深海主動升沉補償起重機基座設計研究

唐旭東，張鵬飛，鄔卡佳

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

0 引 言

隨著我國對海洋資源開發的需求不斷加大，開發海域已逐漸由淺海向深海發展，與此同時，對深海海洋裝備的需求也日益增加。作為深海開發的重要裝備之一，深海主動升沉補償起重機可在惡劣環境條件下為深水吊裝作業提供可靠的服務。

與常規起重機相比，一方面深海起重機的作業水深達到數千米級別，因此絞車容繩量和體積也相應很大，起重機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會配備獨立絞車；另一方面深海起重機作業環境較為惡劣，為保證深水吊裝作業的安全，通常還要配備波浪補償裝置或具有波浪補償功能的絞車以及動力單元、導向系統等一系列配套設施。

基于深海起重機的特點，小噸位的起重機基座設計與常規起重機類似[1]，但大噸位的起重機由于絞車及相關設備布置發生了重大變化，其基座設計也不再是單一的起重機筒體加強，而是一整套設備的加強解決方案。在設計過程中需注意各設備之間的相互關系、安裝要求和受力特點等。本文基于某型深水多功能飽和潛水支持船配置的400 t 深海主動升沉補償起重機，研究深海起重機基座的設計要點和方法。

1 深海起重機的組成

深海起重機配置的波浪補償裝置可防止起重機、絞車和鋼絲繩過載，增強對吊運物的控制，提高作業窗口期，而主動式升降補償技術(Active Heave Compensation, AHC)是目前國際上最先進的一種波浪補償技術，一種通過絞車進行升降補償，另一種通過液壓缸進行升降補償[2]。本文所述的起重機屬于前者，主要由起重機本體、絞車、盤繩器、液壓單元、蓄能器、氮氣瓶和控制模塊等組成，最大起重能力400 t，最大工作水深3 000 m，配備主動波浪補償系統，補償精度為±5～10 cm，可用于大型水下結構物安裝、水下工程支持等作業。起重機布置如圖1 所示。

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

起重機本體安裝在主甲板上，包含起重機筒體、回轉軸承、吊臂等，為靈活適應舷內和舷外的吊裝作業，多采用全回轉折臂吊。與常規起重機不同的是，深海起重機主絞車體積較大，特別是能力大于200 t 的絞車一般已不適合安裝在起重機本體上，取而代之的是選擇安裝在艙內，通過導向輪將鋼絲繩由水平方向轉換為垂直方向，隨后穿過主甲板直達吊機頂部滑輪，再沿著吊臂直到主吊鉤。液壓單元為絞車的液壓馬達提供動力，與蓄能器、氮氣瓶和控制單元等構成一套邏輯控制系統，通過分析傳感器反饋的船舶運動數據后驅動絞車正反轉及加減速，從而控制絞車鋼絲繩收放以實現主動升沉補償功能。

2 深海起重機基座設計要點

從深海起重機各組成部分的相互關系、安裝要求、受力特點和基座形式等出發，結合實船設計和建造過程中的經驗，對深海起重機基座及相關加強結構的設計要點進行總結。

2.1 起重機本體基座及加強

起重機本體基座加強以甲板為界，分為甲板以上的筒體結構和甲板以下的筒體下加強兩部分。甲板以上的筒體結構和常規起重機基座加強類似，是起重機底座的延伸，通常與起重機底座保持相同的外形尺寸，并根據起重機界面處的垂向力和傾覆力矩計算筒體所需的最小剖面模數，初步確定筒體的板厚和材質。筒體內部根據需要設置垂向和水平加強筋，增加筒體的抗彎能力和局部強度。在筒體頂部距起重機分界面300 mm 左右位置設置平臺或水平環筋，不僅可保證建造過程中分界面附近的剛度和圓度，同時300 mm左右的距離也給船廠留有矯正余地，以調整在建造過程中可能發生的對齊偏差。

起重機自身筒體和結構筒體之間的對接焊縫通常為現場施工的橫焊縫。橫焊時由于重力作用，熔敷金屬容易下淌而產生各種缺陷，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，坡口過小會導致焊材未熔合或夾渣等缺陷，過大則增加焊接成本，內外側坡口的深度可采用對稱設計或偏置設計，具體結合船廠焊接工藝確定。

圖2 起重機筒體連接節點Fig. 2 Joint of crane pedestal

筒體底部根據主甲板的布置要求和主船體內已有結構的特點，采用圓筒直接貫入主船體并在艙內部分圓轉方過渡的形式與主船體結構連接。筒體板在主甲板處采用筒體板連續、甲板間斷的連接形式，并在主甲板附近區域采用Z 向鋼，以防止在板厚方向存在較大拉應力時發生層狀撕裂。筒體根部與主甲板的連接區域為高應力區，在連接區域附近盡量避免較大開孔或密集開孔，并在硬點位置設置圓弧肘板，以減少應力集中，如圖3 所示。

圖3 筒體與甲板的連接節點Fig. 3 Joint between crane pedestal and deck

主甲板以下的筒體下加強結構是上方筒體的延伸，至少有2 層甲板作為支撐，并與船體主結構有效連接。與常規起重機的最大區別是下加強結構需要為鋼絲繩及盤繩器預留必要的通道，因此在甲板下采用一半筒體圓轉方、一半圓筒體貫穿的過渡形式，一方面可加大筒體的內部空間以適應鋼絲繩擺幅，同時筒體圓轉方后與縱艙壁連接，可有效地將筒體上的載荷傳遞到艙壁中。此外，一半筒體圓轉方后，在方形一側有足夠的空間設置大開口， 為盤繩器提供運行和維護空間，如圖4 所示。

圖4 筒體下加強結構Fig. 4 Crane pedestal reinforcement structure

2.2 絞車基座

艙內絞車由絞車架、支撐軸、卷筒和液壓馬達等部件組成，兼具儲繩和牽引功能，本文起重機采用的絞車技術參數見表1。

表1 絞車技術參數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了整個艙內空間，周圍間距較小，不利于安裝和維護。通過優化，采用嵌入式基座代替常規基座。嵌入式基座即基座面板直接與內底板連接，并由內底板下的桁材支撐，可有效降低安裝高度和設備重心。絞車基座面板采用厚度150 mm 的EH36 Z25 高強度鋼，并逐層過渡到內底板厚度。安裝面平面度為1 mm，以確保和絞車底座貼合。在基座面板上對應安裝孔位加工螺紋盲孔，制作精度要求相對較高，優點是只需從上方安裝，便于施工。

除了采用嵌入式基座降低絞車安裝高度，還通過優化絞車上方船體結構進一步增加絞車艙凈高。絞車艙上方的主甲板是主要的作業區，有甲板承載能力要求，而絞車安裝區域及鋼絲繩擺幅范圍內無法設置支柱，導致主甲板的強構件的跨距較大，根據甲板設計載荷計算所需的構件尺寸也較大，與絞車頂部距離非常近，不便于施工和后期維護。經過優化，采用雙層甲板方案代替常規單甲板方案，提高甲板強度和剛度，在滿足甲板承載要求的同時盡可能提高艙內空間，以利于絞車的安裝和維護，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導繩器，是輔助絞車規范纏繩、有效杜絕亂繩現象的一種裝置。根據盤繩器設置的位置不同，部分盤繩器還兼作導向裝置，本船起重機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盤繩器轉為垂向導出艙外，直達起重機頂部。

選擇盤繩器基座位置時需考慮鋼絲繩偏角的要求，以防鋼絲繩出現亂繩或滑槽現象。鋼絲繩偏角是鋼絲繩繞進或繞出卷筒、滑輪時，鋼絲繩對卷筒或滑輪的偏角。通常鋼絲繩繞進或繞出卷筒時，鋼絲繩中心線偏離螺旋槽中心線兩側的角度不應大于3.5°，鋼絲繩在繞進繞出滑輪槽時的最大偏斜角不應大于5°[4]。而對于多層纏繞的卷筒，為防止鋼絲繩亂繩現象，對入繩偏角度有更嚴格的要求，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

盤繩器導向滑輪通過驅動油缸在導軌上左右滑動，當導向滑輪在最大行程時，外側應與周圍結構保持500 mm 以上的安全距離[6]，避免在使用過程中發生人員擠壓傷害。因此，在設計盤繩器底座及周界加強結構時，不僅要考慮靜態的干涉問題，還要重點關注設備運動過程中的安全距離。

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構件連接。由于作用在基座上的鋼絲繩合力大，且力的作用點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，同時采用兩道腹板和足夠數量的橫隔板與船體連接，確?；喸诓煌恢脮r均能將載荷有效傳遞到主船體結構中，如圖8 所示。

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

2.4 液壓單元基座

液壓動力單元是深海起重機系統的動力來源，由電機、液壓泵、閥組和管線等部件組成，通過公共底座形成一個完整模塊。液壓動力單元整體尺寸龐大，占據很大的艙內空間，如不采取措施，其上方主甲板的強橫梁尺寸過大，影響艙內空間。與絞車不同的是，液壓動力單元各部件相對獨立，可通過優化部件相對位置，在特定區域設置支柱以減小甲板強橫梁跨距，從而減小構件尺寸，增加艙內空間。因此，在訂貨階段協調廠商調整液壓動力單元各部件位置，為設置艙內支柱預留空間，如圖9 所示。

圖9 液壓動力單元預留支柱位置Fig. 9 Reserved pillar positions of HPU foundation

液壓動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、設備維護空間需求和船體已有結構的布局。盡管液壓動力單元整體重量大，但其底座覆蓋面積廣，平均載荷較小，因此在設計底座加強時，通常只需考慮對應公共底座腹板下方增設桁材或加強筋將載荷傳遞到臨近強構件中。

2.5 其他基座

蓄能器和氮氣瓶盡可能布置在絞車附近，以優化連接管線的長度，由于其長度方向尺寸較大且需避開絞車鋼絲繩，在艙內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，但安裝維護非常不便，重心也較高。經過優化，將蓄能器安裝在中間甲板上，氮氣瓶則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，同時在鋼絲繩擺幅區域設置花鋼板，既方便氣瓶檢修，又提高絞車艙的安全性。蓄能器和氮氣瓶的載荷相對較小，對應基座受力位置增加加強筋或肘板，將載荷傳遞到周圍結構中。

此外，起重機擱架根據實際需要布置在船尾，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，同時兼顧擱架下方消防平臺的暢通，擱架采用門字形箱體結構設計，并在主甲板下方對應箱型位置設置加強結構。

3 強度校核

采用有限元軟件DNV SESAM GENIE/SESTRA 計算分析起重機基座及加強結構的強度。有限元模型中各層甲板、艙壁、舷側外板等板結構及強橫梁、縱桁等強構件腹板采用殼單元模擬，強構件面板及骨材采用梁單元模擬。單元網格大小約為300×300 mm，局部細化處網格大小約為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筒體，如圖10 所示。

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

圖11 起重機載荷工況Fig. 11 Crane load cases

對于作業狀態，主要載荷包括起重機界面載荷、絞車底座載荷及盤繩器載荷及甲板作業載荷等，其中起重機界面處設計載荷見表2，從0°～360°方向每隔45°為一個工況，共確定8 個計算工況。

表2 起重機界面載荷Tab. 2 Interface loads of crane

絞車底座載荷根據不同作業狀態，確定4 個載荷工況，各工況中4 個底座處的載荷見表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 個工況。

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

其他設備基座載荷量級較小，以質量點施加，此外還考慮了雙層主甲板區域約1300 t 的甲板載荷，按面載荷施加。將8 個起重機載荷工況、4 個絞車工況和3 個盤繩器工況進行組合，得到96 個組合工況并對其進行計算分析。應力衡準根據入級的挪威船級社規范對起重設備加強結構的要求，正應力許用值為160f1N/mm2，剪應力許用值為 90f1N/mm2，對于H36 高強度鋼f1取1.39。計算各組合工況并篩選得到最大應力，高應力區主要集中在起重機筒體根部肘板、盤繩器基座附近及絞車底座下方結構上，特別是盤繩器基座和起重機筒體連接處應力較高，主要由于此處筒體結構大開口造成結構突變并疊加盤繩器載荷引起。根據計算結果優化板厚，并將應力的UC 值控制在0.95 以下，優化后的計算結果見表4。

表4 最大應力結果Tab. 4 Maximum stress

對于航行狀態，根據甲板上起重機和基座重量以及重心處的運動加速度確定的慣性載荷或根據設備商提供的界面載荷校核擱置狀態下起重機筒體和擱架基座的強度。此外，對應力較高的板格和加強筋進行屈曲校核，并對起重機筒體根部肘板等熱點區域的疲勞壽命評估，可參考常規起重機基座的校核方法。

4 結 語

本文針對深海主動升沉補償起重機基座，結合實際工程經驗，對該類基座的組成及相互關系、各部分的設計要點進行闡述，并通過計算驗證設計的可行性，得出以下結論：

1）深海起重機基座設計有別與常規起重機基座較為單一的筒體加強設計，它包含了起重機本體、絞車、盤繩器等一整套基座的加強解決方案，設計時需了解各部分功能特點、相互關系、承載形式及運維空間等要求。

2）起重機筒體下加強結構在盤繩器擺幅范圍內設置了大開口，該區域結構連續性較差，且附近有盤繩器基座承受了較大載荷，需在結構突變區域予以重點關注。

3）基座設計不僅需考慮常規的靜態干涉問題，還需關注與鋼絲繩、盤繩器等運動部件之間的安全距離，確保運維期間作業人員的安全。

4）對于艙內絞車等體積龐大、安裝維護空間狹小的設備，可采用雙層甲板，嵌入式基座等方式優化艙內空間。而對于液壓單元等體積龐大、影響艙內結構布置但內部組件相對獨立的設備，可優化其組件位置，從而在設計基座時可為增設艙內支柱預留空間。