40000 DWT自卸船艏部總段四機聯(lián)吊工藝設(shè)計

王 飛

（中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433）

0 引言

項目40000 DWT自卸船艏部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)合該船結(jié)構(gòu)特點，艏部布置自卸C-LOOP艙、MCC房間、艏側(cè)推間等，電氣設(shè)備較多，同時艏樓甲板上有錨機、絞車及大量系泊設(shè)備，甲板反面的設(shè)備加強錯綜復(fù)雜，因此，擴大艏部分段中組范圍、提高總段的預(yù)舾裝率、確保工序前移勢在必行。鑒于公司船臺吊裝設(shè)施相對落后，單臺吊車起吊能力最大為150 t，而本艏部總段重量較大，不含吊索具已重達311 t，傳統(tǒng)的2臺150 t吊車聯(lián)吊也無法滿足總段吊裝搭載，為攻克這一難題，結(jié)合現(xiàn)場設(shè)施條件，必須創(chuàng)新性地設(shè)計四機聯(lián)吊方案，即2臺120 t和2臺150 t吊車聯(lián)吊，以充分利用船臺門機的吊運能力，減少總段在船臺搭設(shè)腳手架、仰焊及高空施工作業(yè)，以便能提高船臺搭載效率，縮短船臺建造周期，為后期實現(xiàn)船臺搭載一條龍及自卸系統(tǒng)的調(diào)試奠定基礎(chǔ)，由此可見設(shè)計安全可靠的聯(lián)吊方案是重要保證。

結(jié)合國內(nèi)總段聯(lián)合吊裝研究現(xiàn)狀，大多為2臺門機聯(lián)吊[1]，吊裝方案相對簡便，吊裝作業(yè)的復(fù)雜性、不確定性也相對較低。為確保四機聯(lián)吊方案安全可靠，將從以下幾點著手進行設(shè)計：艏部總段的外形尺寸及重量、重心位置；中組場地、吊裝設(shè)備的選用；吊點的布置及總段的強度分析；吊裝的載荷分析及吊裝方案的優(yōu)化提升。

1 艏部總段概述

1.1 艏部總段的劃分范圍

艏部總段包含艏樓舷墻、艏樓甲板分段、主甲板分段、錨臺及內(nèi)部所有管系、鐵舾及電舾件，總段的主尺度為18.4 m×27.8 m×7.1 m（長×寬×高），如圖1所示。

圖1 艏部總段三維實體模型

1.2 艏部總段的重量、重心

經(jīng)過各專業(yè)三維軟件建模及重量計算，本總段的總重量約為311.37t（不含吊索具重量），重心位置X=FR211+843，Y=-54，Z=17799。

坐標(biāo)系說明：

X：船長方向重心距FR0肋位水平距離，mm；

Y：型寬方向重心距船中水平距離，mm；左舷為正，右舷為負；

Z：型深方向重心距離基線垂向距離，mm。

詳細的重量、重心如表1所示。

表1 艏部總段重量重心表

2 艏部總段吊裝方案設(shè)計

2.1 吊裝設(shè)備選用

艏部總段重量約311 t，重量較大，常規(guī)的2臺及3臺門機聯(lián)吊已無法滿足吊裝需要。結(jié)合吊裝設(shè)施特點，本總段吊裝計劃采用2臺150 t塔式門機及2臺120 t塔式門機，共計4臺門機聯(lián)合抬吊，以確保吊運時受力均衡。由于四機聯(lián)吊吊運過程中的情況復(fù)雜多變，同時受其它各種因素的限制，其聯(lián)吊安全起吊能力為額定起吊能力的70%，即四聯(lián)吊的允許吊裝載荷為378 t，大于總段重量，因此滿足總段吊裝要求。同時，為確保吊裝安全及各種不確定因素，聯(lián)吊過程中門機運行軌跡必須盡可能短，因此總段中組場地選在船臺首側(cè)，總段起吊后即可運行實現(xiàn)船臺搭載。

各門機的吊運設(shè)定參數(shù)為：120 t門機（滿負荷吊幅16～24 m）：吊裝能力120 t，軌上最大起升高度45 m，吊幅21.9 m；150 t門機（滿負荷吊幅30～35 m）：吊裝能力150 t，軌上最大起升高度47 m，吊幅30 m。以上參數(shù)可保證各門機的吊重能力在其最大設(shè)計值，且頂部象鼻梁不發(fā)生干涉，理論上滿足吊裝要求。

2.2 吊索具的配置

根據(jù)門機配置相關(guān)吊索具，其中150 t門機配單根長度為20 m鋼絲繩2根（對折使用），破斷力不小于60 t，搭配SWL55t弓形卸扣（橫銷直徑φ70）4只；120 t門機配180 t專用滑輪吊排（吊排加鋼索自重約10.6 t），鋼索下配SWL85t弓形卸扣與鋼絲圈相連，再配SWL55t弓形卸扣（橫銷直徑φ70）4只。為確保吊裝安全，所有用于吊運的工裝、吊索具均應(yīng)檢驗合格，符合JSA標(biāo)準(zhǔn)，同時有關(guān)吊索具的檢查、使用要求應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定[3]。

2.3 整吊吊耳的布置

根據(jù)總段重量、重心進行吊耳設(shè)計。根據(jù)四機聯(lián)吊的特點要求，為確保吊裝均勻受力，總段計劃布置4個吊點，位置分別在FR208、FR218強結(jié)構(gòu)左右兩舷，布置示意如圖2所示。根據(jù)吊點及重心位置進行受力理論計算，理論上艉部單個吊點的受力約為43 t，艏部單個吊點的受力約為35 t，受力滿足門機最大安全負荷。

圖2 總段吊耳布置示意圖

為方便吊耳制作安裝，所有吊耳均使用標(biāo)準(zhǔn)通用吊耳，尾側(cè)吊點采用D50型吊耳2只、T50型吊耳2只，首側(cè)吊點采用D50型吊耳4只。所有吊耳的焊接均采用GFL-71焊絲，焊縫不得有裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，包角焊應(yīng)焊好，吊耳與甲板的焊縫做UT及表面著色探傷檢驗合格并出具報告。

2.4 總段船臺吊高的復(fù)核

因船舶大合攏在船臺進行，為確保吊裝方案切實可行，總段吊高的復(fù)核必須要滿足門機最大吊高的限制。根據(jù)船臺門機參數(shù)，150 t門機最大吊高47 m，120 t門機最大吊高45 m，結(jié)合本總段吊索具配置情況及首部在船臺的位置，可以計算出合攏狀態(tài)下總段的實際吊高距離極限吊高還有7.4 m及8.9 m的富余空間，因此總段的吊裝理論可行，如圖3所示。

圖3 總段吊高示意

2.5 總段整吊的準(zhǔn)備工作及吊運要求

為確保吊裝過程安全可靠，提前策劃好各項準(zhǔn)備工作至關(guān)重要。在吊運前總段測量并完成必要的余量修割，精度測量滿足船臺搭載要求。為避免吊裝墜物，應(yīng)徹底清除總段內(nèi)部的廢料及施工工具，對需要帶在總段上的散裝構(gòu)件應(yīng)確?？煽抗潭ā?檢查吊索具、專用吊排、門機設(shè)備安裝和連接正確完整，狀態(tài)良好。各門機應(yīng)做專門檢查確認(rèn)主要參數(shù)和狀態(tài)，荷重顯示器應(yīng)進行校準(zhǔn)，提升及行走機構(gòu)統(tǒng)一調(diào)整到位。最后檢查總段將經(jīng)過的船臺、已搭載總段等區(qū)域，去除妨礙總段吊運和到位的物件，設(shè)警戒線，安全人員布置到位。

本次吊運由4臺門機配合完成，門機起升速度和行走速度需協(xié)調(diào)一致，總段從擱墩上起升時，采用按理論受力的“40%”、“70%”和“起升”三級逐步加力的方法，整個過程中4臺門機均應(yīng)緩慢加力，門機操作人員隨時觀察荷重表的變化，并與指揮人員密切保持聯(lián)系，指揮人員應(yīng)根據(jù)各門機荷重及時發(fā)出指令，調(diào)整各門機的動作，維持各吊點的受力平衡?？偠卧诘踹\過程中，門機只能有同一個動作，不允許有2個或2個以上動作。 當(dāng)總段即將脫離胎架/擱墩時，由于吊點、重心位置的共同影響，總段將可能發(fā)生水平面內(nèi)的滑移，此時應(yīng)注意周邊人員、設(shè)備設(shè)施的安全，并及時調(diào)整門機位置，避免出現(xiàn)過大的偏移，調(diào)整到位后應(yīng)通報各門機負荷并與理論值進行比對，確認(rèn)無過大偏差后方可繼續(xù)動作。總段由中組場地向船臺的平移過程中，應(yīng)維持總段整體水平狀態(tài)，各門機不得擅自調(diào)整吊幅。行走時應(yīng)緩慢勻速，過程中應(yīng)特別注意4臺門機在行走速度上的協(xié)調(diào)，保持總體一致性，避免出現(xiàn)偏拉斜吊的現(xiàn)象。各門機在行進過程中應(yīng)將荷重表的變化情況及時向指揮人員反饋。另需配置協(xié)助人員隨時觀測船臺兩側(cè)的12045和15062門機間的相對距離，并及時向指揮人員反饋。指揮人員根據(jù)反饋信息及時對門機下達相應(yīng)的修正指令。當(dāng)總段到達搭載位置后，按中組場地起升時的方法平緩?fù)较陆抵链钶d位置時，2臺12045門機停止下降，2臺15062門機緩慢下降，使整個艏總段達到船臺搭載斜度（1/20），調(diào)整12045和15062門機的高度，配合輔助定位工裝，直至艏總段到位。

3 艏部總段整吊有限元分析

3.1 艏部總段有限元建模及網(wǎng)格劃分

運用吊裝仿真軟件TSV-BLS進行吊裝建模[2]，為提高建模效率，可將SPD船舶設(shè)計軟件模型導(dǎo)入，然后進行優(yōu)化完善。待模型無誤后，對模型進行適當(dāng)?shù)妮p量化設(shè)置，并對結(jié)構(gòu)上的一些開孔采用板厚折算處理，最后將模型參考相關(guān)規(guī)范要求進行網(wǎng)格劃分，除一些特殊位置外，模型網(wǎng)格大小為200 mm×200 mm。

3.2 艏部總段整吊加強設(shè)計

根據(jù)總段結(jié)構(gòu)特點，尾側(cè)吊點FR208處為艏樓橫艙壁，結(jié)構(gòu)強度理論較好，但艏側(cè)吊點FR218處僅有縱桁布置，橫向強度理論較弱，為確保受力傳遞及吊裝分析計算一次成功，特在有限元模型中艏側(cè)吊點處增加部分吊裝加強，加強采用肘板形式，規(guī)格16AH36。

3.3 艏部總段載荷及工況設(shè)定

本次計算的載荷為總段自身重量，通過定義模型中的構(gòu)件單元尺寸及密度來完成模型的質(zhì)量分布，各專業(yè)的重量以分布力的形式施加到各指定區(qū)域，經(jīng)有限元模型調(diào)整后的總重量為321 t，重心X=178393 mm,Y=-54 mm，Z=17799 mm，滿足計算條件。根據(jù)總段結(jié)構(gòu)材料屬性，結(jié)構(gòu)材質(zhì)包含A級普通鋼、AH32及AH36高強度鋼，模型中板厚的設(shè)置以詳細結(jié)構(gòu)圖紙為準(zhǔn)。有限元計算模型的材料參數(shù)設(shè)置為：泊松比ν=0.3，楊氏模量E=206000 N/mm2，密度ρ=7850 kg/m3。運用軟件設(shè)置吊點、約束條件等，并施加載荷，如圖4所示，吊裝的模擬工況為平移及垂直抬升，不存在翻身動作。

圖4 總段邊界約束及受力效果圖

3.4 有限元分析計算結(jié)果

參考相關(guān)規(guī)范對結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力及變形評估[4]，為確保安全，本次分析所取的安全系數(shù)為3.0，A級鋼的許用應(yīng)力為235/3=78.3 N/mm2；AH32高強度鋼的許用應(yīng)力為315/3=105 N/mm2；AH36高強度鋼的許用應(yīng)力為355/3=118.3 N/mm2。對于剪切應(yīng)力，選取許用應(yīng)力的0.6倍的安全系數(shù)，即A級普通鋼的許用剪切應(yīng)力為78.3×0.6=47 N/mm2；AH32高強度鋼的許用剪切應(yīng)力為105×0.6=63 N/mm2；AH36高強度鋼的許用剪切應(yīng)力為118.3×0.6=71 N/mm2。

運用軟件進行分析及吊裝工況計算，考慮船臺搭載作業(yè)為垂直起吊，不存在翻身動作，因此僅分析垂直起吊工況的受力情況，各項計算結(jié)果見表2所示。

表2 垂直吊裝工況變形和應(yīng)力結(jié)果表

其中材質(zhì)應(yīng)用較為廣泛的AH36高強度鋼，最大的應(yīng)力85.42 MPa，小于許用應(yīng)力值，因此結(jié)構(gòu)屈服強度滿足要求。最大的剪切應(yīng)力為44.40 MPa，也小于許用剪切應(yīng)力并滿足強度要求，如圖5所示。同時，其他材質(zhì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算結(jié)果也均小于許用應(yīng)力值。對于吊裝變形，通過吊裝變形分析，結(jié)構(gòu)最大的變形為2.52 mm，在FR218首側(cè)吊點附近的加強筋末端位置，考慮沒有具體的結(jié)構(gòu)變形評估標(biāo)準(zhǔn)且變形量較小，因此忽略不計。

圖5 垂直起吊工況AH36級高強度鋼應(yīng)力云圖

綜上顯示，各等級結(jié)構(gòu)受力計算結(jié)果均滿足要求，吊裝方案理論可行。

4 結(jié)語

隨著建模2.0及工序前移的深入推進，船舶總段愈來愈大型化，對總段的完整型要求更高。艏樓總段作為船體的關(guān)鍵位置，是主船體船臺搭載一條龍的重要標(biāo)志，因此總段吊裝設(shè)計的安全性尤為重要。本文對艏部總段的吊裝進行設(shè)計研究，在總段超過常規(guī)門機吊裝額定能力的情況下，采用四機聯(lián)吊方法，充分考慮每臺門機的安全吊裝負荷，選用合理吊裝路線，當(dāng)4臺吊車吊運前移的過程中，各臺吊車的移動速度必須保證一致，否則各臺吊車的受力情況就會發(fā)生變化，容易引發(fā)安全風(fēng)險。本吊裝方案通過吊裝仿真軟件進行吊裝工況的模擬分析及受力計算，分析出應(yīng)力及變形較大的部位，并對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化或加強，從而使總段吊裝方案安全可靠，為生產(chǎn)實踐提供了理論依據(jù)。