度等信息，完善至總體計(jì)算模型中，為后續(xù)各步驟的計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

2.4.3 壓載艙結(jié)構(gòu)折減率

壓載艙是浮式作業(yè)裝置的主要組成部分，可通過(guò)不同壓載艙、不同液位的配載組合得到所需的各種作業(yè)工況，故獲取準(zhǔn)確真實(shí)的壓載量數(shù)據(jù)是浮式作業(yè)裝置作業(yè)時(shí)進(jìn)行精度控制的關(guān)鍵之一。除了對(duì)壓載艙的液位和溫度進(jìn)行精確讀取以外，其結(jié)構(gòu)折減率的準(zhǔn)確性也值得核查。

通常情況下，貨船壓載艙的結(jié)構(gòu)折減率直接取2%，無(wú)需進(jìn)行更精確的校核。對(duì)于浮式作業(yè)裝置而言，其壓載艙的總艙容較大，總計(jì)近100 000 m，而折減率有0.5%的偏差就會(huì)產(chǎn)生近500 t的壓載量變化。相對(duì)于常規(guī)船舶，浮式作業(yè)裝置各壓載艙的形狀規(guī)則，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管系布置較為相似，可通過(guò)對(duì)典型壓載艙進(jìn)行艙容精核得到更準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)折減率。

選取8號(hào)左1壓載艙作為研究對(duì)象，通過(guò)構(gòu)建CATIA三維結(jié)構(gòu)及管系模型，進(jìn)行布爾運(yùn)算折減，獲得凈艙容三維模型（見(jiàn)圖4）。

圖4 典型壓載艙凈艙容三維模型

通過(guò)計(jì)算獲得該壓載艙不同液位高度的實(shí)際艙容，從而得到結(jié)構(gòu)折減率隨液位高度變化的曲線（見(jiàn)圖5）。從圖5中可看出，底部及近頂部區(qū)域結(jié)構(gòu)折減率較大，中間明顯較小。結(jié)合上述凈艙容三維模型不難看出，艙底部和頂部的結(jié)構(gòu)板筋框架，以及底部的壓載管和頂部的空氣管，均與折減率曲線數(shù)據(jù)匹配。根據(jù)以上折減率數(shù)據(jù)，結(jié)合艙內(nèi)部管系布置，按每米高度對(duì)折減率進(jìn)行簡(jiǎn)化，并將簡(jiǎn)化后的變化折減率定義至總體計(jì)算模型中，完成對(duì)壓載艙結(jié)構(gòu)折減率的精核，并為后續(xù)浮態(tài)計(jì)算提供準(zhǔn)確的壓艙量數(shù)據(jù)信息。

圖5 典型壓載艙結(jié)構(gòu)折減率變化曲線

2.4.4 撓度測(cè)量裝置校準(zhǔn)

縱向強(qiáng)度試驗(yàn)中的撓度信息有2個(gè)來(lái)源，分別是光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)和液壓撓度測(cè)量裝置。由于二者的測(cè)量點(diǎn)位置和測(cè)量原理均不相同，故這2套系統(tǒng)必然會(huì)存在數(shù)據(jù)偏差。在初始“0”狀態(tài)下，根據(jù)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)液壓撓度測(cè)量裝置進(jìn)行校正，同時(shí)對(duì)比后續(xù)步驟的撓度數(shù)據(jù)，其中舯部撓度數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 2套撓度測(cè)量系統(tǒng)的舯部撓度數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)對(duì)比可知，在不同工況下，2套撓度測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)差異不超過(guò)20 mm，平均約為10 mm，在一定時(shí)期內(nèi)，可直接采用液壓撓度測(cè)量裝置監(jiān)控?fù)隙刃畔ⅰ?/p>

2.5 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)縱向強(qiáng)度試驗(yàn)得到各工況下的撓度測(cè)量結(jié)果，并通過(guò)更新吃水和壓載艙液位信息獲得撓度與彎矩的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖6。從圖6中可看出，浮式作業(yè)裝置的撓度與彎矩整體呈線性關(guān)系，符合結(jié)構(gòu)均布載荷梁彎矩與變形的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果也顯示，“0”狀態(tài)下舉升甲板面仍存在一定的中垂，故在進(jìn)行過(guò)駁作業(yè)時(shí)應(yīng)注意使其適當(dāng)中拱，以獲得平直的舉升甲板面。通過(guò)將70%和90%設(shè)計(jì)彎矩對(duì)應(yīng)的撓度值分別設(shè)定為撓度測(cè)量裝置的報(bào)警點(diǎn)和停泵點(diǎn)，為浮式作業(yè)裝置的安全作業(yè)增加保障。

圖6 撓度與彎矩的關(guān)系曲線

在試驗(yàn)過(guò)程中和試驗(yàn)完成之后對(duì)浮式作業(yè)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢查，未發(fā)現(xiàn)焊縫拉裂等異常情況，建造質(zhì)量可靠，完成了試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于32 000 t舉力浮式作業(yè)裝置的縱向強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)流程和試驗(yàn)精度控制進(jìn)行了分析，試驗(yàn)得到的彎矩與撓度變形關(guān)系可作為今后實(shí)際作業(yè)時(shí)的參考數(shù)據(jù)。由于理論與實(shí)際存在偏差，該研究尚未考慮天氣、溫度和潮汐等自然因素對(duì)試驗(yàn)精度的影響，同時(shí)因浮式作業(yè)裝置的操作環(huán)境惡劣，今后可能出現(xiàn)的局部變形和淤泥沉積等也是影響精度的客觀因素，需在后續(xù)的試驗(yàn)和實(shí)踐中進(jìn)行評(píng)估分析。