船舶上層建筑“殼舾涂”一體建造的改進(jìn)與應(yīng)用

王亞慶,湯 俊,胡 晨

(中船澄西船舶修造有限公司,江蘇 江陰 214433)

0 引言

現(xiàn)代造船模式對(duì)造船生產(chǎn)模式提出了明確的要求,其中“殼舾涂”一體化制造是造船生產(chǎn)模式的重要組成部分,即以中間產(chǎn)品為對(duì)象,實(shí)施中間產(chǎn)品“殼舾涂”按序生產(chǎn)的模式,在中間產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)施,最終輸出“殼舾涂”完整達(dá)標(biāo)的合格中間產(chǎn)品,為下道工序生產(chǎn)奠定完整性基礎(chǔ)[1]。

82 000 t散貨船是船廠在建的主流船型,已迭代至第三代,具有更節(jié)能、更環(huán)保、載貨量更大的優(yōu)點(diǎn)。該型船上建煙囪原建造方案分為上建和煙囪兩個(gè)總段分別進(jìn)行分段建造和總組,煙囪總段在船臺(tái)上吊裝,上建總段待船舶下水后整吊。該方案使上建與煙囪前后合龍縫區(qū)域大量艙室結(jié)構(gòu)、舾裝等工程整吊前無(wú)法完成,總段“殼舾涂”一體化建造目標(biāo)無(wú)法達(dá)成,給碼頭調(diào)試周期控制帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。目前,國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀船廠多采用上建模塊化建造,利用大型龍門吊實(shí)施上建整體吊裝,相關(guān)吊裝方案和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)比較成熟。但是,船廠受基礎(chǔ)設(shè)施和場(chǎng)地資源限制,無(wú)法借鑒相關(guān)成功經(jīng)驗(yàn)。

因此,船廠在現(xiàn)有的生產(chǎn)條件下,為了能夠達(dá)到上建煙囪“殼舾涂”一體化完整性吊裝的目標(biāo),組織進(jìn)行工藝改進(jìn),實(shí)施上建和煙囪合并整體建造,待船舶下水后,采用大浮吊進(jìn)行整體吊裝。本文對(duì)建造的場(chǎng)地選擇、整吊強(qiáng)度計(jì)算、加強(qiáng)設(shè)置、殼舾涂一體化建造、現(xiàn)場(chǎng)施工中的過(guò)程控制進(jìn)行研究。

1 總段搭載場(chǎng)地選擇和確認(rèn)

該型82 000 t船上建煙囪總段由10個(gè)分段組成,合并建造后總段外形尺寸:長(zhǎng)×寬×高約為23.80 m×32.26 m×28.41 m,理論計(jì)算質(zhì)量約為688.3 t。由大浮吊進(jìn)行上建總段吊裝,總段吊離總組場(chǎng)地時(shí),大浮吊的扒桿仰角為45.4°,撲幅(浮吊首部到總段重心的距離)為48.0 m,前鉤吊高(吊鉤底部距浮吊甲板面)為57.3 m,后鉤吊高為54.5 m。大浮吊扒桿仰角45.4°,對(duì)應(yīng)吊重8 610 kN,按規(guī)定起升實(shí)際載荷只有載荷表所允許的載荷的80%以下時(shí),允許變幅操作,且只能為收幅。該型82 000 t船滿足大浮吊收幅的要求。后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘察測(cè)量,遴選出3處總組場(chǎng)地。

1號(hào)場(chǎng)地位置:此場(chǎng)地可以確保大浮吊起吊扒桿仰角及撲幅,同時(shí)滿足總組門機(jī)對(duì)分段搭載吊裝,因此最終確認(rèn)1號(hào)總組場(chǎng)地。上建總段場(chǎng)地中心線(南北向)設(shè)置在距江邊45 m,既可滿足分段的順利搭載,又滿足大浮吊吊裝要求。

2號(hào)場(chǎng)地位置:此場(chǎng)地滿足大浮吊吊裝要求,但受總組門機(jī)撲幅及吊重限制,扒桿撲幅在50 m時(shí)只能吊重730 kN。由于上建分段結(jié)構(gòu)加管電重量超過(guò)800 kN,大于總組門機(jī)在該撲幅吊重能力,因此2號(hào)場(chǎng)地不滿足總組要求。

3號(hào)場(chǎng)地位置:此場(chǎng)地根據(jù)大浮吊工況要求保持跟1號(hào)場(chǎng)地一致,各項(xiàng)硬件設(shè)施均滿足使用要求,作為第2理想總組場(chǎng)地。

2 總段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

參考相關(guān)規(guī)范和有限元強(qiáng)度分析工藝規(guī)范對(duì)總段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估[2]。安全系數(shù)取3.0,剪切應(yīng)力取許用應(yīng)力的0.6倍的安全系數(shù)。垂直工況下的變形和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

2.1 邊界條件、載荷及工況

本次計(jì)算的載荷為結(jié)構(gòu)自身重量。該總段總質(zhì)量約為688 t,重心:X=17 787 mm,Y=-354 mm,Z=29 767 mm。提供的質(zhì)量和重心和有限元調(diào)整后的質(zhì)量和重心對(duì)比見(jiàn)表2。邊界約束及受力效果見(jiàn)圖1。

圖1 邊界約束及受力效果圖(單位:kN)

表2 整個(gè)結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力結(jié)果

2.2 計(jì)算結(jié)果評(píng)估

結(jié)構(gòu)最大變形為9.17 mm,其中A級(jí)鋼最大形變?yōu)?.17 mm,AH36級(jí)鋼最大形變?yōu)?.33 mm;最大應(yīng)力為67.82 MPa,其中A級(jí)鋼最大應(yīng)力為60.79 MPa,AH36級(jí)鋼最大應(yīng)力為67.82 MPa,位于駕駛甲板右舷靠尾部加強(qiáng)槽鋼上。相關(guān)數(shù)據(jù)均滿足強(qiáng)度與剛度要求。具體各工況變形見(jiàn)圖2～圖5。

圖3 A級(jí)鋼最大應(yīng)力效果圖(單位:MPa)

圖4 AH36級(jí)鋼應(yīng)變效果圖(單位:mm)

圖5 AH36級(jí)鋼最大應(yīng)力效果圖(單位:MPa)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,吊耳區(qū)域縱壁板及甲板板比較薄,需增加板厚和加強(qiáng)結(jié)構(gòu),使吊點(diǎn)的力能很好地傳遞到下層甲板,吊耳及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)按板厚分中原則對(duì)齊,并確保焊接質(zhì)量。

2.3 總段加強(qiáng)設(shè)置

由于總段最下層分段帶左右舷2塊小平臺(tái),為保證小平臺(tái)跟隨總段主體一起吊裝,在每個(gè)平臺(tái)上設(shè)計(jì)2個(gè)D-10吊耳,且在上方分段的翼橋舷墻上表面設(shè)計(jì)2個(gè)T-10吊耳。上下吊耳之間用鋼絲繩連接,鋼絲繩用花籃螺絲與夾頭收緊。駕駛甲板兩側(cè)吊排用20#槽鋼與圍壁連接加強(qiáng),見(jiàn)圖6圓圈處。

圖6 上建A甲板兩側(cè)平臺(tái)加強(qiáng)布置

3 實(shí)際應(yīng)用與施工

82 000 t散貨船上建煙囪原建造方案采用分體建造方式,上建與煙囪之間沒(méi)有關(guān)聯(lián),分段搭載逐層吊裝、裝焊、火工。目前,該船上建煙囪采用整體建造方式。由于上建和煙囪成為一個(gè)整體,單船作業(yè)計(jì)劃就要通局考慮,合理科學(xué)編排。具體思路如下:調(diào)整分段制作、吊裝等作業(yè)計(jì)劃,并通知相應(yīng)管、電、舾、涂等其他專業(yè)同步做好相關(guān)修改工作;重新梳理提前進(jìn)艙設(shè)備,與生產(chǎn)準(zhǔn)備部門協(xié)調(diào)調(diào)整進(jìn)艙設(shè)備納期,確保該項(xiàng)工程的順利開(kāi)展。

3.1 上建煙囪分段搭載的過(guò)程控制

分段總組搭載采用單層合龍后進(jìn)行上一層分段吊裝模式,即A甲板→B甲板→C甲板→駕駛甲板→羅經(jīng)甲板。分段吊裝一般采用一次定位,打磨、清潔施焊區(qū)域后采用密集點(diǎn)焊進(jìn)行定位焊,焊前對(duì)無(wú)結(jié)構(gòu)連接的板架對(duì)接焊縫區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng),確保焊縫間隙和對(duì)接質(zhì)量;鋼圍壁與甲板的角接縫拼接處應(yīng)平順無(wú)突變,間隙≤l mm,直線度偏差≤1 mm,局部≤2 mm,不允許強(qiáng)行拉彎。分段焊后視變形情況進(jìn)行矯正,對(duì)接邊緣變形≤3 mm;出現(xiàn)對(duì)接狀態(tài)不良時(shí),應(yīng)檢查原因,修正好后進(jìn)行定位,嚴(yán)禁強(qiáng)行進(jìn)行變形狀態(tài)下對(duì)接。

總組階段各種舾裝件(基座、支架、門窗等)安裝前,應(yīng)檢查安裝位置的變形是否超差。焊接量較大的舾裝件焊前應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng),不可在自由狀態(tài)下焊接。舾裝件安裝應(yīng)在板材與型材裝焊后進(jìn)行,安裝處板材要平整,不可安裝在波浪變形的板上,安裝間隙≤1 mm。

3.2 上建煙囪變形矯正的過(guò)程控制

(1)上層建筑矯正工作必須在一個(gè)整層分段或總段內(nèi)零部件的裝配和焊接工作結(jié)束后進(jìn)行。

(2)矯正順序:原則上先上層后下層,先甲板后圍壁,先室內(nèi)后室外,先扶材后板材,先輕后重,先疏后密。

(3)火工矯正原則上利用線狀加熱。進(jìn)行水冷卻時(shí),水柱與加熱點(diǎn)保持100 mm間距;效果未達(dá)到要求情況下,可采取“點(diǎn)狀”矯正法以達(dá)到平整度要求。烘的點(diǎn)子直徑不得大于30 mm。

(4)對(duì)于局部應(yīng)力太集中的部位采取開(kāi)刀釋放應(yīng)力或挖補(bǔ)板材處理后再水火矯正;板縫嚴(yán)重不平整的部位,需將板縫開(kāi)刀放勁,重新裝配平整后施焊,焊后干烘消除應(yīng)力。

(5)矯正時(shí)可利用平榔頭錘擊,提高矯正效果,但榔頭錘擊時(shí)應(yīng)注意嚴(yán)格控制溫度在500～600 ℃,以微紅為宜?；鸸こC正時(shí),應(yīng)注意溫度和火嘴移動(dòng)速度,避免燒枯等現(xiàn)象;目測(cè)油漆不起泡、鋼板不發(fā)黑,以灰色為好。

(6)上層建筑轉(zhuǎn)角處板壁、扶材變形處矯正盡量采取適當(dāng)?shù)耐饬o助;也可在船東同意下,在板壁構(gòu)件面加規(guī)范的加強(qiáng)筋板作為永久加強(qiáng)結(jié)構(gòu),該加強(qiáng)結(jié)構(gòu)可采用間斷焊。然后再對(duì)幫材施焊部位進(jìn)行干烘以達(dá)到控制變形的目的。

(7)甲板凹凸不平應(yīng)加外力將凹陷部位頂住后在反面干烘點(diǎn)狀(微紅)。甲板矯正時(shí)一定要注意分段層高變化。

3.3 上建整吊吊耳區(qū)域相關(guān)改進(jìn)

為確保吊裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,原整吊前吊耳區(qū)域的鋼質(zhì)窗待整吊水下后再實(shí)施開(kāi)孔安裝工作。C甲板兩側(cè)共計(jì)有6扇鋼質(zhì)窗需整吊后安裝,涉及6個(gè)房間的完整性,外板油漆也面臨二次破損,需重復(fù)搭架并打磨涂裝,分布廣,影響大,不利于上建完整性的實(shí)施。為此,對(duì)該區(qū)域強(qiáng)度進(jìn)行再計(jì)算,制定修改方案,采取必要加強(qiáng)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)整吊前安裝,避免碼頭階段二次返工。

4 實(shí)施成果評(píng)價(jià)

本文研究的82 000 t散貨船作為第一艘實(shí)施上建煙囪合并建造的試點(diǎn),上建煙囪總段從第一個(gè)分段吊裝,到完工整吊,各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

與原上建和煙囪分體建造方案相比,整體建造方案減少了上建與煙囪在碼頭結(jié)構(gòu)合龍、涂裝、管舾電和內(nèi)裝等施工周期約20 d,消除了前后總段對(duì)接合龍時(shí)精度控制難題并且節(jié)省了腳手架搭設(shè)約300 m2,避免了相關(guān)施工帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。上建煙囪內(nèi)部各系統(tǒng)及內(nèi)裝完整性進(jìn)一步提高,為全面實(shí)現(xiàn)該船型進(jìn)一步壓縮周期打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

為實(shí)現(xiàn)上建煙囪總段作為完整的中間產(chǎn)品設(shè)計(jì)并建造,根據(jù)82 000 t散貨船上建特點(diǎn),編制了“殼舾涂”一體化作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)按結(jié)構(gòu)工程、居裝工程、煙囪工程等安排了共72項(xiàng)作業(yè)計(jì)劃。明確了作業(yè)周期及交付整吊前要完成的作業(yè)項(xiàng)目。系列82 000 t散貨船按此新方案已經(jīng)完成了8艘船的上建煙囪整體建造。最新完成的82 000 t散貨船上建煙囪,按82 000 t散貨船上建煙囪“殼舾涂”一體化作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì),完成率達(dá)到97%。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái),中國(guó)造船技術(shù)水平和管理模式均有了顯著提升,中間產(chǎn)品“殼舾涂”一體化建造是現(xiàn)代造船模式發(fā)展的必然要求,也是一項(xiàng)綜合復(fù)雜的船舶建造管理模式。上層建筑整體模塊化建造,作為造船中間產(chǎn)品的重要組成部分,對(duì)造船效率提升有著深遠(yuǎn)的意義。

實(shí)踐證明,船舶上層建筑的建造在結(jié)合船廠自身建造生產(chǎn)資源的同時(shí),借鑒其他單位優(yōu)秀船舶設(shè)計(jì)思路和建造工法,持續(xù)總結(jié)和改善實(shí)踐過(guò)程中的不足,最終形成一套符合船廠實(shí)情的上建整體設(shè)計(jì)并建造模式,也形成了船廠不同船型應(yīng)用同一建造標(biāo)準(zhǔn),極大促進(jìn)了船舶建造效率提升,為船企高質(zhì)量發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的造船技術(shù)保障。