起重船重吊系固系統結構設計

雷夕勇

(江蘇省南通中遠船務工程有限公司 江蘇南通226006)

隨著船舶與海洋工程的飛速發展，船舶設計日益復雜化，不僅要實現運輸目的，而且要實現特定的功能，因此船用設備在船舶整體中所占比例越來越重，船舶上配備大型吊機或超大型吊機成為工程船舶的主流配制。本文中的起重鋪管船是一艘負責在海洋中鋪設石油管線的船舶，配備1臺1,200,t的主吊機，該主吊機由船東供貨。因主吊機布置于船體艉部中線處，在船體左右兩側進行重物吊運時，都可以通過在起重側的另一側調駁壓載水而使船舶在起吊時更好地處于平衡狀態。但如果起吊重物位于船艉部，便不能利用壓載來調節船舶配重。在這種情況下，為了使吊車起吊重物時保持船舶平衡，減小起吊重物時對船舶總縱強度的影響，就需要通過適當方式來保證船舶平衡，但目前還沒有有效技術手段來解決這一問題。當前主流思路是采用甲板鋼絲繩系固方式來實現。下文對這種系固方式的結構型式進行簡單的設計分析。

1 確定主吊機系固的布置和距離

對該吊車總體布置結合系固方式確定主吊車系固的布置和距離。根據 1,200,t吊車的總布置圖(見圖 1)，主吊車系固眼板布置位于主甲板之上，船長方向距離主吊車中心線 60.57,m。模擬起吊重物位于船體艉部的時候，將吊車上部分旋轉180 °，可以看出需要在船體上設計一個牽拉固定裝置以匹配船體艉部起吊重物的重量，這個牽拉固定裝置即系固裝置。該系固裝置主要由主船體上系固結構、系固滑輪組、滑輪軸、鋼絲繩等組成。

圖1 主吊車系固布置側視圖Fig.1 Side view of tie-back layout of the main hoist

根據廠家的滑輪組圖，確定了采用兩塊耳板對夾的結構型式，即采用兩對主板附帶 4對腹板，再加上滑輪軸的聯接型式。該耳板采用主板 DH36的30,mm，腹板采用AH36的10,mm和20,mm兩塊作為加厚貼附。這樣兩組耳板可以將系固滑輪組限定在兩組耳板的間距范圍之內，使滑輪組裝配之后能運轉靈活，同時在滑輪組和兩塊耳板之間預留了10,mm的間隙。由于該位置受到的載荷較大，我們采用的滑動軸也是經過調質處理后的 34CrNi1Mo，端部采用卡軸板的型式，防止滑動軸的松動。該位置的滑輪軸采用h8配合，孔內表面粗糙度為6.3，裝配時孔與軸的配合處都需要涂滿油脂。這種滑輪軸需要廠家提供相應的化學成分分析和機械性能數據，作為后續結構計算時的核準依據。

接著，根據總體結構布置，優化局部結構型式，確定整個系固結構設計的方案和圖紙。根據系固布置圖中的系固位置再結合主船體的基本結構圖發現，最外側耳板位置剛好位于船體縱向艙壁 3,500,mm處，而連續的縱向艙壁能夠承受較大應力，所以考慮充分利用該縱向艙壁，將耳板設計成與該縱向艙壁的一體式結構，而增加的耳板理論線尺寸與主船體中的附件結構的理論線存在一定偏差。為了保證主船體系固位置的確定性，決定在主船體中增加加厚插入板，使得增加的耳板插入到主甲板下面，保證主耳板的連續性，同時保證耳板理論線與主船體原始結構理論線的一致性。而靠近船中內側耳板距船中2,800,mm，本處雖然有縱骨，但是縱骨不足以抵抗重吊時的鋼絲繩拉力，所以在該位置需要增加縱向 T型材。T型材穿出甲板部分設計為眼板形式，由于眼板承受較大的拉力，縱向 T型材需要延伸到鄰近肋位，以保證眼板承受拉力時，載荷能傳遞到附近的主船體結構構件上。另外為了防止耳板的屈曲變形，在耳板一圈增加弧圈作為加強，對所增加的兩對耳板的結構進行局部反頂加強和增加橫向連接肘板等。焊接要求：眼板穿出主甲板位置的焊接需要全焊透，其余位置采用雙面連續焊即可。剩余的結構設計工作就是增加相關圖紙細節，完善結構設計圖紙(見圖2)。

圖2 系固結構設計圖Fig.2 Schematic of tie-back structure design

最后，根據設備資料和方案設計圖紙進行FEA[1]計算。因為該起重鋪管船入級美國船級社，屬于海洋工程輔助船舶，所以 FEA計算需要依據美國船級社海洋工程輔助船規范(簡稱為ABS OSV)進行強度校核。同時該系固結構設計也屬于吊裝分析范疇，因此，FEA的計算也需要依據ABS Guide for Certification of Lifting Appliance。對船體結構按FEMAP要求進行簡化，板材按板架建模，球扁鋼簡化為扁鋼型式，也按板架建模。耳板范圍分布于 FR26-FR27，因此選取了FR25-1400～FR28+1400的范圍進行建模。由于該模型選取了船體內局部建模，因此，除了底部位置為自由支持邊界條件，其他幾個方向均為根據X/Y對稱。該幾何模型的物理特性如下：主船體厚度20,mm以下的材質為 AB/A，耳板位置 10,mm、20,mm厚度的腹板材質為AB/AH36，30,mm厚度的材質為 AB/DH36。根據 ABS規范要求，普通鋼的最小屈服強度為235,MPa，高強度鋼的最小屈服強度為355,MPa。普通鋼和高強鋼共同的物理特性：楊氏模量為 205.8,GPa，密度為 7,850,kg/m3，泊松比為 0.3。一般結構進行網格劃分時，普通網格大小為 300,mm為宜，考慮到主吊車系固結構承受較大的拉力，對此部分結構網格大小可以取 100,mm，然后按照FEMAP軟件操作，定義各區域位置不同的板厚。下面主要工作是確定力的加載條件，本結構模型主要有3個作用力，即結構自身重量、甲板載荷和鋼絲繩的最大拉力。結構自身重量在建模時由FEMAP軟件根據材料特性(板厚和密度等)進行計算自動生成。甲板載荷可以查看甲板載荷分布圖(見圖 3)，該主甲板的甲板載荷為 12,t/m3，為均布載荷，可以按 FEMAP軟件要求加載到計算模型中去。

圖3 系固結構FEA模型和綜合應力圖Fig.3 FEA model of tie-back structure and comprehensive stresses

2 結 語

鋼絲繩最大拉力根據廠家提供的資料和力的分解原理得出鋼絲繩的最大拉力為 330,N。對于該結構模型僅僅選取了一種工況條件，即3個作用力的安全系數均選取 1作為工況條件。最后對模型進行加載，完成計算分析以及后處理。針對本文所述的系固眼板，因設定的網格大小為 100,mm，而本船的縱骨間距為700,mm，網格大小為1/7縱骨間距，所對應的眼板結構中板架單元的普通鋼的極限應力為263,MPa，高強度鋼的極限應力為361,MPa。根據ABS OSV規范，要求動荷載和靜載荷混合作用下，眼板結構中普通鋼的極限剪應力為 125,MPa，高強度鋼的極限剪應力為 188.8,MPa。應用 FEMAP軟件計算后，眼板的最大綜合應力為149,MPa，最大剪應力為57,MPa，兩者均小于最大許用應力。結果說明所設計的系固耳板及加強結構強度滿足規范要求，證實了系固結構設計的有效性。

至此起重船的系固系統結構設計完成(見圖 4)。系固結構現場制作完成安裝實船之后，船東船檢一致反映這種系固結構設計方便實用，達到了重吊時的平衡吊重要求。我們將這種結構設計思路應用于另外一條3,500,t起重船上，同樣收到良好的效果。說明這套關于重吊系固的結構設計是行之有效的，希望可以為其他船廠或者設計公司提供寶貴的經驗。

圖4 實船安裝完成之后現場圖Fig.4 On-site photo of the installation

［1］ Rules for building and classing offshore support vessels ABS 2013[Z].

［2］ 杜魯輝，盧菲. 新 12000 DWT多用途重吊船開發設計[J]. 船舶設計通訊，2016(2)：23-27.

［3］ 趙耀中. 32000 DWT多用途重吊船總體設計[J]. 船舶設計通訊，2017(B04)：1-6.