800客位客滾船大型總組分段吊裝關(guān)鍵技術(shù)分析

張 鵬，鄭立遠(yuǎn)

(天津市中舟船舶工貿(mào)有限公司，天津 300452)

當(dāng)前，全球絕大多數(shù)造船企業(yè)均采用船體總組分段造船的現(xiàn)代建造模式[1]，該模式在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)也帶來了新的挑戰(zhàn)?？蜐L船的總組分段由4～6個(gè)環(huán)形分段組成，包含16～24個(gè)單獨(dú)分段，長度接近60 m，總質(zhì)量超過1 000 t。總組分段吊裝方案的確定主要以人工方式進(jìn)行，設(shè)計(jì)人員通過實(shí)地考察分析，根據(jù)作業(yè)工序和施工方案，查閱相關(guān)技術(shù)文檔和吊車參數(shù)，最終制定吊裝方案。

在此情況下，開展客滾船大型總組分段吊裝關(guān)鍵技術(shù)的研究，確?？蜐L船大型總組分段的吊裝安全顯得尤為重要。本文通過對總組分段吊裝工藝進(jìn)行研究，運(yùn)用建模理論，計(jì)算分段內(nèi)部的受力和變形情況，并對吊耳的布置進(jìn)行優(yōu)化，避免了吊裝事故的發(fā)生。

1 客滾船總組分段吊裝方案設(shè)計(jì)

800客位客滾船總組分段位于該船的59#～142#肋位，3#～7#甲板之間。其中5#甲板為車輛甲板，左舷布置活動(dòng)坡道開孔，甲板橫梁不連續(xù)。7#甲板為客艙甲板，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低。在距船體中心線9 350 mm處設(shè)置內(nèi)縱壁，內(nèi)縱壁與外板之間布置2層中間甲板(4#甲板和6#甲板)。6#甲板首部為救生甲板，外板有大開孔，外板肋骨不連續(xù)。

總組分段結(jié)構(gòu)主要參數(shù)為：長58.8 m，寬26.5 m，高11.5 m，肋距0.7 m，縱骨間距分別是中縱到14號縱骨的間距為0.560 m，14號縱骨到17號縱骨的間距為0.475 m，17號縱骨到外板的間距為0.520 m。

1.1 客滾船總組分段吊裝存在的關(guān)鍵問題

1.1.1 客滾船與散貨船總組分段結(jié)構(gòu)對比

通過比較客滾船與散貨船的總組分段橫剖面，可發(fā)現(xiàn)散貨船的總組分段是由橫向?qū)嵗甙?、縱桁、內(nèi)底板及外板組成的箱型結(jié)構(gòu)，寬度一般為船寬的60%，高度一般不超過3 m。此類箱型結(jié)構(gòu)整體剛度較高，抵抗變形的能力較強(qiáng)，且散貨船內(nèi)底板的板厚一般超過20 mm，吊裝過程中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力一般較小。而客滾船的總組分段結(jié)構(gòu)形式與散貨船完全不同，其由多層甲板組成，橫向結(jié)構(gòu)僅為T型橫梁，中間不設(shè)置支柱，橫梁跨距大。沒有連接兩側(cè)外板的強(qiáng)橫壁。

由于滾裝設(shè)備的布置，下層甲板的布置有大開孔，導(dǎo)致橫梁不連續(xù)，總組分段的最下端沒有橫向結(jié)構(gòu)，形成“門”字型結(jié)構(gòu)?？蜐L船與散貨船總組分段結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如表1所示。

表1 客滾船與散貨船總組分段結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1.2 客滾船總組分段吊裝特點(diǎn)

船舶總組分段吊裝是指使用船廠內(nèi)的起重設(shè)備將船體分段吊運(yùn)至指定位置或場地的過程?？蜐L船大型總組分段的吊裝特點(diǎn)如下。

1)總組分段的橫向跨度較大，通常與船舶甲板等寬，中間無支撐，體積和質(zhì)量都很大，且形狀不規(guī)則。

2)客滾船普遍采用薄板結(jié)構(gòu)，橫梁設(shè)有減輕孔，甲板有大尺寸開孔，造成結(jié)構(gòu)不連續(xù)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱。

3)隨著船舶制造的大型化，數(shù)百噸甚至數(shù)千噸的超大型設(shè)備的吊裝越來越多，多臺起重機(jī)協(xié)同作業(yè)的情況越來越多，為了確保吊裝作業(yè)能夠安全順利地進(jìn)行，對吊裝方案的精確性、合理性、高效性和可靠性都提出了更高的要求。

1.1.3 客滾船總組分段吊裝難點(diǎn)分析

客滾船大型總組分段在吊裝作業(yè)時(shí)的受力與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的受力不同，主要有以下幾點(diǎn)。

1)甲板開孔?？蜐L船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一般在開孔周圍設(shè)置支柱支撐開孔旁的強(qiáng)橫梁，從而對甲板橫梁端部剛性固定。

2)下端分段縫。船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的核算按照船舶整體考慮，結(jié)構(gòu)之間相互約束，但是在吊裝作業(yè)時(shí)，位于分段下端的結(jié)構(gòu)不能與下層結(jié)構(gòu)連接，處于自由狀態(tài)。

3)甲板首尾分段縫?？偨M分段吊裝時(shí)，甲板縱桁在首尾分段縫處不能與相鄰結(jié)構(gòu)連接，導(dǎo)致中縱處向下產(chǎn)生變形，如果甲板變形超過工藝要求，需要增加臨時(shí)支撐加強(qiáng)。

1.2 客滾船總組分段吊點(diǎn)布置方案

1.2.1 客滾船總組分段質(zhì)量質(zhì)心

分段的質(zhì)量主要由設(shè)計(jì)質(zhì)量及施工輔料質(zhì)量組成。其中設(shè)計(jì)質(zhì)量指船體結(jié)構(gòu)質(zhì)量、焊材質(zhì)量、油漆質(zhì)量、舾裝設(shè)備質(zhì)量。施工輔料質(zhì)量是指現(xiàn)場施工所用的腳手架、焊機(jī)、工具等在吊裝過程中不能移除的部分質(zhì)量。在確定施工輔料質(zhì)量質(zhì)心時(shí)，坐標(biāo)定義X方向：FR59為原點(diǎn)，向船首為正方向；Y方向：船體中心線為原點(diǎn)，向左舷為正方向；Z方向：7#甲板理論線為原點(diǎn)，向下為正方向。客滾船總組分段質(zhì)量質(zhì)心匯總?cè)绫?所示。

表2 客滾船總組分段質(zhì)量質(zhì)心匯總

經(jīng)計(jì)算，本總組分段質(zhì)量為807.47 t，質(zhì)心縱向坐標(biāo)為FR97+325，橫向坐標(biāo)為左舷151 mm，垂向坐標(biāo)為5#甲板上965 mm。安全系數(shù)取1.1，本總組分段吊裝設(shè)計(jì)質(zhì)量約為888 t(807.47×1.1)。

1.2.2 吊點(diǎn)布置設(shè)計(jì)

考慮到客滾船甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可承受規(guī)范要求的甲板載荷，甲板結(jié)構(gòu)具有一定的強(qiáng)度，而在吊裝時(shí)甲板不承受任何載荷，僅需承受甲板自身重力，因此認(rèn)為在吊裝過程中甲板不會(huì)產(chǎn)生較大的變形[2]。綜合考慮以上因素，初步設(shè)計(jì)的吊點(diǎn)布置在7#甲板上表面，在舷側(cè)肋骨上方，左右舷對稱布置吊點(diǎn)。所有吊點(diǎn)分為4組，每組共10個(gè)吊耳。A組、B組分別對應(yīng)第一臺800 t龍門吊的上行車和下行車，C組、D組分別對應(yīng)第二臺800 t龍門吊的下行車和上行車。2臺龍門吊的上、下行車分開布置，可以盡可能地縮小2臺龍門吊之間的距離。

通過計(jì)算，總組分段的質(zhì)量為888 t。針對客滾船總組分段吊裝的關(guān)鍵問題，并綜合考慮總組分段的質(zhì)量質(zhì)心以及船廠的起重能力，初步設(shè)計(jì)客滾船總組分段的吊裝方案中，總共布置40個(gè)吊點(diǎn)，分為4組，均勻布置在7#甲板兩側(cè)上。

2 客滾船總組分段吊裝受力及變形分析

大型總組分段的吊裝作業(yè)安全問題主要由以下2種原因?qū)е拢孩僭诘跹b作業(yè)過程中，船體結(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)力大于材料的許用應(yīng)力，造成結(jié)構(gòu)破壞、焊縫開裂、產(chǎn)生塑性變形等，這將導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故，在吊裝作業(yè)中要杜絕此類事故發(fā)生；②在吊裝作業(yè)過程中，雖然結(jié)構(gòu)的應(yīng)力小于許用應(yīng)力，但是結(jié)構(gòu)的變形較大，導(dǎo)致內(nèi)部舾裝設(shè)備被破壞，此類現(xiàn)象主要發(fā)生在大跨度薄板結(jié)構(gòu)區(qū)域。在總組分段的吊裝分析過程中，主要對結(jié)構(gòu)受力及變形情況進(jìn)行分析，通過對受力較大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)或優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式來達(dá)到減小應(yīng)力的目的。

2.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力

通過有限元軟件計(jì)算，可得到總組分段結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為513.38 MPa，位于右舷外板首端救生設(shè)備開孔吊耳加強(qiáng)處。吊耳及附近結(jié)構(gòu)在鋼絲繩的拉力作用下局部產(chǎn)生變形，甲板下的吊耳加強(qiáng)肘板趾端產(chǎn)生應(yīng)力集中。

分析有限元計(jì)算結(jié)果可知，在靠近外板的甲板強(qiáng)橫梁處布置吊點(diǎn)，采用2臺800 t龍門吊聯(lián)吊的狀態(tài)下，總組分段的載荷通過強(qiáng)橫梁及強(qiáng)肋骨由5#甲板傳遞至布置在7#甲板的40個(gè)吊耳處，靠近7#甲板處外板應(yīng)力大于5#甲板處外板應(yīng)力。橫向框架的最大應(yīng)力位于橫梁及肋骨連接處，橫梁跨中處應(yīng)力較小，7#甲板與5#甲板之間的強(qiáng)肋骨應(yīng)力較大，5#甲板下的強(qiáng)肋骨應(yīng)力較小。

2.2 結(jié)構(gòu)變形

通過計(jì)算可知，在吊裝過程中，總組分段的最大變形發(fā)生在5#甲板活動(dòng)坡道開孔處，變形量為127.21 mm，該變形量包括鋼絲繩的伸長長度。

提取活動(dòng)坡道開孔旁縱桁的變形數(shù)據(jù)，可得到該縱桁的變形曲線，最大相對變形量為108 mm，發(fā)生在距總組分段尾邊界26.9 m處。提取7#甲板首尾分段縫處變形，可得首尾分段縫處的甲板變形曲線。尾部分段縫處甲板最大相對變形為23.0 mm，首部分段縫處甲板最大相對變形為44.3 mm，均發(fā)生在船中處。

在吊裝作業(yè)過程中，總組分段的最大應(yīng)力已超過材料的許用應(yīng)力?；顒?dòng)坡道開孔處的相對變形為108 mm，可能會(huì)對設(shè)備造成損壞。7#甲板首尾分段縫處甲板的相對變形也已經(jīng)超過船舶分段搭載工藝要求的10 mm。

結(jié)構(gòu)變形主要集中在船中區(qū)域，由于吊點(diǎn)布置在靠近外板處，在重力作用下，船中區(qū)域結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向下的變形。另外，由于5#甲板布置有活動(dòng)坡道開孔，導(dǎo)致橫梁結(jié)構(gòu)不連續(xù)，開孔旁縱桁產(chǎn)生較大變形。

3 客滾船總組分段吊裝方案的優(yōu)化

3.1 吊耳布置的優(yōu)化

本文所論述的總組分段重心靠近甲板尾部，因此，靠近尾部的A組與B組吊耳承受的載荷較大。由前文分析可知，C組與D組吊耳所受鋼絲繩拉力小于A組與B組，而鋼絲繩拉力在豎直方向的分力差值約為6.5 t?？煽紤]增加C組與D組中每個(gè)吊耳的載荷，從而減少吊耳數(shù)量，減少焊接施工工作量。將C組與D組由目前的各兩排的吊耳減少為一排，吊耳數(shù)量減少50%，每個(gè)吊耳的載荷為原有方案的2倍。

3.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力優(yōu)化

通過有限元軟件計(jì)算，吊耳布置優(yōu)化后總組分段所受實(shí)際的應(yīng)力約為140 MPa，最大變形為24.92 mm，位于7#甲板處，屬于彈性變形，由于7#甲板沒有任何舾裝設(shè)備，因此該變形不影響吊裝安全。