LNG船泵塔穹頂施工升降平臺設計

趙華鋒,錢振華,戴偉,孫光

(滬東中華造船(集團)有限公司,上海 200129)

LNG船液貨艙施工后期,艙壁各面的維護系統均安裝完成,艙內原搭設的維護系統腳手架已全部拆除;泵塔吊入艙內定位,后續進行液穹部分聚氨酯絕緣箱[1]施工。此時整個液貨艙僅留一個直徑1 200 mm的氣穹吊物口;液穹施工區域距離艙底約30 m,需要搭設腳手平臺才能滿足施工要求。目前,LNG船的液穹區域施工常規方案是在泵塔上部搭建扣件式鋼管腳手架,存在一些問題,為此,對比國外船廠的施工方式,探討升降式施工平臺的設計。

1 國內外相關施工方式對比

國內LNG船的液穹區域施工方式是在泵塔上部搭建扣件式鋼管腳手架,存在以下問題。

1)泵塔頂部結構復雜,鋼管及扣件搭設的組裝工作量大;由于艙內沒有起吊設備,搭設用鋼管、扣件需要由人工從底部搬運至頂部,施工效率較低。

2)搭設時的作業高度近30 m,施工人員高空墜落的風險比較大;同時搭設過程中如果有鋼管、扣件、工具等墜落的風險,容易對液貨艙底造成損壞。

3)受制于搭設人員的水平及泵塔頂部復雜的結構,無法實現搭設標準化。

國外有船廠對該區域采用標準的升降平臺進行施工,優勢明顯。

1)平臺工裝按圖紙提前制作,按圖組裝,可實現標準化作業。

2)平臺組裝完成后通過電動葫蘆起升到作業區域,操作便利、效率高。

3)平臺可以在泵塔底部組裝,使得高空作業平地做,更安全。

4)平臺提升到液穹區域后,僅需鎖定裝置的安裝,可減少物品墜落的風險。

2 施工升降平臺設計目標

按照施工平臺的方案和液穹區域施工的實際需求,泵塔升降平臺應該滿足以下要求。

1)考慮到液穹施工時液貨艙僅留一個直徑1 200 mm的氣穹吊物口,艙內也沒有起吊設備,因此該平臺需采用組裝結構,每個部件的長度小于3 m、寬度小于1 m,可以從氣穹吊物口吊出;每個部件的重量要適合人工搬運,特別是安裝在泵塔頂部的部件。

2)平臺應圍繞泵塔呈“回”字形,泵塔立柱距液貨艙后艙壁為950 mm,因此靠后艙壁一邊寬度定為500 mm,避免觸碰到已施工完成的艙壁;其余三邊放寬至700 mm。

3)平臺需承受施工人員和工具的重量,經核算:確定為四邊任一邊可單獨承載500 kg,且整個平臺最大承載1 000 kg;安全系數不小于2。

4)平臺采用電動葫蘆進行升降操作,葫蘆承載應有冗余,防止升降過程中某個突然失效;4個電動葫蘆之間有同步性調節;提升到位后需有鎖定裝置固定。

3 平臺結構設計

3.1 平臺主尺寸確定

設計3型LNG船的泵塔(見圖1),升降平臺需同時滿足3型泵塔的需要。

3型泵塔主結構基本相同、為3立柱結構,雙柱側為通徑400 A的管子,單柱側為通徑600 A的管子,雙柱側緊靠液貨艙的后艙壁。區別在于一些輔助管件、電纜槽等的布置,因此整個“回”字形外框可以通用,中間腳手將無法通用。

根據工程要求,雙柱側平臺寬度為500 mm,內邊距雙柱中心為400 mm;其余3邊平臺寬度為700 mm,側面平臺內邊距雙柱中心為450 mm;單柱側立柱中心距平臺內邊為720 mm。

3.2 平臺組成部件劃分與桁架梁的結構

為滿足出艙吊運和人工搬運的要求,必須將平臺分成多個部件。主體采用比較輕盈的桁架梁[2]結構,分成4種規格,見圖2。各桁架梁之間采用螺栓[3]連接,選用方管作為桁架梁的主結構材料,梁高度選300 mm(見圖3),主要部件制作完成后表面鍍鋅。

圖2 “回”字平臺劃分圖(單位:mm)

圖3 桁架梁1結構示意(單位:mm)

3.3 起吊裝置與連接件

泵塔為3立柱結構,平臺升降需依附3根立柱,為滿足平臺任一邊單獨承載500 kg的要求,需在“回”字形平臺的四角均設置吊點。雙柱側立柱緊靠平臺的2個角,只要分別在400 A立柱上設1個吊點,安裝小吊梁;而單柱側立柱到平臺的另外2個角距離較遠,需在600 A立柱兩側分別安裝延伸的大吊梁才能滿足要求。

立柱與吊梁連接宜采用豎銷[4]轉動結構,平臺升降過程中可以隨動微調;可轉動結構還方便吊梁的拆裝。該結構(見圖4)由上、下眼板、吊梁上的豎孔和豎銷等組成。上、下眼板需固定在立柱上,一般常采用抱箍固定的方式,抱箍的優點是可拆裝,且安裝時角度和位置可自由調整。但該立柱直徑為626 mm,經計算設計出的抱箍質量很大,靠人力拆裝將非常困難。因此采用焊接固定方式,即在立柱上設置永久固定的上、下眼板。

圖4 轉動吊梁結構示意

液穹施工需留500 mm高度的空間,因此上眼板必須設置在距泵塔頂部500 mm以下的位置。泵塔頂部原設有泵塔吊裝用的吊耳,該吊耳由上、下肘板和主吊眼板組成,上肘板距泵塔頂部1 000 mm,為了減少焊接量,對該上肘板做修改(見圖5),增加眼孔作為大、小吊梁的下眼板,這樣只需要再增加1塊上眼板就能滿足要求。

圖5 泵塔眼板布置示意

根據需要,小吊梁長度為300 mm,眼板設置在400 A立柱上,安裝角度為45°;大吊梁的長度為1 580 mm,眼板設置在600A立柱兩側,呈164°夾角(見圖6)。400 A和600 A立柱上吊耳上肘板的高度位置相同,因此設計的大、小吊梁眼孔與底部的距離也相同,可確保4個吊點高度相同,見圖7。4個吊點分別安裝電動葫蘆,4個電動葫蘆采用同步控制,30 m行程內高度差≤50 mm。

圖6 泵塔眼板布置示意(尺寸:mm)

圖7 大、小吊梁結構示意(尺寸:mm)

4個吊點與“回”字形平臺的四角相連,連接處設置連接件傳遞吊點力。在大吊梁處設計截面為方形連接件,小吊梁處設計角連接件,見圖8。

圖8 各連接體和靠輪布置示意

3.4 起升穩定裝置

泵塔高度有30余m,平臺從其底部提升至頂部有一段較長的行程,由于平臺自身面積較大,提升過程中會出現晃動撞擊3根立柱。有船廠采用在平臺和立柱間安裝尼龍塊,靠滑動摩擦的緩沖方法,如采用滾動摩擦[5]效果會更好。于是在3根立柱與平臺靠近的位置都設計安裝靠輪,實現滾動摩擦。在靠近400 A的立柱的角連接件上安裝2個小靠輪,呈90°分布;在靠近600 A的立柱的直連接件上安裝1個大靠輪,大、小靠輪表面均采用尼龍材質[6],確保在立柱表面滾動不會對立柱產生損壞。

3.5 鎖定裝置

平臺提升到泵塔頂部的施工位置后需要鎖定,增加施工的安全性。分析后確定,鎖定裝置采用螺旋扣[7]形式,螺旋扣為標準件,方便采購;螺旋扣的長度可以在一定范圍內自由調節,如平臺到位后有傾斜,使用螺旋扣非常容易調平。

鎖定裝置由3組螺旋扣組成,經計算2根400 A立柱各安裝M16的螺旋扣1個,600 A立柱安裝M20的螺旋扣1個,見圖9。螺旋扣在立柱上的眼板也采用永久焊接方式;螺旋扣與平臺連接的眼板,分別設置在對應的連接件上。

圖9 鎖定裝置結構示意

3.6 平臺欄桿

升降平臺在30 m高空施工,四周必須設置欄桿。為提高安全性,欄桿高度定為1 300 mm。受直徑1 200 mm氣穹吊物口的限制,欄桿也采用可拆裝的結構,在各桁架梁的外側設置欄桿套管,欄桿立柱插入套管固定,再在欄桿立柱之間插入欄桿片和踢腳板并用彈性圓柱銷做好保險。

由于“回”字形平臺長、寬尺寸不同(見圖10),為了減少欄桿部件的規格數量,按平臺短邊的1/3長度確定標準欄桿片和標準踢腳板的長度,各制作10件;對平臺的長邊,在其兩側設置標準欄桿片和標準踢腳板,中間設置1個加長欄桿片和加長踢腳板。為了減少平臺整體重量,欄桿組件采用6083鋁合金材料[8]制作。

圖10 平臺短邊和長邊的欄桿圖

3.7 中間腳手組

中間腳手組無法通用,需針對不同泵塔設計不同的中間腳手組。泵塔頂部有各種管子、直梯等附件,先找出能夠貫通“回”字形平臺兩側桁架梁的位置設計貫穿網片板,貫穿網片板與桁架梁之間采用螺栓連接,1對貫穿網片板中間也用螺栓連接。然后再設計其余的網片板,這些網片板設計時要避開泵塔的3根立柱和附件。

以第1型方泵塔平臺為例(見圖11),其中間腳手組共有16種規格21塊網片板組成,其中件4和件7為貫穿網片板。其余各規格網片板分別搭設在對應的桁架梁和貫穿網片板上。

圖11 第1型船中間腳手組的組成

4 平臺部件的強度計算

升降平臺結構設計完成后,對主要部件進行強度校核[9],包括:“回”形平臺,角連接件、方連接件、直連接件、大吊梁。對各部件進行AUTOCAD面域建模,輸出igs文件,用HyperMesh劃分網格,用Patran進行有限元計算分析[10]。材料均為Q235A鋼,其彈性模量E=210 GPa,泊松比μ=0.3,密度ρ=7.85×103kg/m3,彈性屈服應力為235 MPa。

4.1 “回”形平臺

“回”形平臺承擔了所有載荷,通過各連接件將力傳遞給吊梁或螺旋扣。平臺各桁架梁以螺栓連接組合作為一個整體建面域模型,網格大小為40 mm;在一角內側(與連接件安裝位置)加X、Y、Z向約束,其余三角內側(與連接件安裝位置)加Z向約束,分4種工況進行計算。

工況一,加載平臺自重,中間腳手組重量和負載1 000 kg換算成均布載荷1.02 kPa加載全平臺。

工況二,加載平臺自重,中間腳手組重量和負載500 kg換算成均布載荷2.17 kN/m2。加載側邊。

工況三,加載平臺自重,中間腳手組重量和負載500 kg換算成均布載荷2.78 kN/m2。加載雙柱邊。

工況四,加載平臺自重,中間腳手組重量和負載500 kg換算成均布載荷1.99 kN/m2。加載單柱邊。

各工況最大應力和最大變形見表1。

表1 “回”形平臺各工況條件下的最大應力和變形

4.2 角連接件

面域建模網格大小10 mm,各螺孔位加X、Y、Z向約束,吊點受9 kN拉力,結果為:最大應力43.7 MPa,最大變形0.027 3 mm。

4.3 方連接件

面域建模網格大小10 mm,各螺孔位加X、Y、Z向約束,吊點受9 kN拉力,結果為:最大應力98.9 MPa,最大變形0.333 mm。。

4.4 直連接件

面域建模網格大小10 mm,各螺孔位加X、Y、Z向約束,吊點受18 kN拉力,結果為:最大應力88.7 MPa,最大變形0.082 9 mm。

4.5 大吊梁

面域建模網格大小20 mm,豎孔下部加X、Y、Z向約束、豎孔上部加X向約束,前吊點受10 kN拉力。結果為:最大應力40.2 MPa,最大變形1.05 mm。

計算結果表明,各部件在最大負載下的最大應力均遠小于235 MPa,結構強度滿足要求。

5 泵塔立柱強度校核

大、小吊梁通過焊接在立柱上的眼板固定在泵塔上的,在最大受力工況下是否會對泵塔立柱產生影響,需要進行強度校核。大吊梁長度為小吊梁的5倍多,受力基本相同,因此立柱(600A)所受力遠大于立柱(400A),對泵塔立柱(600A)進行強度分析。泵塔和眼板材料均為304L鋼,其彈性模量E=206 GPa,泊松比μ=0.3,密度ρ=7.95×103kg/m3,彈性屈服應力為175 MPa。

5.1 大吊梁對泵塔(600 A)立柱頂部受力

建立一段立柱面域模型,網格大小20 mm,對底部施加X、Y、Z向約束;計算得到上眼板受向外40 kN力,下眼板受力向內40 kN和向下10 kN合力,結果為:最大應力98 MPa,最大變形0.429 mm。

5.2 鎖定裝置對泵塔(600 A)立柱頂部受力

建立一段立柱面域模型,網格大小20 mm,對底部施加X、Y、Z向約束;計算得到眼板受向下14.5 kN和向外7.5 kN合力,結果為:最大應力58.5 MPa,最大變形0.0447 mm。

計算結果表明,在最大負載下泵塔立柱頂部的最大應力均小于175 MPa,結構強度滿足要求。

6 升降平臺的操作方法

1)泵塔制作時,將鎖定裝置和吊梁裝置的眼板、三角板等焊接于泵塔柱頂部(永久設置)。

2)泵塔吊裝前,將大、小吊梁和4個電動葫蘆等固定于泵塔上部(不影響泵塔整體吊裝的位置)。

3)泵塔吊裝完成后,將大、小吊梁和4個電動葫蘆安裝到位(見圖12)。

圖12 大吊梁安裝到泵塔頂部

4)將升降平臺各部件送入液貨艙;在泵塔底部,將各桁架梁,圍繞泵塔四周擺放,用螺栓連接固定。

5)安裝各連接體、安裝欄桿組(見圖13)。

6)中間的腳手組件暫時不安裝,放置在已組裝的桁架梁上臨時綁扎牢固。

7)在泵塔最高層平臺上放置電動葫蘆控制箱,接通電源線和4個葫蘆之間的線路,操控將4個葫蘆吊鉤松至大艙底部,吊鉤與對應角連接件、方連接件的吊孔連接。

8)同步驅動4組電動葫蘆,通過電動葫蘆控制器自動糾偏。

9)將平臺提升至泵塔頂部相應位置,工人從泵塔的第一層平臺由掛梯移至“回”字形平臺,安裝鎖定裝置的2個螺旋扣M16和1個螺旋扣M20,并調整平臺水平。

10)安裝中間腳手組,先安裝網片板4和網片板7,用螺栓固定。再按順序安裝其余的網片板。升降平臺安裝完成,可以進行液穹的施工工作。

7 結語

泵塔升降平臺的設計和應用,解決了LNG船液穹施工腳手架搭設存在的問題,使搭設工作標準化、規范化,降低操作難度,提高施工的安全性,可縮短單船該區域的腳手搭、拆工時3～4 d。