深海主動(dòng)升沉補(bǔ)償起重機(jī)基座設(shè)計(jì)研究

唐旭東，張鵬飛，鄔卡佳

(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

0 引 言

隨著我國(guó)對(duì)海洋資源開發(fā)的需求不斷加大，開發(fā)海域已逐漸由淺海向深海發(fā)展，與此同時(shí)，對(duì)深海海洋裝備的需求也日益增加。作為深海開發(fā)的重要裝備之一，深海主動(dòng)升沉補(bǔ)償起重機(jī)可在惡劣環(huán)境條件下為深水吊裝作業(yè)提供可靠的服務(wù)。

與常規(guī)起重機(jī)相比，一方面深海起重機(jī)的作業(yè)水深達(dá)到數(shù)千米級(jí)別，因此絞車容繩量和體積也相應(yīng)很大，起重機(jī)本體自帶的絞車已無法滿足需求，一般超過200 t 起重能力的深海起重機(jī)會(huì)配備獨(dú)立絞車；另一方面深海起重機(jī)作業(yè)環(huán)境較為惡劣，為保證深水吊裝作業(yè)的安全，通常還要配備波浪補(bǔ)償裝置或具有波浪補(bǔ)償功能的絞車以及動(dòng)力單元、導(dǎo)向系統(tǒng)等一系列配套設(shè)施。

基于深海起重機(jī)的特點(diǎn)，小噸位的起重機(jī)基座設(shè)計(jì)與常規(guī)起重機(jī)類似[1]，但大噸位的起重機(jī)由于絞車及相關(guān)設(shè)備布置發(fā)生了重大變化，其基座設(shè)計(jì)也不再是單一的起重機(jī)筒體加強(qiáng)，而是一整套設(shè)備的加強(qiáng)解決方案。在設(shè)計(jì)過程中需注意各設(shè)備之間的相互關(guān)系、安裝要求和受力特點(diǎn)等。本文基于某型深水多功能飽和潛水支持船配置的400 t 深海主動(dòng)升沉補(bǔ)償起重機(jī)，研究深海起重機(jī)基座的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和方法。

1 深海起重機(jī)的組成

深海起重機(jī)配置的波浪補(bǔ)償裝置可防止起重機(jī)、絞車和鋼絲繩過載，增強(qiáng)對(duì)吊運(yùn)物的控制，提高作業(yè)窗口期，而主動(dòng)式升降補(bǔ)償技術(shù)(Active Heave Compensation, AHC)是目前國(guó)際上最先進(jìn)的一種波浪補(bǔ)償技術(shù)，一種通過絞車進(jìn)行升降補(bǔ)償，另一種通過液壓缸進(jìn)行升降補(bǔ)償[2]。本文所述的起重機(jī)屬于前者，主要由起重機(jī)本體、絞車、盤繩器、液壓?jiǎn)卧?、蓄能器、氮?dú)馄亢涂刂颇K等組成，最大起重能力400 t，最大工作水深3 000 m，配備主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)，補(bǔ)償精度為±5～10 cm，可用于大型水下結(jié)構(gòu)物安裝、水下工程支持等作業(yè)。起重機(jī)布置如圖1 所示。

圖1 深海起重機(jī)布置（艙內(nèi)水平面）Fig. 1 Arrangement of deep-sea crane

起重機(jī)本體安裝在主甲板上，包含起重機(jī)筒體、回轉(zhuǎn)軸承、吊臂等，為靈活適應(yīng)舷內(nèi)和舷外的吊裝作業(yè)，多采用全回轉(zhuǎn)折臂吊。與常規(guī)起重機(jī)不同的是，深海起重機(jī)主絞車體積較大，特別是能力大于200 t 的絞車一般已不適合安裝在起重機(jī)本體上，取而代之的是選擇安裝在艙內(nèi)，通過導(dǎo)向輪將鋼絲繩由水平方向轉(zhuǎn)換為垂直方向，隨后穿過主甲板直達(dá)吊機(jī)頂部滑輪，再沿著吊臂直到主吊鉤。液壓?jiǎn)卧獮榻g車的液壓馬達(dá)提供動(dòng)力，與蓄能器、氮?dú)馄亢涂刂茊卧葮?gòu)成一套邏輯控制系統(tǒng)，通過分析傳感器反饋的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)后驅(qū)動(dòng)絞車正反轉(zhuǎn)及加減速，從而控制絞車鋼絲繩收放以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)升沉補(bǔ)償功能。

2 深海起重機(jī)基座設(shè)計(jì)要點(diǎn)

從深海起重機(jī)各組成部分的相互關(guān)系、安裝要求、受力特點(diǎn)和基座形式等出發(fā)，結(jié)合實(shí)船設(shè)計(jì)和建造過程中的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)深海起重機(jī)基座及相關(guān)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

2.1 起重機(jī)本體基座及加強(qiáng)

起重機(jī)本體基座加強(qiáng)以甲板為界，分為甲板以上的筒體結(jié)構(gòu)和甲板以下的筒體下加強(qiáng)兩部分。甲板以上的筒體結(jié)構(gòu)和常規(guī)起重機(jī)基座加強(qiáng)類似，是起重機(jī)底座的延伸，通常與起重機(jī)底座保持相同的外形尺寸，并根據(jù)起重機(jī)界面處的垂向力和傾覆力矩計(jì)算筒體所需的最小剖面模數(shù)，初步確定筒體的板厚和材質(zhì)。筒體內(nèi)部根據(jù)需要設(shè)置垂向和水平加強(qiáng)筋，增加筒體的抗彎能力和局部強(qiáng)度。在筒體頂部距起重機(jī)分界面300 mm 左右位置設(shè)置平臺(tái)或水平環(huán)筋，不僅可保證建造過程中分界面附近的剛度和圓度，同時(shí)300 mm左右的距離也給船廠留有矯正余地，以調(diào)整在建造過程中可能發(fā)生的對(duì)齊偏差。

起重機(jī)自身筒體和結(jié)構(gòu)筒體之間的對(duì)接焊縫通常為現(xiàn)場(chǎng)施工的橫焊縫。橫焊時(shí)由于重力作用，熔敷金屬容易下淌而產(chǎn)生各種缺陷，因此筒體之間的橫焊縫多采用K 形坡口，即上板開坡口而下板不開坡口，有利于焊縫成形[3]。K 形坡口上板坡口角度控制在40°～45°左右，如圖2 所示，坡口過小會(huì)導(dǎo)致焊材未熔合或夾渣等缺陷，過大則增加焊接成本，內(nèi)外側(cè)坡口的深度可采用對(duì)稱設(shè)計(jì)或偏置設(shè)計(jì)，具體結(jié)合船廠焊接工藝確定。

圖2 起重機(jī)筒體連接節(jié)點(diǎn)Fig. 2 Joint of crane pedestal

筒體底部根據(jù)主甲板的布置要求和主船體內(nèi)已有結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用圓筒直接貫入主船體并在艙內(nèi)部分圓轉(zhuǎn)方過渡的形式與主船體結(jié)構(gòu)連接。筒體板在主甲板處采用筒體板連續(xù)、甲板間斷的連接形式，并在主甲板附近區(qū)域采用Z 向鋼，以防止在板厚方向存在較大拉應(yīng)力時(shí)發(fā)生層狀撕裂。筒體根部與主甲板的連接區(qū)域?yàn)楦邞?yīng)力區(qū)，在連接區(qū)域附近盡量避免較大開孔或密集開孔，并在硬點(diǎn)位置設(shè)置圓弧肘板，以減少應(yīng)力集中，如圖3 所示。

圖3 筒體與甲板的連接節(jié)點(diǎn)Fig. 3 Joint between crane pedestal and deck

主甲板以下的筒體下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)是上方筒體的延伸，至少有2 層甲板作為支撐，并與船體主結(jié)構(gòu)有效連接。與常規(guī)起重機(jī)的最大區(qū)別是下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)需要為鋼絲繩及盤繩器預(yù)留必要的通道，因此在甲板下采用一半筒體圓轉(zhuǎn)方、一半圓筒體貫穿的過渡形式，一方面可加大筒體的內(nèi)部空間以適應(yīng)鋼絲繩擺幅，同時(shí)筒體圓轉(zhuǎn)方后與縱艙壁連接，可有效地將筒體上的載荷傳遞到艙壁中。此外，一半筒體圓轉(zhuǎn)方后，在方形一側(cè)有足夠的空間設(shè)置大開口， 為盤繩器提供運(yùn)行和維護(hù)空間，如圖4 所示。

圖4 筒體下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)Fig. 4 Crane pedestal reinforcement structure

2.2 絞車基座

艙內(nèi)絞車由絞車架、支撐軸、卷筒和液壓馬達(dá)等部件組成，兼具儲(chǔ)繩和牽引功能，本文起重機(jī)采用的絞車技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 絞車技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Technical parameters of winch

絞車整體尺寸龐大，尤其是高度方向幾乎占據(jù)了整個(gè)艙內(nèi)空間，周圍間距較小，不利于安裝和維護(hù)。通過優(yōu)化，采用嵌入式基座代替常規(guī)基座。嵌入式基座即基座面板直接與內(nèi)底板連接，并由內(nèi)底板下的桁材支撐，可有效降低安裝高度和設(shè)備重心。絞車基座面板采用厚度150 mm 的EH36 Z25 高強(qiáng)度鋼，并逐層過渡到內(nèi)底板厚度。安裝面平面度為1 mm，以確保和絞車底座貼合。在基座面板上對(duì)應(yīng)安裝孔位加工螺紋盲孔，制作精度要求相對(duì)較高，優(yōu)點(diǎn)是只需從上方安裝，便于施工。

除了采用嵌入式基座降低絞車安裝高度，還通過優(yōu)化絞車上方船體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增加絞車艙凈高。絞車艙上方的主甲板是主要的作業(yè)區(qū)，有甲板承載能力要求，而絞車安裝區(qū)域及鋼絲繩擺幅范圍內(nèi)無法設(shè)置支柱，導(dǎo)致主甲板的強(qiáng)構(gòu)件的跨距較大，根據(jù)甲板設(shè)計(jì)載荷計(jì)算所需的構(gòu)件尺寸也較大，與絞車頂部距離非常近，不便于施工和后期維護(hù)。經(jīng)過優(yōu)化，采用雙層甲板方案代替常規(guī)單甲板方案，提高甲板強(qiáng)度和剛度，在滿足甲板承載要求的同時(shí)盡可能提高艙內(nèi)空間，以利于絞車的安裝和維護(hù)，如圖5 所示。

圖5 嵌入式基座及雙層甲板方案Fig. 5 Insert foundation and double deck solution

2.3 盤繩器基座

盤繩器又稱排繩器或?qū)ЮK器，是輔助絞車規(guī)范纏繩、有效杜絕亂繩現(xiàn)象的一種裝置。根據(jù)盤繩器設(shè)置的位置不同，部分盤繩器還兼作導(dǎo)向裝置，本船起重機(jī)采用的盤繩器既有輔助纏繩功能，又可將鋼絲繩由絞車出繩處的水平向經(jīng)盤繩器轉(zhuǎn)為垂向?qū)С雠撏猓边_(dá)起重機(jī)頂部。

選擇盤繩器基座位置時(shí)需考慮鋼絲繩偏角的要求，以防鋼絲繩出現(xiàn)亂繩或滑槽現(xiàn)象。鋼絲繩偏角是鋼絲繩繞進(jìn)或繞出卷筒、滑輪時(shí)，鋼絲繩對(duì)卷筒或滑輪的偏角。通常鋼絲繩繞進(jìn)或繞出卷筒時(shí)，鋼絲繩中心線偏離螺旋槽中心線兩側(cè)的角度不應(yīng)大于3.5°，鋼絲繩在繞進(jìn)繞出滑輪槽時(shí)的最大偏斜角不應(yīng)大于5°[4]。而對(duì)于多層纏繞的卷筒，為防止鋼絲繩亂繩現(xiàn)象，對(duì)入繩偏角度有更嚴(yán)格的要求，通常不大于1.75°[5]。本方案中，盤繩器滑輪中心距絞車卷筒中心12.8 m，距起重機(jī)頂部滑輪23.7 m，使鋼絲繩與卷筒的最大角度為1.25°，與滑輪的最大角度為3.86°，滿足鋼絲繩的偏角要求，同時(shí)考慮到使鋼絲繩合力盡可能沿基座腹板方向，由此確定基座的安裝位置和角度，如圖6 所示。

圖6 鋼絲繩偏角Fig. 6 Deflection angle of wire rope

圖7 盤繩器行程及安全距離Fig. 7 Spooling device movement and safety distance

盤繩器導(dǎo)向滑輪通過驅(qū)動(dòng)油缸在導(dǎo)軌上左右滑動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)向滑輪在最大行程時(shí)，外側(cè)應(yīng)與周圍結(jié)構(gòu)保持500 mm 以上的安全距離[6]，避免在使用過程中發(fā)生人員擠壓傷害。因此，在設(shè)計(jì)盤繩器底座及周界加強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí)，不僅要考慮靜態(tài)的干涉問題，還要重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備運(yùn)動(dòng)過程中的安全距離。

盤繩器底座通過螺栓與基座面板連接，面板再通過基座縱桁和橫隔板與船體的強(qiáng)構(gòu)件連接。由于作用在基座上的鋼絲繩合力大，且力的作用點(diǎn)隨滑輪位置改變而改變，因此采用一塊完整面板以提高安裝面的平面度，同時(shí)采用兩道腹板和足夠數(shù)量的橫隔板與船體連接，確?；喸诓煌恢脮r(shí)均能將載荷有效傳遞到主船體結(jié)構(gòu)中，如圖8 所示。

圖8 盤繩器基座Fig. 8 Spooling device foundation

2.4 液壓?jiǎn)卧?/h3>

液壓動(dòng)力單元是深海起重機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力來源，由電機(jī)、液壓泵、閥組和管線等部件組成，通過公共底座形成一個(gè)完整模塊。液壓動(dòng)力單元整體尺寸龐大，占據(jù)很大的艙內(nèi)空間，如不采取措施，其上方主甲板的強(qiáng)橫梁尺寸過大，影響艙內(nèi)空間。與絞車不同的是，液壓動(dòng)力單元各部件相對(duì)獨(dú)立，可通過優(yōu)化部件相對(duì)位置，在特定區(qū)域設(shè)置支柱以減小甲板強(qiáng)橫梁跨距，從而減小構(gòu)件尺寸，增加艙內(nèi)空間。因此，在訂貨階段協(xié)調(diào)廠商調(diào)整液壓動(dòng)力單元各部件位置，為設(shè)置艙內(nèi)支柱預(yù)留空間，如圖9 所示。

圖9 液壓動(dòng)力單元預(yù)留支柱位置Fig. 9 Reserved pillar positions of HPU foundation

液壓動(dòng)力單元通過公共底座安裝在雙層底上，安裝位置綜合考慮周界液壓管線的連接要求、設(shè)備維護(hù)空間需求和船體已有結(jié)構(gòu)的布局。盡管液壓動(dòng)力單元整體重量大，但其底座覆蓋面積廣，平均載荷較小，因此在設(shè)計(jì)底座加強(qiáng)時(shí)，通常只需考慮對(duì)應(yīng)公共底座腹板下方增設(shè)桁材或加強(qiáng)筋將載荷傳遞到臨近強(qiáng)構(gòu)件中。

2.5 其他基座

蓄能器和氮?dú)馄勘M可能布置在絞車附近，以優(yōu)化連接管線的長(zhǎng)度，由于其長(zhǎng)度方向尺寸較大且需避開絞車鋼絲繩，在艙內(nèi)較難找到合適的布置位置，初步方案是將其倒掛安裝在主甲板下，但安裝維護(hù)非常不便，重心也較高。經(jīng)過優(yōu)化，將蓄能器安裝在中間甲板上，氮?dú)馄縿t采用架空基座安裝在雙層底上，下方給絞車鋼絲繩留出必要空間，同時(shí)在鋼絲繩擺幅區(qū)域設(shè)置花鋼板，既方便氣瓶檢修，又提高絞車艙的安全性。蓄能器和氮?dú)馄康妮d荷相對(duì)較小，對(duì)應(yīng)基座受力位置增加加強(qiáng)筋或肘板，將載荷傳遞到周圍結(jié)構(gòu)中。

此外，起重機(jī)擱架根據(jù)實(shí)際需要布置在船尾，航行過程中，擱架除了承受吊臂的垂向載荷外還承受較大的水平載荷。為增加擱架截面的抗彎能力，同時(shí)兼顧擱架下方消防平臺(tái)的暢通，擱架采用門字形箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在主甲板下方對(duì)應(yīng)箱型位置設(shè)置加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

3 強(qiáng)度校核

采用有限元軟件DNV SESAM GENIE/SESTRA 計(jì)算分析起重機(jī)基座及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。有限元模型中各層甲板、艙壁、舷側(cè)外板等板結(jié)構(gòu)及強(qiáng)橫梁、縱桁等強(qiáng)構(gòu)件腹板采用殼單元模擬，強(qiáng)構(gòu)件面板及骨材采用梁?jiǎn)卧M。單元網(wǎng)格大小約為300×300 mm，局部細(xì)化處網(wǎng)格大小約為100×100 mm。模型范圍縱向從FR21～FR58，橫向從左舷到右舷，垂向從船底到起重機(jī)筒體，如圖10 所示。

圖10 起重機(jī)基座有限元模型Fig. 10 FE model of crane foundation

圖11 起重機(jī)載荷工況Fig. 11 Crane load cases

對(duì)于作業(yè)狀態(tài)，主要載荷包括起重機(jī)界面載荷、絞車底座載荷及盤繩器載荷及甲板作業(yè)載荷等，其中起重機(jī)界面處設(shè)計(jì)載荷見表2，從0°～360°方向每隔45°為一個(gè)工況，共確定8 個(gè)計(jì)算工況。

表2 起重機(jī)界面載荷Tab. 2 Interface loads of crane

絞車底座載荷根據(jù)不同作業(yè)狀態(tài)，確定4 個(gè)載荷工況，各工況中4 個(gè)底座處的載荷見表3。

表3 絞車底座載荷Tab. 3 Loads of winch

盤繩器載荷沿鋼絲繩合力方向（見圖12），并選定盤繩器位于滑軌左、中、右位置，分別定義3 個(gè)工況。

圖12 盤繩器載荷Fig. 12 Loads of spooling device

其他設(shè)備基座載荷量級(jí)較小，以質(zhì)量點(diǎn)施加，此外還考慮了雙層主甲板區(qū)域約1300 t 的甲板載荷，按面載荷施加。將8 個(gè)起重機(jī)載荷工況、4 個(gè)絞車工況和3 個(gè)盤繩器工況進(jìn)行組合，得到96 個(gè)組合工況并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析。應(yīng)力衡準(zhǔn)根據(jù)入級(jí)的挪威船級(jí)社規(guī)范對(duì)起重設(shè)備加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的要求，正應(yīng)力許用值為160f1N/mm2，剪應(yīng)力許用值為 90f1N/mm2，對(duì)于H36 高強(qiáng)度鋼f1取1.39。計(jì)算各組合工況并篩選得到最大應(yīng)力，高應(yīng)力區(qū)主要集中在起重機(jī)筒體根部肘板、盤繩器基座附近及絞車底座下方結(jié)構(gòu)上，特別是盤繩器基座和起重機(jī)筒體連接處應(yīng)力較高，主要由于此處筒體結(jié)構(gòu)大開口造成結(jié)構(gòu)突變并疊加盤繩器載荷引起。根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化板厚，并將應(yīng)力的UC 值控制在0.95 以下，優(yōu)化后的計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 最大應(yīng)力結(jié)果Tab. 4 Maximum stress

對(duì)于航行狀態(tài)，根據(jù)甲板上起重機(jī)和基座重量以及重心處的運(yùn)動(dòng)加速度確定的慣性載荷或根據(jù)設(shè)備商提供的界面載荷校核擱置狀態(tài)下起重機(jī)筒體和擱架基座的強(qiáng)度。此外，對(duì)應(yīng)力較高的板格和加強(qiáng)筋進(jìn)行屈曲校核，并對(duì)起重機(jī)筒體根部肘板等熱點(diǎn)區(qū)域的疲勞壽命評(píng)估，可參考常規(guī)起重機(jī)基座的校核方法。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)深海主動(dòng)升沉補(bǔ)償起重機(jī)基座，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該類基座的組成及相互關(guān)系、各部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行闡述，并通過計(jì)算驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，得出以下結(jié)論：

1）深海起重機(jī)基座設(shè)計(jì)有別與常規(guī)起重機(jī)基座較為單一的筒體加強(qiáng)設(shè)計(jì)，它包含了起重機(jī)本體、絞車、盤繩器等一整套基座的加強(qiáng)解決方案，設(shè)計(jì)時(shí)需了解各部分功能特點(diǎn)、相互關(guān)系、承載形式及運(yùn)維空間等要求。

2）起重機(jī)筒體下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)在盤繩器擺幅范圍內(nèi)設(shè)置了大開口，該區(qū)域結(jié)構(gòu)連續(xù)性較差，且附近有盤繩器基座承受了較大載荷，需在結(jié)構(gòu)突變區(qū)域予以重點(diǎn)關(guān)注。

3）基座設(shè)計(jì)不僅需考慮常規(guī)的靜態(tài)干涉問題，還需關(guān)注與鋼絲繩、盤繩器等運(yùn)動(dòng)部件之間的安全距離，確保運(yùn)維期間作業(yè)人員的安全。

4）對(duì)于艙內(nèi)絞車等體積龐大、安裝維護(hù)空間狹小的設(shè)備，可采用雙層甲板，嵌入式基座等方式優(yōu)化艙內(nèi)空間。而對(duì)于液壓?jiǎn)卧润w積龐大、影響艙內(nèi)結(jié)構(gòu)布置但內(nèi)部組件相對(duì)獨(dú)立的設(shè)備，可優(yōu)化其組件位置，從而在設(shè)計(jì)基座時(shí)可為增設(shè)艙內(nèi)支柱預(yù)留空間。