艦船總段整體吊裝研究和實施

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(滬東中華造船(集團)有限公司，上海 200129)

目前船舶市場異常繁榮，但國內船廠產能嚴重不足，特別是船臺、船塢利用效率更是生產過程中的薄弱環節，如何縮短在建船舶的船臺(塢)占用時間一直是業界所關注的焦點。民用船舶建造時大多采用大型、巨型總段建造法，以期盡量縮短船臺(塢)周期；而軍用艦船仍采用分段散吊的形式，與殼舾涂一體化區域造船的技術現代化目標相距甚遠。雖然有些型號的軍用艦船采用的是總段吊裝的形式，但主要是用鋼梁抬吊，此方法僅限于型寬較小的艦船，且鋼梁通常需要特制，工時和材料費用居高不下。

我公司建造的某型艦船產品采用主甲板下環形三總段建造法，由于本艦型寬較大，不宜采用鋼梁抬吊的方式，而需將吊點直接布置于船體上，考慮到艦船本身的結構特點，即板材薄、結構相對較弱、開孔多、設備繁雜等，以往軍艦建造中并沒有這方面的經驗可供借鑒，因此，必須設計全新的吊裝及加強工藝，攻克相關技術難關。

1 目標及方案設計

1) 吊裝過程首先必須保證100%安全進行，吊裝結束總段必須保持無損傷，無永久變形。

2) 需要盡可能縮短船舶的建造周期，特別是船塢周期，目標節省25～35 d。

根據現有的條件和設定的目標，借鑒民船建造中的吊裝經驗，設計出2套方案。

方案1：吊點設置于舷頂列板面內，將原單個的吊環集成于一個吊環鏈(見圖1)，兩舷首尾分別布置兩組，功能等價于32個獨立吊環。甲板、舷頂列板及相關結構局部加強處理。

圖1 方案1吊點布置示

本方案采用集成吊環設計，優點是對船體本身改動少；吊點較為集中，工裝布置方便；吊環加工簡單，材料利用效率較高。缺點是吊環拉力全部施加于外板，容易造成外板變形或撕裂；外板局部更改對影響板縫編排，有礙船體美觀。

方案2：吊點布置于甲板面上，根據方案特別改進吊環設計(見圖2)，根據各總段的特殊情況分別考慮吊點的布置，數量和型號也相應靈活處理，相關區域的結構作小幅調整。

該方案的優點是可以逐個對總段進行調整和優化設計，船體線型對吊環的布置影響較小，對起重設備的要求較低；此方案只對船體內部構件進行結構優化，不會影響船體外觀；結構優化時所增加的重量分布均勻，對艦船整體重心影響較小；吊環可全部布置于主橫隔壁或強肋骨框上方，使船體受力更均勻；由于受力點分散，力的傳遞連續，因此船體變形將會更小。

缺點是吊環較為分散，需要改動的結構相對較多；吊運時鋼絲繩與甲板面成一定角度，會產生甲板面內的縱、橫向分力；需要的臨時加強較多，材料利用效率降低；施工所耗費的工時相對較多。

綜合考慮2套方案的優缺點，結合公司現有的生產工藝、施工能力、相關設備的運行效能等，決定采用方案2。

圖2 方案2吊點布置示意

2 方案優化及詳細設計

2.1 確定吊裝狀態

本艦在船塢建造，由于線型變化比較明顯，塢中現有水泥墩和鋼墩不足以滿足本艦的建造需要；且大型總段吊裝時，定位比較難；考慮到節約工裝的加工和材料成本，艦體采用隨船架小車承托，吊裝時隨船架小車隨總段一起吊運。為吊運安全，隨船架小車與船體通過鋼墩(見圖3)、槽鋼與船體連接，見圖4，隨船架小車之間以連接縱桁約束。根據船體本身結構和隨船架小車的承重能力，繪制船塢布置圖。

圖3 鋼墩側視圖

圖4 隨船架小車與船體連接圖

2.2 重量、重心計算與控制

根據船體分段及總段劃分情況，各總段分別編制重量、重心計算書，計算書中分為船體結構、隨船架、連接縱桁、金屬墩、墩木、內外舾裝、輪機管系、電氣部分和特種設備共9大類，詳細列出各總段所涉及的所有結構、設備及工裝的重量、重心，匯總并算出各總段的總重量和重心位置，由施工管理部門確認裝艦狀態下的設備、工裝后進行再匯總，得出各總段吊裝狀態下的重量、重心。

2.3 結構加強

主船體分EZ、AZ和FZ3個總段整體吊裝入塢，其中EZ總段近800 t，而該艦的船體結構平均鋼板厚度很小、結構相對較弱，施工比較困難。為保障吊裝順利進行且不影響艦船的總體性能，結構總重量應盡量保持不變，因此設計時，采取多吊點化、減少結構永久性加強和適當的臨時性結構支撐加強相結合的措施。

2.3.1 吊點的布置

充分考慮到船體骨架的強弱、不同骨架之間的距離、總段重量及吊環本身所能承受的載荷，最終確定各總段吊環的數量、大小和其布置方式。

2.3.2 結構永久性加強

結構永久性加強會影響艦船噸位，從而可能影響艦船的總體性能，因此，設計時嚴格控制結構永久性加強的范圍和數量，對吊環作用區域內船體結構進行小范圍的修改，以增加結構強度，如：

1) 甲板加厚，原4～8 mm局部調整為10 mm。

2) 肋骨框局部加強，由原6/8×80規格的T型材換成8/10×80規格。

3) 吊環下1 m×1 m范圍內主橫隔壁板厚局部增厚，由原4、6 mm換成8 mm板。

4) 2個縱骨間距內的所有非水密開孔均以與所補結構板等厚的水密補板補強。

經過仔細核算，全艦重量共計增加4.181 t，由于分布均勻，因此其對艦船總體噸位、重量、重心的影響非常小，原則上不會影響艦船性能。

2.3.3 臨時性結構支撐加強

由于船體結構不能作大范圍修改，為減小船體吊裝應力和控制船體變形，設計時較多采用臨時加強的方式，按其作用分為3個方面。

1) 減小應力。

(1) 取消原吊環兩側肘板，一端直接與外板相連，將外板向上延伸，且延伸部分加厚至14 mm，鋼板用L907A規格；另一端換成25a槽鋼，保證結構連續且避免出現結構奇點。

(2) 依附船體傳遞結構受力，減小應力集中。如在吊環下面的橫艙壁上加裝16號槽鋼連接1、2甲板主要結構，并與艙壁焊接，減小艙壁的面內應力；大開口處以20號槽鋼連接開口兩端(側)的主要結構，使力的傳遞連貫。

2) 直接作為受力構件。

由于在吊環設置時，某些肋位處沒有橫向構件，因此局部加裝臨時艙壁，并按船體基本結構形式設計，作為船體主要構件承受吊環拉力，吊裝結束后拆除，不改變船體本身結構。

3) 控制變形。船體在吊運時容易因受拉壓而變形，因此有必要加裝臨時性的支撐。為控制重量，設計時考慮情況：

(1) 吊環作用區域，以16號槽鋼和100×100×8角鋼連接橫梁與縱桁的交點，使整個船體呈網狀結構，控制變形。

(2) 在機艙大開口等涉及多層甲板的大開口處，用不同型號的槽鋼組成網狀支撐結構，控制結構變形，減小應力集中。

總段吊裝結束后，拆除所有臨時結構支撐，且不破壞船體原有結構并打磨光滑。

2.4 強度校核

船體結構有限元建模與分段施工設計同步進行，吊裝方案設計完成后，模型作相應的修改，然后進行有限元計算，設定的工況盡量模擬吊裝的實際情況。

初步計算后完成后，根據各總段的應力分布、變形狀況，找出危險區域，對設計方案進行修改，如更換承受最大反力的吊環、增加吊環區域構件肘板、增加或增強大變形區域的臨時加強材等。方案修改及時反映到有限元模型中，重新進行計算、校核。

經過對方案反復多次優化、有限元分析計算，形成吊裝方案資料和有限元計算分析報告。

各總段最大合成應力：129、96.2、74.4 MPa。其中最大值與本艦所用鋼板的許用應力(312 MPa)的比值為0.413，吊裝是安全的；各總段最大變形分別為：13.00、5.93、6.81 mm，最大變形與船體半寬比為：0.001 625，在彈性變形允許范圍內，不會對船體造成永久性的影響，滿足吊裝工藝目標；各總(環)段吊環承受的最大反力分別為：251.21、280.61、180.20、197.65 kN，均小于相應位置吊環的設計載荷(300、400、250、250 kN)，不會有吊環失效的情況，因此滿足吊裝要求。

3 方案實施

實施包括2個主要階段：結構永久性加強、總段組裝。

從《建造大綱》確定建造方式開始著手吊裝的技術準備，吊裝所需的結構永久性加強設計與分段生產設計同步進行，同步放樣。分段制造時，直接用經過修改的結構設計，可避免分段或總段成形后更換零件所帶來的工時和材料浪費。同時，由于總組吊環在分段制造時就已經裝焊，相關區域也提前進行加強處理，如角焊縫等，避免了分段完工后再進行焊縫補強可能出現的質量問題。

總段組裝包括隨船架小車的布置、隨船架小車與船體的連接和臨時加強等3部分。各總段分段完工后，在總組平臺上按船塢布置圖面置好隨船架小車，并按順序吊裝分段，在總段基本成形后，裝焊附件及臨時加強材料。隨船架小車承重能力分別為120、80和40 t，結合鋼墩及墩木重量，選擇隨船架與船體的連接方式，連接材料均為20#槽鋼，根據隨船架小車的大小及鋼墩重量不同，連接點的數量也具體設計。所有槽鋼均焊接在船體的縱橫構架相交處，并以300 mm×300 mm肘板對端部進行約束。隨船架小車之間以20#槽鋼約束縱向位移，保障吊裝安全。

臨時加強材料在實船中的布置與設備會有沖突，為保證加強效果和吊運安全，將所有與設備等沖突的臨時加強材進行重新設計，即在保證原有加強效果的同時，盡可能考慮施工的方便，并將修改反饋到設計圖紙中。

4 吊裝實施結果

正式實施吊運時，2臺600 t龍門吊聯合運行，1 d之內成功將3總段(即主甲板下主船體)整體吊運入塢。吊裝結束后，經檢查，船體結構未有明顯變形，板材、焊縫等完好，船體基線偏差均在允許范圍之內。龍門吊和塔吊的計算機顯示，總段重量與理論計算值相差在5%范圍內，結果證明，本工藝的重量、重心計算方法有效，新工藝在總段吊裝時的應用是可行的，達到了預期目標。

5 方案總結

1) 吊環直接布置在主船體上，相比于以前所用的鋼梁抬吊方式，節省了大量的工裝費用和施工時間。

2) 新工藝采用結構永久性加強和臨時加強2種加強方式，既保證了結構強度，又不影響艦船性能，且臨時加強材料簡單，可重復利用，節省了生產成本。

3) 由于在分段制造時就將零件進行了更換，既節省了成本，也避免了總段成形后再換時可能引起的結構破壞和整體外觀；

4) 吊環選擇既保證了其整體性能，又可以變換其形狀以適應實際需要，并解決了大型吊環與艦船結構板厚的矛盾；特別是肘板，以槽鋼的形式進行加強在保證原有效果的基礎上又保證了結構及應力傳遞的連續性。

5) 在不影響原有結構的原則下，適量的臨時加強效果明顯。有限元計算結果表明，在進行臨時加強前后，最大結構應力相差超過10%，而臨時加強材料的重量卻不到總段重量的2%。