大型抓斗式挖泥船起重機基座支撐結構強度及建造要點分析

(中國船級社福州分社,福州 350008)

大型抓斗式挖泥船兼具航道疏浚、沉船打撈和海上設施起重等多方面功能，很好地迎合了市場需求。目前國內抓斗式挖泥船主要朝大型化和遠海作業兩方面發展[1]，其配備的抓斗機從早期的 0.5 m3發展到現在的60 m3，作業深度從早期的30 m發展到現在的300 m。隨著抓斗容積、重量以及吊臂長度的增加，抓斗式挖泥船在作業時，其起重機基座支撐結構做為連接主船體和起重機的主要受力構件承受了巨大的彎矩[2]，特別是在波浪載荷和起重作業載荷的共同作用下，該結構所受載荷具有瞬時載荷大和載荷交變頻繁的特點，往往存在局部構件應力集中情況。因此如何在復雜的現場工程技術要求下，使抓斗式挖泥船的起重機基座支撐構件的結構強度滿足工程需要，成為迫在眉睫的課題。

1 起重機基座支撐結構強度分析

1.1 工程概況

目前國內抓斗容積最大的的抓斗式挖泥船(見圖1)。主尺度為：船長121 m、型寬32 m、型深6.3 m、吃水 3.6 m。基本結構形式：單底雙殼，隧道艉機型，雙槳，雙舵，雙機，鋼質全焊接結構甲板船。起重機布置：首升高甲板的上方設置1臺700 t抓斗式起重機(抓斗容積60 m3，吊臂長度為48 m)，主甲板上設置1臺200 t的抓斗式起重機(抓斗容積：12 m3，吊臂長度30 m)。

圖1 60 m3抓斗式挖泥船側視圖

1.2 有限元模型

700 t抓斗式起重機旋轉中心位于Fr.172，采用MSC.PATRAN軟件建立起重機基座艙段模型，坐標系為：右手直角坐標系，x軸指向船長方向，y軸指向船寬方向，z軸指向高度方向，坐標原點取在舯縱剖面，Fr.130的甲板處。單元布置：甲板板，基座面板及起重機筒壁采用板單元；甲板及基座的主要支撐構件(強橫梁，局部短縱桁，短橫桁)腹板采用四節點的板殼單元模擬，面板采用梁單元模擬。次要構件的腹板也采用板單元，面板采用梁單元，基座底板支撐構件采用偏心梁單元進行模擬。縱向單元的大小按一個理論肋骨間距(600 mm)布置；沿船寬方向在每根縱骨間布置1個單元；主要構件沿腹板高度方向布置3個單元。模型長度方向為取Fr.130～船艏；寬度方向為左右舷內殼之間；高度方向：外底板至起重機底。整體艙段模型見圖2，筒體結構局部放大圖見圖3。

圖3 筒體結構局部

1.3 計算工況及載荷

根據中國船級社《船舶與海上設施起重設備規范》[3]要求，起重機基座強度計算考慮4種工況所產生的組合載荷。

工況1。起重機工作于無風狀態，應考慮的載荷如下。

1) 自重載荷。

2)(起升載荷+船舶傾斜(橫傾與縱傾)所產生的起升載荷水平分力)×起升系數fh。

3) 其它最不利的水平力(通常由回轉加速度產生)。

4) 由船舶傾斜(橫傾與縱傾)產生的自重載荷水平分力。

組合載荷可用下述方式表示：〔(1)+(2)+(3)+(4)〕×作業系數fd。

工況2。起重機工作于有風狀態，組合載荷按工況1所示的組合載荷加上最不利的風載荷。

工況3。起重機處于放置狀態，取下述各載荷的組合：船舶傾斜、船舶運動所產生的力和風的作用力。

工況4。起重機試驗負荷：起重機自重及其由船舶傾斜(橫傾與縱傾)產生的自重載荷水平分力，起重機進行試驗時的試驗負荷。

由于該起重機主甲板結構前后不對稱，所以工況1、2和4又都包含吊臂與船長方向夾角分別為0°、45°、90°、135°及180°的5種小工況。

考慮起重機放置及船舶運動的影響，所以該起重機的工況3包含2種小工況：①垂直于甲板的加速度為±1.0g，前后方向平行于甲板的加速度為±0.5g，靜橫傾30°，風速55 m/s，作用于前后方向;②垂直于甲板的加速度為±1.0g,橫向平行于甲板的加速度為±0.5g；靜橫傾30°,風速為55 m/s，作用于橫向。

1.4 許用應力及計算結果

根據《船舶與海上設施起重設備規范》要求，各種工況下，構件的計算應力應不大于其許用應力值。其中，構件的許用應力值為材料的屈服強度除以規范中的相應安全系數，見表1。

表1 安全系數

由于該船起重機基座支撐結構采用CCSB與CCSAH36級鋼，其屈服強度分別為235 MPa和355 MPa，故許用應力為表2所示。

表2 許用應力 MPa

注：括號中數據為CCSAH36級鋼許用應力。

經計算，該起重機基座支撐結構最大應力出現在工況2(吊臂與船長方向夾角90°)，其結果均滿足許用應力要求。計算結果見表3, 板單元最大相當應力分布見圖4，梁單元最大正應力分布見圖5，梁單元最大剪應力分布見圖6。

表3 700 t抓斗式起重機最大應力匯總 MPa

圖4 板單元最大相當應力

圖5 梁單元最大正應力

圖6 梁單元最大剪應力

2 基座支撐結構建造要點分析

700 t起重機基座支撐結構復雜，具有不同于一般船體結構的特點。

2.1 結構布置

起重機基座筒體結構采用縱橫桁材加強結構，并與三道縱艙壁相連(見圖7)，筒體內對應于船體骨架采用T型材作為垂向支撐結構，距基線2 400 mm和4 200 mm位置增設水平桁，于筒體內部設置4個支柱上下連接艙底結構和主甲板，為確保上述構件應力能合理傳遞，均通過肘板使之與相鄰船體結構相連接。考慮到該結構應力分布以及板材使用的經濟性，筒體、水平桁、筒體內艙壁、艙壁連接肘板、甲板連接肘板采用高強鋼(CCSAH36級鋼)，其余結構均采用普通船用鋼(CCSB級鋼)。另考慮到該結構有限元計算時應力集中現象主要存在于在縱橫艙壁與筒體連接處(靠近主甲板)見圖7，故上述艙壁采用高強鋼(CCSAH36級鋼)局部補強該處強度(類似船舶艙口角隅板的形式，見圖8)。

圖7 基座筒體俯視圖(距基線2 400 mm水平桁)

圖8 艙壁局部補強

2.2 結構裝配與焊接

該船起重機基座筒體及其支撐結構具有結構復雜、使用板材規格多(兩種強度鋼、多種板厚)的特點，因此在該結構裝配焊接中，需注意控制下述幾方面問題。

1)該結構焊接量大，為減少焊接應力避免焊后裂紋，結構裝配焊接遵循由內向外、由上至下的原則，按照筒體與筒體內艙壁連接→筒體與垂向支撐構件連接→筒體、垂向支撐構件、筒體內艙壁與甲板連接→筒體、垂向支撐構件、筒體內艙壁與艙底結構連接→筒體與筒體外艙壁連接這一順序焊接，焊接時采取雙向對稱施工，使焊接應力均勻分布。同時由于該結構多處采用高強鋼，焊接方式選用CO2氣體保護焊(低氫型焊材)，要求焊前焊接結構預熱和焊后熱處理。

2)該結構使用多種厚度鋼板，為使應力順利傳遞，在現場施工中相鄰板厚差≥4 mm時，厚板采取削斜處理，使其均勻過渡，削斜寬度不小于厚度差的4倍。

3)該船工作性質決定了船舶所受載荷具有瞬時載荷大，載荷交變頻繁的特點。為了有效傳遞載荷，參考有限元分析結果，對應力集中區域的焊縫(如：筒體與主甲板、筒體與外板、筒體與艙壁、筒體與水平桁、筒體與起重機相連焊縫)均要求全焊透，坡口形式為V形(見圖9)，焊后無損檢測(超聲波)應100%合格。

圖9 全焊透V型坡口

2.3 吊重試驗

相關技術參數如下。

臂架長度： 48 m

工作半徑： 22.29～34.53～42.26 m

臂架工作角度： 70°～50°～30°

抓斗參數： 60 m3×100 t(自重)

回轉速度： 0～0.5 r/min

最大揚程： 12 m(水面上)

最大挖泥水深： 153 m(水面下垂直距離)

起吊額定負載： 700 t(不包括吊鉤自重)

根據《船舶與海上設施起重設備規范》[3]第7章7.4.2節，該起重機吊重試驗按以下步驟進行。

1)依據技術參數及起重負載曲線(圖10)，需進行如下狀態的吊重試驗：臂架工作角度30°，試驗負荷269.5 t；臂架工作角度50°，試驗負荷為473 t；臂架工作角度70°，試驗負荷770 t。另由于起重機在臂架工作角度65°時，起重機已達最大負載700 t，此時起重機對船體具有最大傾覆力矩，即起重機基座及其支撐結構承受最大彎矩，故還需進行臂架工作角度65°，試驗負荷770 t的吊重試驗。試驗時重物懸掛于吊鉤，負荷吊離甲板后保持懸掛時間不少于5 min。

圖10 700 t起重機起重負載曲線

2)試驗時，起重機在試驗負荷下進行慢速起升、回轉與變幅試驗，同時還應進行起升、回轉與變幅機構的制動試驗。

3)對超負荷保護裝置、超力矩保護裝置進行動作試驗。

4)起重機經超負荷試驗后，應進行安全工作負荷下的操作試驗，試驗起升、回轉與變幅的各檔運轉速度以表明運轉情況、超負荷效能、負荷指示器與限位器等均處于良好工作狀態。

5)試驗后進行全面檢查， 核實是否有變形或其它缺陷存在。

特別應注意的是，《船舶與海上設施起重設備規范》中并未規定起重機在試驗負荷下進行慢速起升、變幅試驗及相應的制動試驗時吊臂與船體的相對位置。由于與起重機基座支撐結構以及相鄰的船體結構前后不對稱，在實際工程運用中其受力并不均勻。因此該起重機在進行慢速起升、變幅試驗及相應的制動試驗時，應根據有限元分析結果，選取吊臂與船長方向夾角90°這一最危險的工況進行試驗，確保起重機基座支撐結構極限狀態下的性能和結構強度的驗證結果真實可靠。

4 結論

1)挖泥船中起重機基座支撐結構采用縱橫

桁材加強結構具有較好的結構強度。

2) 在起重機基座支撐結構現場施工及檢驗中，應注意多種規格板材在結構布置、焊接、裝配等方面的考慮。在局部應力集中區域采用類似艙口角隅板的設計嵌補高強鋼能有效加強該處局部強度。

3) 《船舶與海上設施起重設備規范》在吊重試驗中并未規定試驗時吊臂與船體的相對位置，為確保吊重試驗能驗證起重機基座支撐結構極限狀態下的性能和結構強度，在按照規范進行相應的試驗時，吊臂與船長方向夾角應注意根據有限元分析結果選取最危險的角度進行。建議今后在《船舶與海上設施起重設備規范》中增加試驗時對吊臂與船體的相對位置的規定。

[1]孫魯閩. 我國海上起重打撈作業及其基礎裝備大型起重船的發展[J]. 船舶工程，2013( 1) : 5-12.

[2]喬國瑞，孫雪榮，周佳. 3000t 自航起重船結構設計與強度分析[J]. 船舶，2011( 5) : 21-26.

[3]中國船級社. 船舶與海上設施起重設備規范[S]. 北京: 人民交通出版社，2007.