重型薄壁生活區(qū)模塊整體吊裝方案研究

朱波波

(啟東中遠海運海洋工程有限公司，江蘇 啟東 226200)

0 引言

目前，船舶生活區(qū)模塊化建造已呈現(xiàn)大型化、輕量化趨勢，在滿足船員日益增長的空間需求基礎(chǔ)上，不斷降低結(jié)構(gòu)重量以增加載貨量。因此，薄壁高強結(jié)構(gòu)憑借其重量輕、強度大的特點越來越多地被應(yīng)用到生活區(qū)模塊設(shè)計和建造中。

但是，國內(nèi)外學(xué)者對重型薄壁生活區(qū)模塊吊裝方案的研究較少，大部分僅對生活區(qū)模塊在使用工況下的強度和變形進行分析，未考慮在吊裝工況下的強度和變形。因此，建立重型薄壁生活區(qū)模塊吊裝方案設(shè)計流程，對我國船舶行業(yè)發(fā)展薄壁生活區(qū)模塊化建造和吊裝具有重要的實踐意義。本文以某FPSO生活區(qū)模塊為研究對象，對其整體吊裝方案進行設(shè)計，并分析吊裝強度，總結(jié)吊裝作業(yè)流程，形成了一套完整的吊裝設(shè)計、校核和操作流程，從而實現(xiàn)重壁生活區(qū)模塊化建造，縮短整船建造周期。

1 生活區(qū)模塊水上吊裝方案選擇

FPSO生活區(qū)模塊主要參數(shù)如下：長21.6 m，寬40.5 m，高33.3 m，吊裝重量22 630 kN；自下而上分為8層，采用薄壁梁板結(jié)構(gòu)形式，壁板厚度8 mm，甲板厚度7 mm。

FPSO生活區(qū)模塊在碼頭前沿完成總裝和調(diào)試后，使用大型浮吊整體吊裝到FPSO主船體上。水上吊裝方案有聯(lián)排小吊耳吊裝方案和大剛度一體吊排吊裝方案2種[1]。聯(lián)排小吊耳吊裝方案吊耳制作安裝簡單，但需新購大量吊索具，費用巨大，吊索具生根和拆除工作量大，且剛度小，易引起薄壁結(jié)構(gòu)屈曲變形和撕裂，吊裝安全無法保證。大剛度一體吊裝方案吊排剛度大、變形小、安全性高，因此，本文擬采用大剛度一體吊排吊裝方案。吊裝方案見圖1。

圖1 大剛度一體吊排吊裝方案

2 生活區(qū)模塊水上吊裝方案設(shè)計

2.1 模塊重量重心計算

稱重油缸配合稱重傳感器，將完工后的生活區(qū)模塊整體頂起。通過稱重傳感器讀取每個油缸處的支反力，根據(jù)油缸相對坐標(biāo)原點的位置和支反力，積分求出生活區(qū)模塊總重量和重心位置，見表1。

表1 模塊重量重心

2.2 吊點載荷計算

假設(shè)大剛度一體吊排A、B、C、D的吊點載荷分別為WA、WB、WC、WD，根據(jù)力和力矩平衡，可計算得到各吊點載荷WA=4 910 kN，WB=4 900 kN，WC=6 420 kN，WD=6 400 kN。

2.3 大剛度一體吊排設(shè)計

大剛度一體吊排最大載荷為6 420 kN，采用雙吊耳設(shè)計，由主板、面板和扶強肘板組成。吊耳主板厚度為60 mm，生活區(qū)圍壁厚為8 mm，對接板板厚差不大于1倍且板條寬度不小于300 mm，吊耳主板與圍壁間采用30、15 mm鋼板過渡[2]，見圖2。吊耳配8 000 kN標(biāo)準(zhǔn)卸扣，卸扣銷軸直徑為240 mm，開口為300 mm，弓高為660 mm。銷軸直徑需大于等于90%吊耳孔直徑，吊耳總厚度需大于75%卸扣開口寬度，吊耳外圓弧半徑需大于2倍吊耳直徑[3]。吊耳內(nèi)孔直徑取250 mm，總厚度取225 mm，外圓弧半徑取500 mm。

圖2 吊排板厚過渡方法(單位：mm)

2.4 吊索具設(shè)計與校核

浮吊配有4只7 750 kN吊鉤，每只吊鉤上掛1根鋼絲繩圈。繩圈兩頭通過卸扣連接到大剛度一體吊排吊耳上，繩圈左右2股繩分別套在吊鉤左右2個溝槽內(nèi)，以保證繩圈兩頭受力相等，見圖3。為保證吊索具吊裝安全，按照卸扣系數(shù)載荷<卸扣安全載荷[3]要求校核鋼絲繩、卸扣強度。校核結(jié)果如下：總吊裝系數(shù)1.54，吊裝載荷3 700 kN，系數(shù)載荷5 700 kN，繩圈安全載荷6 970 kN，繩圈使用系數(shù)0.81，卸扣系數(shù)載荷5 700 kN，卸扣安全載荷8 000 kN，卸扣使用系數(shù)0.71。繩圈使用系數(shù)和卸扣使用系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

圖3 吊索具布置圖

2.5 浮吊能力校核

為保證浮吊吊裝安全，根據(jù)挪威船級社相關(guān)規(guī)范，需校核浮吊吊裝高度、吊裝撲距、主臂起重能力、吊鉤起重能力[3]。

最終校核結(jié)果如下：總系數(shù)1.17，吊鉤載荷6 420 kN，吊鉤系數(shù)載荷7 510 kN，吊鉤安全載荷7 750 kN，吊鉤使用系數(shù)0.97，上述指標(biāo)均滿足要求，吊鉤使用系數(shù)也滿足規(guī)范要求。

3 生活區(qū)模塊吊裝強度分析

3.1 吊裝分析

生活區(qū)模塊吊裝強度分析采用DNV Sesam GeniE 3D有限元分析軟件。生活區(qū)模塊結(jié)構(gòu)采用屈服強度為315 MPa的碳鋼，所有吊耳采用屈服強度為355 MPa的碳鋼，楊氏模量、密度、泊松比均采用鋼材的特性參數(shù)[4-5]。

3.2 吊裝模型邊界條件和網(wǎng)格劃分

普通區(qū)域單元格尺寸為200 mm，吊排及與吊排相連區(qū)域單元格取100 mm。吊裝模型邊界為4個吊鉤位置在X、Y、Z方向的位移固定。吊裝模型載荷結(jié)構(gòu)重量通過模型自動算出，設(shè)備、管子、電纜、舾裝件通過面載荷加載[6]。

3.3 吊裝分析結(jié)果

浮吊吊裝模塊工況下，應(yīng)力云圖和變形云圖分別見圖4、圖5，最大組合應(yīng)力和變形量見表2。

表2 最大組合應(yīng)力和變形值

圖4 應(yīng)力云圖

圖5 變形云圖

4 生活區(qū)模塊水上吊裝流程

4.1 浮吊系泊力計算

總系泊力RT的計算公式為[7]

RT=0.7(RB+Rf)+Ra

式中：RB為剩余阻力；Rf為摩擦阻力；Ra為風(fēng)阻力。

剩余阻力RB的計算公式為

RB=0.147δA1V1.83+0.15V

式中：δ為方形系數(shù)，δ=0.9；A1為水下橫截面面積，A1=701 m2；V為流速，V=2.5 m/s。

摩擦阻力Rf的計算公式為

Rf=1.67×10-3A2V1.83

式中：A2為水下濕表面積，A2=8 327 m2。

風(fēng)阻力Ra的計算公式為

式中：ρ為空氣密度，ρ=1.22 kg/m3；V1為風(fēng)速，V1=13.8 m/s；Ai為受風(fēng)面積，Ai=3 160 m2；CS為受風(fēng)面積Ai的形狀系數(shù)，CS=0.5；Ch為受風(fēng)面積Ai的高度系數(shù)，Ch=1.3。

綜上，得到RB=699 kN，Rf=74 kN，Ra=239 kN，RT=780 kN。

4.2 浮吊進檔系泊

浮吊?？看a頭后，準(zhǔn)備作業(yè)時將船首的2根交叉纜繩系到碼頭纜樁，船尾拋八字錨。通過交叉纜和八字錨控制船位，浮吊可以抵御風(fēng)浪流的影響。根據(jù)系泊力計算，浮吊自身系泊設(shè)備可以抵御6級風(fēng)和2.5 m/s流的同時作用。為保證浮吊在陣風(fēng)超過6級時的安全，使用拖輪在側(cè)面守護，見圖6。

圖6 浮吊系泊圖

4.3 浮吊起吊

(1)在碼頭前沿完成吊索具和掛鉤連接后，使用定位絞車將浮吊移動到生活區(qū)模塊正上方，逐個將吊鉤下的鋼絲繩與一體吊排上的吊耳連接。

(2)緩慢升鉤將生活區(qū)吊起，離地5 cm后保持15 min。此時，應(yīng)檢查吊排及反面結(jié)構(gòu)有無明顯變形或裂紋。

(3)繼續(xù)升鉤到指定高度后將浮吊移動到安裝位置。

4.4 浮吊移位和安裝

用拖輪將浮吊移到安裝位置，浮吊艏部左舷和艉部左舷帶纜到碼頭纜樁，浮吊艏部右舷和艉部右舷拋錨。用錨絞車將浮吊緩慢移動到安裝位置上方，緩慢下降吊鉤直到進入下方導(dǎo)向并安裝到位。

5 結(jié)論

(1)大剛度一體吊排吊裝重型薄壁結(jié)構(gòu)物可以增加吊點區(qū)域結(jié)構(gòu)剛性、減小結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力。

(2)使用1根鋼絲繩圈繞過吊鉤兩邊溝槽，繩圈兩頭連接到吊排2只吊耳卸扣上，繩圈可在溝槽內(nèi)自由竄動，使2個吊耳受力均衡，避免因鋼絲繩長短引起的受力不均和壁板撕裂。

(3)嚴(yán)格按照吊裝工況選擇吊裝安全系數(shù)，將動載系數(shù)、重量系數(shù)、重心系數(shù)、搖晃系數(shù)、傾斜系數(shù)疊加后校核模塊自身結(jié)構(gòu)、吊排、卸扣、鋼絲繩和浮吊強度。

(4)根據(jù)當(dāng)?shù)厮?、氣象條件進行浮吊系泊力分析，計算出風(fēng)、浪、流產(chǎn)生的環(huán)境載荷，校核系泊絞車和錨抓力，必要時增加拖輪輔助移泊。