吊環(huán)加強(qiáng)一體化設(shè)計(jì)在鋁合金分段上的應(yīng)用

梁麗詩(shī) 趙曉東 鐘發(fā)明

摘? ? 要：某型船大曲度鋁合金分段由于追求空間利用率，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)空曠，縱橫壁板結(jié)構(gòu)少，在分段吊裝及搭載過(guò)程中存在較大的結(jié)構(gòu)變形風(fēng)險(xiǎn)。為降低分段扭曲變形風(fēng)險(xiǎn)和分段吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)，介紹了一種將吊環(huán)加強(qiáng)一體化設(shè)計(jì)應(yīng)用在大曲度鋁合金分段上的吊裝加強(qiáng)工藝方法，能有效降低分段加強(qiáng)設(shè)計(jì)用量，實(shí)現(xiàn)吊裝變形可控，為輕量化鋁合金分段吊裝安全、吊裝變形提供了技術(shù)保障，為大型鋁合金船舶建造提供了可借鑒案例。

關(guān)鍵詞：船舶鋁合金分段；大曲度分段吊運(yùn)；吊環(huán)

中圖分類(lèi)號(hào)：U671.71 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

The Application of Integrated Design of Ring Reinforcement

in Aluminum Alloy Segments

LIANG Lishi，? ZHAO Xiaodong，? ZHONG Faming

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.，? Guangzhou 510715 ）

Abstract： Due to the pursuit of space utilization， the design structure of a certain type ship with large curvature aluminum alloy segment is empty， the number of longitude and transverse wall plate structures is small， and there is a greater risk of structural deformation during the process of segment lifting and loading. In order to reduce the risk of segmental distortion and deformation and eliminate the safety risk of segment hoisting， this paper introduces a process method of applying the integrated design of lifting ring and reinforcement to the lifting and strengthening design， effectively reduce the design quantity for segments strenthening， realize controllable lifting deformation， and provide technical support for the safety and lifting deformation of lightweight aluminum alloy segments. It provides a reliable reference case for the construction of large aluminum alloy ships.

Key words： ship aluminum alloy segment; large curvature sectional lifting; lifting ring

1? ? ?前言

目前我司承建了一艘外形科幻的新型船舶，該船多種船舶系統(tǒng)為我國(guó)自主研制。為降低船體重量，該船采用輕量化設(shè)計(jì)，全船采用鋼鋁混合結(jié)構(gòu)。為塑造其上層建筑分段的科幻外形，突出海洋新生物特點(diǎn)和科研空間有效利用，上層建筑選用了鋁合金材質(zhì)，具有比重小、抗腐蝕性好、易于加工塑形、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但也帶來(lái)了鋁合金相對(duì)于鋼質(zhì)材料易變形導(dǎo)致分段線形難以控制和分段吊裝容易扭曲變形的難題。面對(duì)該船分段劃分尺寸重量大、上下貫穿4層甲板、設(shè)備安裝開(kāi)口大結(jié)構(gòu)弱易產(chǎn)生較大變形等風(fēng)險(xiǎn)因素，攻關(guān)人員從降低分段整體加強(qiáng)設(shè)計(jì)量和增強(qiáng)吊裝安全性方面入手，設(shè)計(jì)了一款吊環(huán)加強(qiáng)一體化吊裝工裝，消除了吊運(yùn)安全風(fēng)險(xiǎn)因素，保質(zhì)保期順利完成了該船的建造交付。

2? ? ?分段吊裝的吊環(huán)選取

按照現(xiàn)有吊環(huán)設(shè)計(jì)技術(shù)，適用于于鋁合金分段吊裝的吊環(huán)類(lèi)型有三種：焊接式鋁質(zhì)吊環(huán)；插入式鋁質(zhì)吊環(huán)；螺柱式鋼質(zhì)吊環(huán)。

2.1? ?焊接式鋁質(zhì)吊環(huán)

焊接式鋁質(zhì)吊環(huán)，一般安裝在船體甲板面或其它強(qiáng)力結(jié)構(gòu)面上，雖然其取材方便、制作簡(jiǎn)單，但也存在以下缺點(diǎn)：不適用于大型的較重鋁質(zhì)分段安裝，一是其材質(zhì)屈服強(qiáng)度較低，同噸位吊環(huán)較鋼質(zhì)吊環(huán)外形尺寸大、焊接量大、安裝極易產(chǎn)生較大熱輸入焊接變形；二是鋁質(zhì)吊環(huán)與母材焊接后其焊縫熔合區(qū)域焊接強(qiáng)度比母材強(qiáng)度較弱，起吊大噸位鋁質(zhì)分段存在焊縫受力過(guò)大易撕裂的安全風(fēng)險(xiǎn)；三是理論上焊接式鋁質(zhì)吊環(huán)可以設(shè)計(jì)成多點(diǎn)聯(lián)吊方式，但在施工過(guò)程中為防止吊環(huán)受力不均的情況，多數(shù)需要使用鋼索和滑輪組進(jìn)行連接分散吊環(huán)受力，以及使用專(zhuān)用吊梁工裝搭配進(jìn)行吊裝。此種吊環(huán)施工方法準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、后續(xù)拆除及吊環(huán)切割打磨工作量大，工裝非標(biāo)準(zhǔn)化通用性差，生產(chǎn)效率低，成本高。

2.2? ?插入式鋁質(zhì)吊環(huán)

插入式鋁質(zhì)吊環(huán)是一種由外圍壁、縱壁或橫艙壁加厚延伸而成的吊環(huán)，如圖1所示。插入式鋁質(zhì)吊環(huán)與船體艙壁板采用對(duì)接焊方式進(jìn)行連接，吊裝時(shí)可將拉力傳導(dǎo)至壁板，設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，制作方便且可承載較大噸位分段，但也存在以下缺點(diǎn)：一是吊環(huán)的材質(zhì)為鋁合金，屈服強(qiáng)度較低，對(duì)船體分段內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求較高，壁板板厚較大，相互約束面多，因此插入式鋁質(zhì)吊環(huán)更適合用于縱橫壁板多且開(kāi)孔少的分段；二是插入式鋁質(zhì)吊環(huán)的的設(shè)計(jì)需同分段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，比其他類(lèi)型的吊環(huán)設(shè)計(jì)提前了一個(gè)階段，可用的設(shè)計(jì)時(shí)間較少，且制作安裝的時(shí)間也提前到了組立階段，吊環(huán)設(shè)計(jì)難以更改，更換其他類(lèi)型的吊環(huán)也很繁瑣；三是吊環(huán)與船體艙壁板連接在一起，要求吊環(huán)附近一定范圍內(nèi)的艙壁板不可開(kāi)孔，增加了后續(xù)壁板切割打磨工作量，也對(duì)后續(xù)工序的安排有所影響。

本船鋁合金分段開(kāi)口大，外部線型復(fù)雜曲率大，內(nèi)部沒(méi)有全貫通縱橫壁，壁板約束少，吊裝時(shí)容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變形或撕裂。

2.3? ?螺柱式鋼質(zhì)吊環(huán)

螺柱式鋼質(zhì)吊環(huán)是一種使用螺栓、螺母和雙頭螺柱組合而成安裝在甲板面進(jìn)行緊固連接的吊環(huán)，一般安裝于甲板縱桁、強(qiáng)橫梁非結(jié)構(gòu)面或帶筋板非結(jié)構(gòu)面[1]。螺柱式鋼質(zhì)吊環(huán)雖然配套材料準(zhǔn)備、安裝設(shè)計(jì)策劃、制作安裝等工作較為繁瑣，但其具有受力載荷大、安裝拆卸方便、可重復(fù)利用等特點(diǎn)，節(jié)省后續(xù)船體分段的吊環(huán)配套材料準(zhǔn)備的工時(shí)，大大縮短了材料準(zhǔn)備周期。而且安裝時(shí)吊環(huán)無(wú)需與船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接，吊環(huán)附近船體結(jié)構(gòu)縱橫交錯(cuò)受拉強(qiáng)度大，可滿(mǎn)足大噸位分段吊裝作業(yè)需求，如圖2所示。

3? ? 螺柱式鋼質(zhì)吊環(huán)分段吊裝整體加強(qiáng)一體化設(shè)計(jì)

3.1? ?吊環(huán)受力方向優(yōu)化

常規(guī)螺柱式鋼質(zhì)吊環(huán)安裝方向多數(shù)與鋼質(zhì)墊板板端平齊安裝，同時(shí)配合吊梁掛鉤與吊環(huán)垂直受力進(jìn)行吊裝作業(yè)，以求最大限度減少斜拉角度掛鉤設(shè)計(jì)，降低鋁合金分段受力不均產(chǎn)生變形的概率。

考慮到本船鋁合金分段線型復(fù)雜、吊環(huán)安裝位置和安裝方向受力受限、分段重量重且分布不均勻、吊梁制作成本高等實(shí)際情況，結(jié)合本船分段外板/甲板多為10 mm左右厚板，局部強(qiáng)度相對(duì)較好，在安全吊裝的基礎(chǔ)上從分段吊裝受力最優(yōu)、吊裝設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)單、成本有效降低等方面對(duì)本船分段螺栓式鋼質(zhì)吊環(huán)安裝方向進(jìn)行小改動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)不使用專(zhuān)用吊梁即可完成大噸位復(fù)雜線型分段的吊裝作業(yè)，具體設(shè)計(jì)優(yōu)化方法是：在不使用吊梁的情況下，直接將吊繩與吊環(huán)連接，通過(guò)改進(jìn)吊環(huán)安裝方向，明確吊環(huán)在鋼質(zhì)墊板對(duì)角線方向進(jìn)行安裝，分散吊環(huán)吊裝時(shí)受力，從而實(shí)現(xiàn)吊裝受力均衡分布，防止單個(gè)吊環(huán)受力集中撕扯。

圖3所示為吊環(huán)改進(jìn)前后水平截面圖：以某預(yù)估重量為28 t的分段為例，吊繩的拉力約為750 kN，吊繩與水平面的夾角約為72°，改進(jìn)前的吊環(huán)在y方向（船寬方向）上受到一個(gè)約為200 kN的分力，而只有單邊約束的吊環(huán)在受到如圖中所示方向的同等拉力下，在單y方向受力遠(yuǎn)比在x方向（船長(zhǎng)方向）易彎曲變形甚至撕裂；改進(jìn)后的吊環(huán)受力方向與在鋼墊板上的安裝方向一致，吊環(huán)在此方向的抗剪能力更大，在此情況下，不使用吊梁也能增強(qiáng)分段吊運(yùn)過(guò)程中的抗擠壓變形能力。

3.2? 吊環(huán)與分段吊裝整體加強(qiáng)一體化

按傳統(tǒng)分段整體臨時(shí)加強(qiáng)設(shè)計(jì)方法，鋁質(zhì)分段翻身傳力加強(qiáng)、吊運(yùn)保型加強(qiáng)、放置支撐加強(qiáng)等，多數(shù)采用鋁質(zhì)連接板將鋁質(zhì)分段與鋼質(zhì)臨時(shí)加強(qiáng)材通過(guò)螺栓緊固的方式進(jìn)行有效連接，使之形成縱橫框架式整體臨時(shí)加強(qiáng)，以此消除分段吊運(yùn)、翻身、放置等工序過(guò)程中受力不均產(chǎn)生的變形和失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)[2]，如圖4所示。此種臨時(shí)加強(qiáng)設(shè)置方法，雖然在薄板鋁質(zhì)分段建造過(guò)程中使用效果較好，但同時(shí)也存在以下缺點(diǎn)：一是臨時(shí)加強(qiáng)設(shè)置過(guò)多，額外增加了分段吊裝整體重量，會(huì)出現(xiàn)分段臨時(shí)加強(qiáng)重量多過(guò)分段結(jié)構(gòu)重量的現(xiàn)象，分段加強(qiáng)集中區(qū)域受力過(guò)大，造成局部出現(xiàn)撕裂掉落的安全風(fēng)險(xiǎn)；二是臨時(shí)加強(qiáng)安裝工作量大，需要使用較多螺栓將鋁質(zhì)分段與鋼質(zhì)槽鋼連接，增加了工時(shí)成本；三是臨時(shí)加強(qiáng)拆除后，需要對(duì)鋁質(zhì)連接板區(qū)域進(jìn)行后期打磨拋光處理，增加了工作量。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)橫向加強(qiáng)主要是為了保證分段線型，防止分段吊運(yùn)、翻身等情況下的變形，而根據(jù)本船鋁合金分段結(jié)構(gòu)板厚、縱橫強(qiáng)骨材規(guī)格較大，自身橫向支撐效果較好，以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)空曠的特點(diǎn)，同時(shí)本船鋁合金分段采用正造方式無(wú)需翻身，且吊環(huán)安裝方向調(diào)整后分散了吊裝受力，故決定不設(shè)計(jì)橫向加強(qiáng)；豎向加強(qiáng)主要起到支持作用，決定采用圓管代替豎向槽鋼加強(qiáng)，直接將圓管與鋼質(zhì)螺栓式吊環(huán)進(jìn)行焊接，形成吊環(huán)一體化加強(qiáng)措施，減少了連接板的使用，且保持了分段擱置的穩(wěn)定性。

以上加強(qiáng)設(shè)計(jì)，能有效解決鋁質(zhì)分段臨時(shí)加強(qiáng)過(guò)多大量使用槽鋼的工藝方法，實(shí)現(xiàn)了以下方面的工藝創(chuàng)新：一是減少了槽鋼加強(qiáng)材料使用量，分段整體起吊重量大幅降低，使分段吊運(yùn)重力下垂變形發(fā)生概率明顯降低；二是吊環(huán)下方安裝的圓管，有效解決了分段上支（門(mén)）架放置臨時(shí)支撐加強(qiáng)需求，減少了不同加強(qiáng)材料的安裝用量；三是整個(gè)分段整體加強(qiáng)材料用量大幅減少，降本增效效果明顯；四是一體化工裝應(yīng)用消除了大量鋁質(zhì)連接板焊接帶來(lái)的后期批補(bǔ)磨工作量，質(zhì)效提升明顯。

吊環(huán)加強(qiáng)一體化安裝示意圖，如圖5所示。

4? ? 應(yīng)用效果

4.1? 控制分段變形

通過(guò)將鋼質(zhì)螺柱式吊環(huán)與鋁合金分段所需鋼質(zhì)支撐臨時(shí)加強(qiáng)材巧妙設(shè)計(jì)，組合成一體化吊裝支撐工裝，使大型厚板鋁合金分段吊運(yùn)加強(qiáng)方案得到創(chuàng)新優(yōu)化，有效解決了傳統(tǒng)厚板鋁合金分段大量安裝臨時(shí)加強(qiáng)材的情況，推進(jìn)了厚板鋁合金分段吊運(yùn)加強(qiáng)工藝的提質(zhì)增效優(yōu)化；分段建造線型光順美觀，船體防變形精度可控，為分段吊運(yùn)安全、搭載合攏精度等工序質(zhì)量、安全、生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的保障條件。

4.2? ?降低耗材成本

如表1所示為各種類(lèi)型的吊環(huán)以及加強(qiáng)分段安裝、吊運(yùn)、割除打磨消耗工時(shí)對(duì)比表。

由表1可見(jiàn)，采用螺柱式鋼質(zhì)吊環(huán)分段吊裝一體化后，施工效率得到了大幅提升，材料使用量降低，降本增效明顯。

5? ? ?總結(jié)

某型船鋁合金分段在吊環(huán)處應(yīng)力集中，極易發(fā)生變形，選取吊環(huán)加強(qiáng)一體化設(shè)計(jì)，使螺柱式鋼質(zhì)吊環(huán)分散應(yīng)力，抗擠壓變形的能力更強(qiáng)，避免了使用吊架，使分段在有限吊高下安全吊運(yùn)；吊環(huán)加強(qiáng)一體化設(shè)計(jì)方案，通過(guò)合理、科學(xué)的分段吊運(yùn)及加強(qiáng)設(shè)計(jì)，不僅有效地控制了變形，保證分段吊運(yùn)順利、安全，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，為鋁合金船舶的建造提供強(qiáng)有力的保障，同時(shí)也節(jié)約了材料，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，促進(jìn)了公司效益的增加。設(shè)計(jì)方案在某型船上取得的良好應(yīng)用效果，對(duì)公司后續(xù)船類(lèi)似分段的吊運(yùn)及加強(qiáng)方案設(shè)計(jì)，對(duì)保證吊運(yùn)安全、提高方案合理性具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 張吉，黃健，邱文.雙板螺栓連接式鋼質(zhì)吊環(huán)在鋁合金分段吊裝上的應(yīng)用[J].滬東中華技術(shù)情報(bào)，2015（1）.

[2] 應(yīng)長(zhǎng)春.船舶工藝技術(shù)[M].上海：? 上海交通大學(xué)出版社，2013.