強受力甲板機械環氧墊塊實際應用

陸少杰， 徐忠輝， 黃曌宇

(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

0 引 言

隨著工程船使用海域由近海進入深海，工程設備的工況越來越惡劣，負載隨之提高，因此設備越來越龐大。設備變大導致底腳安裝用的墊塊面積和重量隨之增大。但船用設備安裝均須遵循嚴格的安裝精度，導致傳統的鋼墊片需要大量的機加工和現場打磨以實現調平。越來越多的項目開始考慮采用環氧樹脂墊塊。環氧樹脂墊塊具備良好的隔熱、抗沖擊、抗壓縮、耐腐蝕、離火自熄等特性[1]。但在實際運用中船級社對環氧強度計算要求較高，采用的許用值保有較大的安全因數，表1為某品牌環氧樹脂計算許用值與實驗室值對比[2]。

表1 某品牌環氧樹脂計算許用值與實驗室值對比

環氧墊塊的使用并非簡單的采購及現場澆注即可輕易獲得立竿見影的鋼墊塊等效作用，其在澆注前仍留有一系列的工程設計工作。結合某鋪管船上的重型600 t棄置與回收(Abandonment and Recovery， A&R)絞車的環氧應用實例進行強受力甲板機械環氧墊塊的應用分析。

1 600 t A&R絞車環氧墊塊應用背景

A&R作業核心設備A&R絞車主要用于鋪管船在鋪管施工過程中海洋石油管道的棄置與回收，即在正常鋪設海管的開始與結束階段，遇到惡劣天氣不允許作業階段，或在卷鋪設海管過程中，一個卷軸上的海管鋪設完畢，需要更換新的帶線卷軸等特殊情況下，將海管棄置于海底停止運作，其工作拉力隨著鋪管船作業海域不斷步入深海而越來越大。某鋪管船項目應用大拉力600 t A&R絞車，其安裝的基座平面對精度要求高、對厚度要求大，因此相對于傳統的鋼墊塊，采用環氧墊塊在工藝性和重量上兼具優勢。

絞車質量為240 t；依據絞車廠家要求，安裝用M48規格的緊固件在安裝時須預加430 kN的預緊力；在實際使用中，應考慮鋼絲繩纏繞卷筒的附加重量作用。對于這樣的核心系統重載設備，在環氧墊塊應用前須對其強度進行有效的計算校核。

2 環氧墊塊強度計算

依據《船用機座環氧澆注墊片》[3]的要求，須對安裝用設備確認如下數據信息：(1)設備底腳面積；(2)設備安裝緊固件選定的預緊力；(3)設備重量及在工作中是否帶有其他附加重量。墊塊澆注厚度不需要進行強度計算，但通常為15～70 mm，一般為25～45 mm(超過50 mm可分層澆注)。環氧強度計算須符合如下設計參數要求：(1)靜壓應力≤許用靜壓應力(0.70 N/mm2)；(2)總壓應力≤許用總壓應力(5.00 N/mm2，80 ℃以下)。環氧強度計算公式如下：

(1)

式中：P0為靜壓應力，N/mm2；W為設備總計算重量，N；A為墊塊總有效面積，mm2。

(2)

式中：Pt為總壓應力，N/mm2；T為螺栓總緊固力，N。

T=Tnn1

(3)

式中：Tn為單個螺栓緊固力，設備廠家給出，N；n1為螺栓總數，個。

3 環氧強度計算實例

以某深水鋪管船上的大拉力600 t A&R絞車為例，計算甲板機械環氧墊塊強度。

3.1 A&R設備及其底腳信息

A&R設備及其底腳信息如圖1和圖2所示。

圖1 A&R絞車設備俯視圖

根據設備廠商提供的A&R絞車圖，電機側緊固件僅為M24規格，用于安裝重量較輕的6臺電機，但卷筒側不僅配備具有更大受力的M42規格緊固件用于安裝作為設備核心的卷筒，而且增加鋼絲繩纏繞的附加重量。由此可知：若環氧強度計算將設備卷筒側與電機側同時考慮，則計算并不可靠，而應將卷筒側與電機側分別進行環氧強度計算。在實際項目中，類似情況較為多見，是經常易被忽視的計算漏洞，其后果是增加輕載區域的受載面積導致計算結果偏小，但在實際應用時重載區域無法滿足環氧強度而導致現場環氧墊塊出現開裂。

3.2 電機側環氧強度計算

根據廠家設備資料，設備質量為600 00 kg，無其他附加重量，按10 N/kg計，設備總計算重量W=600 000 N；安裝螺栓規格為M24，直徑為34 mm，數量為56個，預緊力為130 000 N；調平頂升螺栓規格為M24，直徑為34 mm，數量為14個；電機側共7塊300 mm×950 mm的底腳。由上述已知條件，可進行靜壓應力P0與總壓應力Pt的計算(π按3.14計)。

由式(1)可得：

(4)

由式(4)可知：P0符合≤許用靜壓應力[P0](0.70 N/mm2)的要求。

由式(2)和式(3)可得：

(5)

式中：螺栓總緊固力按56個安裝螺栓計；14個調平頂升螺栓僅用于調平，設備安裝完成其載荷被釋放，因此不納入計算。

由式(5)可知：Pt符合≤許用總壓應力[Pt](5.00 N/mm2，80 ℃以下)的要求。

3.3 卷筒側環氧強度計算

根據廠家設備資料，設備質量為180 000 kg，絞車在實際工作中會纏繞5圈鋼絲繩，該附加質量為1 374.85 kg，按10 N/kg計，設備總計算重量W=1 813 748.5 N；安裝螺栓規格為M42，直徑為52 mm，數量為48個，預緊力為430 000 N；調平頂升螺栓規格為M42，數量為12個；卷筒側共6塊378 mm×1 220 mm及4塊130 mm×1 325 mm的底腳。由上述已知條件，可進行靜壓應力P0與總壓應力Pt的計算(π按3.14計)。

由式(1)可得：

(6)

由式(6)可知：P0符合≤許用靜壓應力[P0](0.70 N/mm2)的要求。

由式(2)和式(3)可得：

=6.75 N/mm2

(7)

式中：螺栓總緊固力按48個安裝螺栓計；12個調平頂升螺栓僅用于調平，設備安裝完成其載荷被釋放，因此不納入計算。

由式(7)可知：Pt不符合≤許用總壓應力[Pt](5.00 N/mm2，80 ℃以下)的要求。

3.4 小 結

A&R絞車電機側符合許用值要求；卷筒側重力作用符合許用值要求，但螺栓預緊力過大導致計算不符合許用值要求。

計算結果證明，在設備環氧強度計算中直接將設備整體進行重量及預緊力合并計算未必符合實際，大型設備須根據重量和工況分布進行分析，在必要時應進行適當的單個設備分區域環氧強度計算。

4 環氧強度初步計算后的優化處理

4.1 優化方法選擇

由第3節實例可知：A&R絞車卷筒側存在不符合環氧強度計算要求的情況。根據已知信息，在環氧強度初步計算后有3種優化方法，如表2所示。

表2 環氧強度初步計算后的優化方法

在第3節A&R絞車環氧應用實例中，受制于送審船級社要求以5.00 N/mm2(80 ℃以下)為許用計算值及設備已到貨，不具備底腳面積再擴大的現實條件，因此采用第3種方法——調整緊固件預緊力。

4.2 螺栓預緊力調整

根據已知環氧強度計算許用值[Pt]、有效作用面積A、螺栓數量n2及已鎖定的靜壓應力P0進行單個螺栓最大預緊力Tn的倒推求解，即

(8)

根據設備受載情況分析設備安裝用螺栓組連接受力形式，并進行最小預緊力計算比對。

圖3為A&R絞車外力作用分析。鋼絲繩產生的水平拉力由設備安裝的抗剪塊抵消，絞車通過緊固件傳導至環氧和基座僅有拉力T產生傾覆力矩M和設備及附屬件的重力G。作用在絞車底座上的螺栓組連接應歸類于“受傾覆力矩的螺栓組連接”。

圖3 A&R絞車外力作用分析

由機械手冊可知：“受傾覆力矩的螺栓組連接”最小連接面壓應力σpmin[5]的要求為

(9)

式中：F0為最小預緊力；Ae為接合面的有效面積，等同墊塊總有效面積，Ae=3 328 601.6 mm2；M為鋼絲繩拉力T作用的傾覆力矩，即M=Th，h為鋼絲繩拉力T至傾覆面的距離，h=1 120 mm，因此M=600 000 N×1 120 mm=6.72×109N·mm；W′為接合面的有效抗彎截面模量，根據圖3可求得實際卷筒側有效區域關于重心對稱軸上的抗彎截面模量為5.8×109mm3。

由式(9)可得最小預緊力為

(10)

由式(10)可知：在滿足外載荷作用下，實際最小預緊力不得低于80.35 kN；由式(8)可知：為滿足環氧強度計算許用值[Pt]，最大螺栓預緊力不得大于309.28 kN。根據上述計算分析，在實際項目中A&R絞車采用305.00 kN作為安裝M48規格螺栓的預緊力，并未發生設備異常晃動或與底座分離等不良現象，并在實際澆注后環氧在多次使用中未發現開裂現象。

5 結 語

通過理論及實例計算證明，強受力甲板機械環氧墊塊在強度計算中遇到不符合許用值要求時可進行的優化方法，并舉例說明在優化方法中較為繁瑣的安裝緊固件預緊力調整方法。在實際設備使用中若先期確定應用環氧墊塊，應在設備設計或設備廠商提供認可圖階段提前做好環氧強度計算，此舉不僅可調整緊固件預緊力，而且可考慮調整向船級社報驗的計算書中的環氧強度計算許用值或增大設備的底腳面積，這樣可減少后期3種優化方法均無法符合許用值要求而導致重換鋼墊片的風險。