40000 DWT自卸船艏部總段四機聯吊工藝設計

王 飛

（中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433）

0 引言

項目40000 DWT自卸船艏部結構復雜，結合該船結構特點，艏部布置自卸C-LOOP艙、MCC房間、艏側推間等，電氣設備較多，同時艏樓甲板上有錨機、絞車及大量系泊設備，甲板反面的設備加強錯綜復雜，因此，擴大艏部分段中組范圍、提高總段的預舾裝率、確保工序前移勢在必行。鑒于公司船臺吊裝設施相對落后，單臺吊車起吊能力最大為150 t，而本艏部總段重量較大，不含吊索具已重達311 t，傳統的2臺150 t吊車聯吊也無法滿足總段吊裝搭載，為攻克這一難題，結合現場設施條件，必須創新性地設計四機聯吊方案，即2臺120 t和2臺150 t吊車聯吊，以充分利用船臺門機的吊運能力，減少總段在船臺搭設腳手架、仰焊及高空施工作業，以便能提高船臺搭載效率，縮短船臺建造周期，為后期實現船臺搭載一條龍及自卸系統的調試奠定基礎，由此可見設計安全可靠的聯吊方案是重要保證。

結合國內總段聯合吊裝研究現狀，大多為2臺門機聯吊[1]，吊裝方案相對簡便，吊裝作業的復雜性、不確定性也相對較低。為確保四機聯吊方案安全可靠，將從以下幾點著手進行設計：艏部總段的外形尺寸及重量、重心位置；中組場地、吊裝設備的選用；吊點的布置及總段的強度分析；吊裝的載荷分析及吊裝方案的優化提升。

1 艏部總段概述

1.1 艏部總段的劃分范圍

艏部總段包含艏樓舷墻、艏樓甲板分段、主甲板分段、錨臺及內部所有管系、鐵舾及電舾件，總段的主尺度為18.4 m×27.8 m×7.1 m（長×寬×高），如圖1所示。

圖1 艏部總段三維實體模型

1.2 艏部總段的重量、重心

經過各專業三維軟件建模及重量計算，本總段的總重量約為311.37t（不含吊索具重量），重心位置X=FR211+843，Y=-54，Z=17799。

坐標系說明：

X：船長方向重心距FR0肋位水平距離，mm；

Y：型寬方向重心距船中水平距離，mm；左舷為正，右舷為負；

Z：型深方向重心距離基線垂向距離，mm。

詳細的重量、重心如表1所示。

表1 艏部總段重量重心表

2 艏部總段吊裝方案設計

2.1 吊裝設備選用

艏部總段重量約311 t，重量較大，常規的2臺及3臺門機聯吊已無法滿足吊裝需要。結合吊裝設施特點，本總段吊裝計劃采用2臺150 t塔式門機及2臺120 t塔式門機，共計4臺門機聯合抬吊，以確保吊運時受力均衡。由于四機聯吊吊運過程中的情況復雜多變，同時受其它各種因素的限制，其聯吊安全起吊能力為額定起吊能力的70%，即四聯吊的允許吊裝載荷為378 t，大于總段重量，因此滿足總段吊裝要求。同時，為確保吊裝安全及各種不確定因素，聯吊過程中門機運行軌跡必須盡可能短，因此總段中組場地選在船臺首側，總段起吊后即可運行實現船臺搭載。

各門機的吊運設定參數為：120 t門機（滿負荷吊幅16～24 m）：吊裝能力120 t，軌上最大起升高度45 m，吊幅21.9 m；150 t門機（滿負荷吊幅30～35 m）：吊裝能力150 t，軌上最大起升高度47 m，吊幅30 m。以上參數可保證各門機的吊重能力在其最大設計值，且頂部象鼻梁不發生干涉，理論上滿足吊裝要求。

2.2 吊索具的配置

根據門機配置相關吊索具，其中150 t門機配單根長度為20 m鋼絲繩2根（對折使用），破斷力不小于60 t，搭配SWL55t弓形卸扣（橫銷直徑φ70）4只；120 t門機配180 t專用滑輪吊排（吊排加鋼索自重約10.6 t），鋼索下配SWL85t弓形卸扣與鋼絲圈相連，再配SWL55t弓形卸扣（橫銷直徑φ70）4只。為確保吊裝安全，所有用于吊運的工裝、吊索具均應檢驗合格，符合JSA標準，同時有關吊索具的檢查、使用要求應符合相關規定[3]。

2.3 整吊吊耳的布置

根據總段重量、重心進行吊耳設計。根據四機聯吊的特點要求，為確保吊裝均勻受力，總段計劃布置4個吊點，位置分別在FR208、FR218強結構左右兩舷，布置示意如圖2所示。根據吊點及重心位置進行受力理論計算，理論上艉部單個吊點的受力約為43 t，艏部單個吊點的受力約為35 t，受力滿足門機最大安全負荷。

圖2 總段吊耳布置示意圖

為方便吊耳制作安裝，所有吊耳均使用標準通用吊耳，尾側吊點采用D50型吊耳2只、T50型吊耳2只，首側吊點采用D50型吊耳4只。所有吊耳的焊接均采用GFL-71焊絲，焊縫不得有裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，包角焊應焊好，吊耳與甲板的焊縫做UT及表面著色探傷檢驗合格并出具報告。

2.4 總段船臺吊高的復核

因船舶大合攏在船臺進行，為確保吊裝方案切實可行，總段吊高的復核必須要滿足門機最大吊高的限制。根據船臺門機參數，150 t門機最大吊高47 m，120 t門機最大吊高45 m，結合本總段吊索具配置情況及首部在船臺的位置，可以計算出合攏狀態下總段的實際吊高距離極限吊高還有7.4 m及8.9 m的富余空間，因此總段的吊裝理論可行，如圖3所示。

圖3 總段吊高示意

2.5 總段整吊的準備工作及吊運要求

為確保吊裝過程安全可靠，提前策劃好各項準備工作至關重要。在吊運前總段測量并完成必要的余量修割，精度測量滿足船臺搭載要求。為避免吊裝墜物，應徹底清除總段內部的廢料及施工工具，對需要帶在總段上的散裝構件應確?？煽抗潭?。 檢查吊索具、專用吊排、門機設備安裝和連接正確完整，狀態良好。各門機應做專門檢查確認主要參數和狀態，荷重顯示器應進行校準，提升及行走機構統一調整到位。最后檢查總段將經過的船臺、已搭載總段等區域，去除妨礙總段吊運和到位的物件，設警戒線，安全人員布置到位。

本次吊運由4臺門機配合完成，門機起升速度和行走速度需協調一致，總段從擱墩上起升時，采用按理論受力的“40%”、“70%”和“起升”三級逐步加力的方法，整個過程中4臺門機均應緩慢加力，門機操作人員隨時觀察荷重表的變化，并與指揮人員密切保持聯系，指揮人員應根據各門機荷重及時發出指令，調整各門機的動作，維持各吊點的受力平衡?？偠卧诘踹\過程中，門機只能有同一個動作，不允許有2個或2個以上動作。 當總段即將脫離胎架/擱墩時，由于吊點、重心位置的共同影響，總段將可能發生水平面內的滑移，此時應注意周邊人員、設備設施的安全，并及時調整門機位置，避免出現過大的偏移，調整到位后應通報各門機負荷并與理論值進行比對，確認無過大偏差后方可繼續動作?？偠斡芍薪M場地向船臺的平移過程中，應維持總段整體水平狀態，各門機不得擅自調整吊幅。行走時應緩慢勻速，過程中應特別注意4臺門機在行走速度上的協調，保持總體一致性，避免出現偏拉斜吊的現象。各門機在行進過程中應將荷重表的變化情況及時向指揮人員反饋。另需配置協助人員隨時觀測船臺兩側的12045和15062門機間的相對距離，并及時向指揮人員反饋。指揮人員根據反饋信息及時對門機下達相應的修正指令。當總段到達搭載位置后，按中組場地起升時的方法平緩同步下降至搭載位置時，2臺12045門機停止下降，2臺15062門機緩慢下降，使整個艏總段達到船臺搭載斜度（1/20），調整12045和15062門機的高度，配合輔助定位工裝，直至艏總段到位。

3 艏部總段整吊有限元分析

3.1 艏部總段有限元建模及網格劃分

運用吊裝仿真軟件TSV-BLS進行吊裝建模[2]，為提高建模效率，可將SPD船舶設計軟件模型導入，然后進行優化完善。待模型無誤后，對模型進行適當的輕量化設置，并對結構上的一些開孔采用板厚折算處理，最后將模型參考相關規范要求進行網格劃分，除一些特殊位置外，模型網格大小為200 mm×200 mm。

3.2 艏部總段整吊加強設計

根據總段結構特點，尾側吊點FR208處為艏樓橫艙壁，結構強度理論較好，但艏側吊點FR218處僅有縱桁布置，橫向強度理論較弱，為確保受力傳遞及吊裝分析計算一次成功，特在有限元模型中艏側吊點處增加部分吊裝加強，加強采用肘板形式，規格16AH36。

3.3 艏部總段載荷及工況設定

本次計算的載荷為總段自身重量，通過定義模型中的構件單元尺寸及密度來完成模型的質量分布，各專業的重量以分布力的形式施加到各指定區域，經有限元模型調整后的總重量為321 t，重心X=178393 mm,Y=-54 mm，Z=17799 mm，滿足計算條件。根據總段結構材料屬性，結構材質包含A級普通鋼、AH32及AH36高強度鋼，模型中板厚的設置以詳細結構圖紙為準。有限元計算模型的材料參數設置為：泊松比ν=0.3，楊氏模量E=206000 N/mm2，密度ρ=7850 kg/m3。運用軟件設置吊點、約束條件等，并施加載荷，如圖4所示，吊裝的模擬工況為平移及垂直抬升，不存在翻身動作。

圖4 總段邊界約束及受力效果圖

3.4 有限元分析計算結果

參考相關規范對結構進行應力及變形評估[4]，為確保安全，本次分析所取的安全系數為3.0，A級鋼的許用應力為235/3=78.3 N/mm2；AH32高強度鋼的許用應力為315/3=105 N/mm2；AH36高強度鋼的許用應力為355/3=118.3 N/mm2。對于剪切應力，選取許用應力的0.6倍的安全系數，即A級普通鋼的許用剪切應力為78.3×0.6=47 N/mm2；AH32高強度鋼的許用剪切應力為105×0.6=63 N/mm2；AH36高強度鋼的許用剪切應力為118.3×0.6=71 N/mm2。

運用軟件進行分析及吊裝工況計算，考慮船臺搭載作業為垂直起吊，不存在翻身動作，因此僅分析垂直起吊工況的受力情況，各項計算結果見表2所示。

表2 垂直吊裝工況變形和應力結果表

其中材質應用較為廣泛的AH36高強度鋼，最大的應力85.42 MPa，小于許用應力值，因此結構屈服強度滿足要求。最大的剪切應力為44.40 MPa，也小于許用剪切應力并滿足強度要求，如圖5所示。同時，其他材質的結構應力計算結果也均小于許用應力值。對于吊裝變形，通過吊裝變形分析，結構最大的變形為2.52 mm，在FR218首側吊點附近的加強筋末端位置，考慮沒有具體的結構變形評估標準且變形量較小，因此忽略不計。

圖5 垂直起吊工況AH36級高強度鋼應力云圖

綜上顯示，各等級結構受力計算結果均滿足要求，吊裝方案理論可行。

4 結語

隨著建模2.0及工序前移的深入推進，船舶總段愈來愈大型化，對總段的完整型要求更高。艏樓總段作為船體的關鍵位置，是主船體船臺搭載一條龍的重要標志，因此總段吊裝設計的安全性尤為重要。本文對艏部總段的吊裝進行設計研究，在總段超過常規門機吊裝額定能力的情況下，采用四機聯吊方法，充分考慮每臺門機的安全吊裝負荷，選用合理吊裝路線，當4臺吊車吊運前移的過程中，各臺吊車的移動速度必須保證一致，否則各臺吊車的受力情況就會發生變化，容易引發安全風險。本吊裝方案通過吊裝仿真軟件進行吊裝工況的模擬分析及受力計算，分析出應力及變形較大的部位，并對結構進行優化或加強，從而使總段吊裝方案安全可靠，為生產實踐提供了理論依據。