基于三維模型的LNG船圍護系統(tǒng)安裝平臺整體安裝技術(shù)

戴偉,夏勇峰,羅金

(1.上海江南長興造船有限責(zé)任公司，上海 201913；2.滬東中華造船(集團)有限公司，上海 200129)

大型LNG動力船核心技術(shù)是LNG儲存艙，目前最適用于該船型的LNG儲存技術(shù)是GTT MARK Ⅲ薄膜型液貨圍護系統(tǒng)，該液貨圍護系統(tǒng)與GTT NO96薄膜型液貨圍護系統(tǒng)在建造材料、建造工藝和專用工藝裝備等方面均有顯著差異。LNG船圍護系統(tǒng)安裝平臺是建造MARK Ⅲ薄膜型液貨圍護系統(tǒng)所需的關(guān)鍵工藝裝備，其設(shè)計和建造難度極大，一般分成若干個小型模塊獨立建造。受公司高吊及模塊吊排吊重限制，單個模塊重量不超過25 t。LNG艙的艙容越大則模塊數(shù)量越多，搭載周期越長，因此突破模塊吊排吊重限制，將模塊規(guī)模做大是減少模塊數(shù)量最有效的解決手段，但模塊規(guī)模變大之后，其安裝難度成倍增加，尤其是吊裝工藝及工藝裝置的研發(fā)設(shè)計。考慮以某型LNG動力船為例，基于統(tǒng)一的圍護系統(tǒng)安裝平臺三維模型進行整體安裝技術(shù)分析。

1 統(tǒng)一三維模型設(shè)計流程

先在AutoCAD軟件中進行圍護系統(tǒng)安裝平臺的基本設(shè)計，建立一個初步的三維圍護系統(tǒng)安裝平臺線框模型。

在詳細設(shè)計階段，將保存為IGS格式的三維線框模型文件導(dǎo)入到Patran中進行網(wǎng)格劃分、材料屬性定義；最后再利用Nastran強大的后處理功能完成有限元的分析。該階段要通過有限元分析評估圍護系統(tǒng)施工過程中平臺在存儲載荷、工作載荷作用下抬腿及不抬腿等各類工況下的強度，當(dāng)強度不足或冗余時需要修改基本設(shè)計，重復(fù)上述過程即可快速實現(xiàn)有限元的迭代優(yōu)化計算，從而建立最終的三維模型。而后，進入工藝設(shè)計階段。

2 整體安裝策劃

該船LNG燃料艙艙容為6 700 m3，圍護系統(tǒng)安裝平臺結(jié)構(gòu)件數(shù)量約6 500件，膠合板約600張，合計總質(zhì)量約112 t，須將這些零件拼成一個整體并安裝到LNG艙內(nèi)，而后開展圍護系統(tǒng)安裝工作。按照常規(guī)施工方案，整艙圍護系統(tǒng)安裝平臺需劃分成6個小模塊，4個散裝模塊，如圖1所示，單個模塊質(zhì)量不超過25 t，完成全部模塊的進艙安裝需耗費3 d時間。而將整個平臺做成一個模塊，只要一吊即可完成完整安裝，整個安裝過程耗時不到0.5 d，效率提升顯著。

3 工藝設(shè)計

圍護系統(tǒng)安裝平臺模塊搭設(shè)位置、LNG燃料艙總段、800 t龍門吊三者間相對位置見圖2。由于整艙單一模塊質(zhì)量達到了112 t，策劃采用龍門吊直接吊裝的方式整體進艙安裝。

吊點布置。800 t龍門吊有3個鉤，其中上小車1#鉤和2#鉤的鉤距為16.5 m，每個鉤分別配置有350 t吊排，3#鉤位于龍門吊的梁中心，模塊長43.7 m、寬10.4 m，成狹長型，采用龍門吊上小車的1#鉤和2#鉤進行吊裝。吊環(huán)的安裝位置和數(shù)量主要以模塊的質(zhì)量質(zhì)心位置及強結(jié)構(gòu)的位置為依據(jù)[1]，結(jié)合本項目整艙單一模塊的質(zhì)量、質(zhì)心位置、強結(jié)構(gòu)位置設(shè)計使用16個吊點，模塊吊點布置見圖3。

圖3 吊點布置示意

索具配置及吊點受力計算。鋼絲繩上段主索采用19 m鋼絲繩對折，共8根，每根主索配2根副索，下段副索采用15 m鋼絲繩，共8根，從吊鉤至圍護系統(tǒng)安裝平臺吊點高度約24.5 m，每根副索的2個接頭與模塊短邊方向2個吊點相連，16個副索接頭分別對應(yīng)16個吊點。副索與吊點之間存在一定的橫向斜拉角和縱向斜拉角，沿長邊斜拉角度不超過17°，沿短邊斜拉角度不超過12°，計算求得在該索具配置下單個吊點的豎直力為70 kN，沿長邊水平最大分力為21 kN，沿短邊水平最大分力為15 kN。

特殊吊環(huán)設(shè)計。模塊吊裝時，吊環(huán)通過索具與起重機相連，是進行模塊吊裝作業(yè)的強受力構(gòu)件[2-3]，吊環(huán)受力大小在安裝位置確定后通過靜力平衡方程計算確定，即上述吊點受力值。為增加吊點強度，減少平臺結(jié)構(gòu)變形，特殊吊環(huán)和圍護系統(tǒng)安裝平臺立柱的4根鋼管裝配連接，設(shè)計成一體框架結(jié)構(gòu)。平臺的立柱上設(shè)計吊環(huán)固定底座，吊環(huán)由眼板、保形面板構(gòu)成，保形面板下方設(shè)置十字加強板，能夠提高其設(shè)計承載力1倍以上，平臺立柱的固定底座和吊環(huán)的十字加強板上均開有螺栓孔，使用時將二者通過螺栓連接固定，見圖4。

圖4 特殊吊環(huán)

4 實施應(yīng)用

基本設(shè)計階段，在AutoCAD軟件中進行圍護系統(tǒng)安裝平臺基本設(shè)計，并建立初步的三維線框模型，見圖5。

圖5 基本布置及初步三維線框模型

詳細設(shè)計階段，將三維線框模型導(dǎo)入Patran中進行網(wǎng)格劃分、材料屬性定義，再利用Nastran完成有限元分析，形成最終符合設(shè)計要求的FE三維模型，見圖6。

圖6 最終FE三維模型

工藝設(shè)計階段，完成整體安裝工藝、吊點布置、特殊吊環(huán)設(shè)計后，使用最終FE三維模型校核整體安裝過程中的吊裝強度和變形。經(jīng)校核，最大應(yīng)力為55.9 MPa，最大變形為16.3 mm，見圖7，符合強度要求。

圖7 工藝設(shè)計有限元分析

現(xiàn)場應(yīng)用，對圍護系統(tǒng)安裝平臺整體安裝技術(shù)應(yīng)用的吊裝、劃線定位、進艙、支撐腿調(diào)整等全過程進行跟蹤，見圖8，現(xiàn)場應(yīng)用情況良好。

圖8 現(xiàn)場應(yīng)用情況

5 結(jié)論

統(tǒng)一的三維模型貫穿圍護系統(tǒng)安裝平臺基本設(shè)計、詳細設(shè)計、工藝設(shè)計3個階段，并最終應(yīng)用該三維模型完成工藝設(shè)計中的整體安裝強度校核。相較于常規(guī)有限元分析方法，基于統(tǒng)一的三維模型可避免大量重復(fù)的幾何建模、網(wǎng)格劃分，大幅提高設(shè)計效率。

LNG船圍護系統(tǒng)安裝平臺整體安裝技術(shù)在某型LNG動力船上成功應(yīng)用，實現(xiàn)了一艙、一模塊、一吊裝，打破了常規(guī)安裝方法的效率瓶頸，模塊質(zhì)量從25 t突破到了112 t，大幅減少了模塊吊裝次數(shù)，縮短了安裝周期。