簡析船塢起重設備關鍵技術

高 原，孫津瀟

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220）

引言

發展中國家通過新建大型的修造船廠可滿足航運行業的快速發展需求，在一定程度上可提高本國的經濟發展水平、國家的整體競爭力和影響力。本文依托國外某船廠項目，總結參與設計過程中的技術經驗，對修造船廠中船塢的起重設備選型及工藝布置等關鍵工藝技術進行探討。

1 工程背景

根據船廠地形條件及工藝布置需求，本項目將船廠陸域劃分為船塢（400 m×40 m）、組裝場地、生產車間、輔建區等功能分區。

船塢起重設備配置結合設計船型（40 000 DWT雜貨船）、生產綱領及業主要求綜合考慮，通過對船塢起重設備選型分析及比選，船塢起重設備配置情況如下：

1臺400 t造船龍門起重機布置于船塢與組裝場地之上，2 臺40 t 錘型門座式起重機布置于船塢南側（位于龍門吊軌道內），作為修造船作業過程中主要的裝卸設備。通過液壓平板車運至組裝場地的船舶小型分段件經總組后形成較重的總段，再由龍門起重機吊裝進入船塢進行合攏作業。2 臺錘型門座式起重機可用于修造船過程中小型船舶部件的吊裝。

結合以上生產要求確定的船塢起重設備工藝布置示意圖如下所示。下文將對起重設備配置方案的比選及設備主要參數的選取進行一定的論述。

圖1 船塢起重設備工藝布置示意圖

2 造船龍門起重機

2.1 主要特點

造船龍門起重機起重量和跨度一般較大，在造船廠中得到廣泛的應用，主要用于船體分段的吊裝，同時還需具備船體分段翻身作業的功能。上下小車起升機構、上下小車與大車運行機構是構成造船龍門起重機的主要機構，主梁、剛性腿、柔性腿、大車運行機構的平衡梁、上下小車的車架等是其主要的金屬結構[1]。

造船龍門起重機起升機構通常設置兩臺起重小車，分別為上小車和下小車，上小車包括兩個吊鉤，下小車包括一個主鉤和一個副鉤。上小車兩吊鉤起重能力一般保持一致，且上小車的兩吊鉤布置于主梁的外側，兩個吊鉤可同時抬吊重件或與下小車配合，從而進行重件的翻身作業。龍門起重機的上下小車可沿著龍門吊主梁運行，兩小車不共軌，以便下小車可在上小車下穿越，兩小車可相互移動而互不干涉[1]。

2.2 翻身作業

修造船過程中由于生產工藝的要求，比如為保證焊接質量的要求等，需要對船體分段件進行翻身，因此龍門起重機需具備對重件的翻身功能。

造船龍門起重機需要依靠上、下小車聯合作業、互相配合完成船體分段件180°翻轉作業。國內大部分船廠龍門吊的翻身作業一般采用如下傳統的工藝流程：

1）流程一

上小車首先利用其兩主鉤將船體分段的下側系住，而下小車利用單鉤系住其上側，兩小車同時起升，將分段件吊起離開地面。

圖2 流程一

2）流程二

上小車繼續提升，下小車在負載的同時沿著上小車方向移動并逐步靠攏，通過上小車與下小車的聯合配合，使原水平放置的船體分段件呈現豎直狀態，此時上下小車同時下降，分段件下降并接觸到地面，接觸地面后下小車解鉤失去荷載。

圖3 流程二

3）流程三

上小車兩鉤繼續系住分段件且上升，然后將分段件抬離地面一段距離，同時下小車穿過上小車，從而使上小車位于下小車的右側。

圖4 流程三

4）流程四

當上小車位于下小車右側后，下小車通過吊鉤系住與上小車吊鉤系住船體分段的相同一側[1]，然后下小車上升，上小車下降，且下小車上升的同時繼續向左移動。

圖5 流程四

5）流程五

通過上下小車相互協作，最終使船體分段件呈現一定的水平狀態，進而完成了船體分段的整體180°翻轉。

圖6 流程五

3 門座式起重機

目前國內船廠船塢作業區域普遍采用的起重設備是門座式起重機，主要包括兩種設備類型：

1）四連桿門座式起重機；

2）錘型門座式起重機。

四連桿門座式起重機設計、制造及運營經驗都較為成熟。四連桿門座式起重機主要由機構與結構兩大部分組成，其中機構部分主要包括：運行、回轉、變幅與起升四大機構；臂架系統、人字架、轉臺與門架等是構成四連桿門座起重機的主要結構。四連桿門座起重機變幅機構主要通過四連桿的運動使貨物能在水平方向前后運動。

與常規的四連桿門座式起重機不同點在于:錘型門座式起重機在變幅作業過程中，通過利用牽引小車的移動來滿足變幅要求，臂架高度保持不變；而四連桿門座式起重機在變幅作業時，其臂架的高度是隨著作業幅度的不同而不斷變化的。

錘型門座式起重機主要由運行機構、圓筒門架、回轉機構、前拉桿、后拉桿、臂架、牽引小車、機房等組成[2]。

圖7 錘型門座式起重機結構組成

4 主要起重設備配置方案分析

4.1 國內船廠船塢作業區起重設備布置

目前國內部分船廠的船塢區域起重機配置方案較普遍地采用兩種形式：一種布置形式是造船龍門起重機+四連桿門座式起重機；另一種布置形式是龍門起重機+錘型門座式起重機。

從船廠建設的時間上看，建設時間稍早的船廠較多采用的是龍門起重機+四連桿門座起重機的方案，而隨著起重設備設計制造技術不斷創新與發展，適用于船廠船塢生產要求的錘型門座式起重機涌現出來并展現出一定優勢，特別是對于其布置于龍門起重機主梁之下的情況。

具體原因是龍門起重機+四連桿門座起重機方案具有一定的安全隱患，存在設備碰撞的可能性，此種配置方案對于人員的操作和管理水平要求較高。

因此為了起重機的安全使用，減少起重機的碰撞事故，近幾年在國內船廠推出了龍門起重機+錘型門座式起重機的方案，經多年運營驗證了這種配置形式具有技術性能穩定、作業安全可靠的優勢，該種方案得到業界的認可并逐步推廣[3]。

4.2 本項目船塢起重設備配置方案

考慮到以上工程實例的成功運用，并結合本項目修造船生產的具體要求，船塢起重設備配置方案可采用以下兩種方案，兩方案都能滿足正常的生產需要。

兩方案示意圖如下。

圖8 方案一示意圖

圖9 方案二示意圖

4.3 起重設備主要技術參數

現以方案二為例，對船塢起重設備主要技術參數的確定做簡要闡述。

龍門起重機軌距105 m，柔性腿側軌道距離船塢邊沿4.25 m；40 t 錘型門座式起重機軌距8 m，海側軌道距離船塢邊沿4.25 m。

方案二船塢斷面如圖10 所示。

圖10 方案二船塢斷面圖

1）錘型門座式起重機

①作業幅度

錘型門座式起重機最大作業幅度按照覆蓋 40 000 DWT 設計船型外側腳手架考慮。

作業幅度=4+4.25+3.9+32.2（設計船型船寬）+2（腳手架尺寸）=46.35 m，最大作業幅度取47 m。

②不同作業幅度下吊重

吊幅30 m-吊重40 t，主要滿足舵系、軸系、螺旋槳等吊裝要求；

吊幅47 m-吊重5 t，主要滿足小型結構件、鋼料等吊裝要求。

③起升高度

軌上起升高度=19 m(設計船型型深)+10 m(上建)+18 m(桅桿)-12.6 m(船塢深度)+1.7 m(龍骨墩高度)+1.0 m(富裕)=37.1 m，取38 m。

軌下起升高度取船塢深度12.6 m。

④整機高度及臂架總長度

錘型門座式起重機整機高度在滿足起升作業高度的要求下約為48 m，臂架總長度在滿足最大作業幅度的要求下約為50 m。

2）造船龍門起重機

①起重能力

造船龍門起重機起重能力主要取決于船體總段件的重量，根據本項目生產綱領及設計船型，確定40 000 DWT 雜貨船最大總段重量約為350 t，因此配置400 t 龍門起重機滿足使用要求。

②大梁軌上高度

大梁軌上最小高度=48（錘型式門座式起重機整機高度）+1（富裕距離）=49 m

龍門吊剛性腿布置于組裝場地一側（司機室位于剛性腿上），為避免錘型起重機臂架在回轉過程中與龍門起重機司機室產生碰撞的可能性，龍門起重機大梁軌上高度約為58 m。

方案二錘型門座式起重機臂架在回轉過程中，臂架最外側與龍門起重機支腿之間保留一定的安全距離。起重設備的各項技術參數在滿足船塢吊裝作業的要求基礎上，避免了在作業過程中產生碰撞的可能性。

5 船塢起重設備配置方案比選

兩方案中四連桿門座式起重機和錘型門座式起重機各項技術參數均需滿足船塢正常作業時的吊裝需求，兩者技術參數（包括吊重、作業幅度、起升高度等）保持一致，通過對兩方案的對比，主要優缺點如下所示。

1）四連桿門座式起重機整機最大高度較高，當四連桿門座式起重機整機最大高度高于龍門起重機大梁底部高度，且兩者需相互交叉移動時，門座式起重機臂架需向外變幅以降低臂架高度，以避免兩者相互穿行時產生干涉進而造成事故。此種布置方案影響作業效率，同時對操作及管理水平要求較高，存在相互碰撞的風險。而方案二錘型門座式起重機可在最大工作幅度的條件下通過龍門起重機下方，安全性好，空間利用率和作業效率較高。

2）為避免方案一中四連桿門座式起重機與龍門起重機主梁產生碰撞的可能性，可在適當范圍內增加主梁的凈空高度，增加主梁高度同時會增加龍門起重機整機重量，其輪壓增加，同時設備投資增加。

3）四連桿門座式起重機整機總重量較大，其輪壓相對較大，基礎投資較大。

綜合考慮本項目當地人員操作水平及管理水平較低，且為減少工程總投資，防止碰撞事故發生，船塢起重設備配置方案采用方案二。

6 結語

本文以大型船廠船塢起重設備為研究對象，通過調研國內部分船廠船塢起重設備配置情況，分析了不同類型起重設備主要特點，對船塢起重機配置方案進行比選，并探討起重設備主要技術參數一般選取原則，為船塢起重設備的配置方案提供一定借鑒。