A型液艙次屏蔽安裝平臺設(shè)計及強度分析

江創(chuàng)宏，繆志剛，王孝賓

(1.南通象嶼海洋裝備有限責任公司，江蘇 南通 226000；2.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3.南京汪洋船舶工程有限責任公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

LNG船液艙次屏蔽安裝平臺是為了將圍護系統(tǒng)安裝在液貨艙內(nèi)而專門搭設(shè)的一種結(jié)構(gòu)復雜、規(guī)模宏大的輕質(zhì)腳手架。長期以來，安裝平臺的設(shè)計研發(fā)工作都被國外技術(shù)所壟斷，船廠建造的安裝平臺依賴于他國專利，需要繳納巨額的專利費用。隨著LNG船需求量的日益增長，文獻[1]針對薄膜型LNG船圍護系統(tǒng)研發(fā)出了一套具有我國獨立知識產(chǎn)權(quán)的安裝平臺。而對于A型液艙LNG船，國內(nèi)還沒有相關(guān)的次屏蔽安裝平臺的設(shè)計研究，故本文借鑒了薄膜型LNG圍護系統(tǒng)安裝平臺的設(shè)計經(jīng)驗，對A型液艙次屏蔽安裝平臺進行設(shè)計及分析。

1 施工要求

本船研究的LNT45船擁有三個液貨艙，其中每個貨艙配備一只棱鏡型IMO獨立A型液艙罐作為主屏蔽，同時也擁有完全獨立的次屏蔽。在船舶建造過程中，需要在船內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼板上對完全獨立的次屏蔽進行安裝。本文對LNT45船二號貨艙進行安裝平臺設(shè)計及有限元分析，貨艙長度為45.6 m，寬度為27 m，高為17.8 m。

在安裝工作中，次屏蔽安裝在船內(nèi)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)鋼板上，貨罐本身不帶任何絕緣，即將一個未絕緣的A型罐放置在一個絕緣的空間里。次屏蔽安裝平臺在船體搭載階段進行安裝，在甲板分段吊裝之前需要次屏蔽層安裝結(jié)束并且安裝平臺完成拆卸。次屏蔽由Triplex絕緣板組成，總厚度約為350 mm。期間涉及很多工裝設(shè)備的使用，在安裝平臺工作過程中，需要改變工作平臺到作業(yè)面的距離。

2 方案比選

2.1 落地式

落地式安裝平臺需從艙底開始搭設(shè)。但是船體的線型收縮會給落地式安裝平臺的搭設(shè)和固定帶來了很大難度，并且若搭設(shè)普通落地式腳手架，則在進行船底次屏蔽安裝之前需先拆除腳手架，延誤工期的同時，也會造成人力物力的巨大浪費。另外，LNT擁有相關(guān)安裝平臺專利，在落地式安裝平臺設(shè)計過程中也需要規(guī)避LNT的相關(guān)專利點，否則將繳納巨額的專利費用。

2.2 吊籃

吊籃具有安裝快捷、操作簡單、使用方便、安全可靠的特點[1]，但承載力有限，且對吊籃內(nèi)操作人員的行動限制太大，不能滿足絕緣層安裝要求。

2.3 安裝平臺

根據(jù)次屏蔽的安裝要求，設(shè)計一種拆裝方便，不需要占用太多起重設(shè)備，具有自有知識產(chǎn)權(quán)的安裝平臺。結(jié)合落地式和吊籃懸吊平臺的形式，將安裝平臺分為與船體連接的桁架和通過吊耳吊掛在桁架下的懸掛結(jié)構(gòu)[2]。在平臺組裝時，可采用類似船體搭載的形式，對安裝平臺進行模塊劃分，分類組裝后，進行吊裝并裝配成整體。安裝平臺基本設(shè)計圖和布置圖分別如圖1和圖2所示。

圖2 安裝平臺布置圖

3 施工平臺設(shè)計

3.1 吊掛結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于船內(nèi)結(jié)構(gòu)舭列板底部到內(nèi)底板的高度為2 500 mm，因而安裝平臺時為滿足舭部以上的次屏蔽安裝工作的要求，在吊掛結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，參考了薄膜型次屏蔽安裝平臺結(jié)構(gòu)。整體結(jié)構(gòu)主要由框架、連接梁、伸縮梁組成，元件內(nèi)部連接方式為焊接，元件之間通過銷子來連接。安裝平臺共有5層，層間距為2.5 m，其中一層距船底高度為3 m。每一層都有框架區(qū)域，通道區(qū)域(約1.4 m)和工作區(qū)域(約0.5 m)，以確保在一人通行的情況下，還有1 m的材料設(shè)備空間。通道區(qū)域和工作區(qū)域統(tǒng)稱伸縮梁區(qū)域，由鋼跳板和膠合板覆蓋，其區(qū)域示意圖如圖3所示。為進行次屏蔽多層絕緣的安裝，工作區(qū)域可以在施工過程中進行調(diào)整。在貨艙中部安裝平臺設(shè)有兩部樓梯，在上落梯下方拉設(shè)安全網(wǎng)。安全網(wǎng)的拉設(shè)范圍覆蓋登高作業(yè)人員可能墜落的區(qū)域，以防止人員墜落。吊掛結(jié)構(gòu)普通跨距為2 m，樓梯處跨距為2.8 m，橫艙壁中部跨距為3 m。安裝平臺配備一部載貨電梯，載重量為1 600 kg，可通到1層至5層。吊掛結(jié)構(gòu)所使用的桿件截面尺寸見表1。

表1 截面尺寸數(shù)據(jù)表

3.2 與船體的連接系統(tǒng)設(shè)計

連接系統(tǒng)主要有依靠配重實現(xiàn)穩(wěn)定性的系統(tǒng)、固定在結(jié)構(gòu)物上或建筑物上的系統(tǒng)、前兩者系統(tǒng)的結(jié)合等形式。

圖3 安裝平臺區(qū)域示意圖

連接系統(tǒng)選取與船體連接的桁架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。對于舷側(cè)桁架，桁架結(jié)構(gòu)通過兩個焊接在船體舷側(cè)的吊耳進行固定，焊接在舷側(cè)外板上的吊耳距桁架下弦桿距離為2 m，另一吊耳位于桁架下弦桿正下方縱艙壁上，以防止安裝平臺傳導給舷側(cè)的力過于集中，造成船舷變形。對于橫艙壁處連接系統(tǒng)設(shè)計，考慮到兩個艙次屏蔽絕緣層的施工，桁架在橫艙壁兩側(cè)受力相差不大，固定桁架的吊耳焊接在橫艙壁兩側(cè)同一高度，以對桁架進行支撐固定。桁架設(shè)計為2 m高的梯形桁架，桁架結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件通過焊接進行連接。出于結(jié)構(gòu)對抗彎能力的需要，桁架結(jié)構(gòu)的材料適宜選用雙軸對稱的截面的型鋼，本結(jié)構(gòu)采用H型截面鋼。H型鋼在方便連接的同時還具有比普通截面工字鋼抗彎能力更強的優(yōu)點。在對截面預估時，梁的截面高度與跨度的比值通常取1/20～1/50[3]，連接系統(tǒng)梁的最大跨度為3 750 mm，取H型鋼截面高度為150 mm。為便于工程管理及采購，連接系統(tǒng)各構(gòu)件統(tǒng)一采用型號為HW150×150的熱軋H型鋼，H型鋼的高度和翼板寬度為150 mm，腹板厚度為7 mm，翼板厚度為10 mm。選取鋼材材質(zhì)為Q235B。

圖4 桁架結(jié)構(gòu)示意圖

4 LNG液艙次屏蔽安裝平臺的靜力分析

4.1 模型簡化

以45 000 m3LNG船2艙為研究對象，基于ANSYS workbench對其次屏蔽安裝平臺建立三維有限元模型，所有桿件在三維坐標下嚴格按照規(guī)定尺寸逐個建立，在滿足模型與實際完全對應的前提下，對數(shù)值模型中支腿、伸縮梁進行簡化，省去欄桿、銷釘及擋板等附屬結(jié)構(gòu)。由于安裝平臺為對稱結(jié)構(gòu)，為了減小計算量，建立二分之一模型進行后續(xù)分析。

4.2 數(shù)值模型的建立

次屏蔽安裝平臺的各部分構(gòu)件的材料屬性均選用Q235B，其材料屬性為：彈性模量210 GPa，泊松比0.3，密度7 800 kg/m3。在ANSYS workbench中選取的單元類型為beam188的梁單元來模擬安裝平臺的桿系結(jié)構(gòu)。beam188單元為三維線性有限應變梁單元，可滿足次屏蔽安裝平臺多種型鋼截面的定義與修改。A型液艙維護系統(tǒng)安裝平臺數(shù)值模型如圖1所示。

圖5 A型液艙維護系統(tǒng)安裝平臺數(shù)值模型

4.3 安裝平臺載荷的施加

一般來說，結(jié)構(gòu)受到的外載荷可分為永久載荷(恒載)及可變載荷(活載)[5]。對于安裝平臺來說，永久載荷包括結(jié)構(gòu)自重外加永久性的承重，可變載荷則主要包括工作載荷以及風雪載荷。由于平臺施工是在船艙內(nèi)部進行，船艙頂部安裝有防雨頂棚使得安裝平臺處于封閉空間，因此可以不計風雪載荷的影響。

根據(jù)可變載荷施加位置不同，與恒定載荷進行組合，對工作中出現(xiàn)的各種載荷工況進行模擬。

4.3.1安裝平臺的自重

在workbench中定義模型各構(gòu)件的尺寸與密度，由軟件計算得出安裝平臺的自重，其中重力加速度取g=9.806 6 m/s2。

4.3.2鋼跳板和膠合板重量

鋼跳板：q1=220 N/m2

膠合板：q2=100 N/m2

4.3.3工作載荷

工作載荷主要為作用于安裝平臺上的人員、材料及安裝設(shè)備的重量。核算時，材料及安裝設(shè)備重量取1 500 N/m2，施工人員重量取800 N/m2。安裝平臺在使用過程中為從上至下最多兩層同時進行施工。以伸縮梁最大外伸情況下的兩層同時施工作為標準施工狀態(tài)進行研究，工作載荷具體分布情況見表2。

表2工作載荷層數(shù)分布表N/m2

工況第一層第二層第三層第四層第五層100230023001500223002300150015001500300002300

4.4 邊界條件的給定

次屏蔽安裝平臺固定于船體舷側(cè)之上，桁架通過舷側(cè)內(nèi)外焊接的吊耳固定，因此對接觸部分施加固定約束。考慮到平臺次屏蔽安裝過程中的穩(wěn)定性，平臺在使用時，框架底部通過套管裝置與船底連接，因此在框架底部區(qū)域施加X向(水平向)約束。由于采用了二分之一模型，所以通過Symmetry Region對模型加入對稱邊界條件。

4.5 求解結(jié)果

利用Workbench對有限元模型進行計算，由最危險工況2計算所得的應力與位移分布云圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 應力分布云圖

通過對各工況的求解分析可得：安裝平臺在最危險工況下，最大拉應力為87.1 MPa，發(fā)生在橫艙壁區(qū)域安裝平臺與走道拉桿連接處；最大壓應力為22.9 MPa，發(fā)生在第五層角區(qū)連接梁與走道梁連接處。最大位移為5.58 mm，發(fā)生在

安裝平臺一層角區(qū)伸縮梁處。

圖7 變形分布云圖

參照《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130—2011), Q235鋼的抗拉、抗壓和抗彎強度設(shè)計值取205 MPa；懸挑受彎構(gòu)件容許撓度取l/200，本文安裝平臺伸縮梁區(qū)域最大懸伸長度為1 800 mm，可得伸縮梁容許撓度為9 mm，因此安裝平臺滿足安全要求。

5 結(jié)論

(1)本文設(shè)計出一種全新結(jié)構(gòu)形式的A型液艙次屏蔽安裝平臺。

(2)安裝平臺的結(jié)構(gòu)形式滿足了A型液艙次屏蔽Triplex材料的安裝要求，同時實現(xiàn)了操作簡便和平臺占用空間的節(jié)省。

(3)安裝平臺可根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)特征進行模塊劃分。各個分模塊分類組裝后再進行吊裝裝配，最大程度減少了安裝平臺搭建對工期的影響。

(4)通過有限元建立模型進行計算，計算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)滿足強度和剛度要求，同時發(fā)現(xiàn)安裝平臺強度上還有很大裕度，后續(xù)可以對其進行優(yōu)化，減少鋼材使用量。

參考文獻：

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