薄壁圓筒結構特性及吊裝方法

鄭素青， 林文平， 許周喆

(青島北海船舶重工有限責任公司，山東 青島 266520)

0 引 言

在船舶與海洋工程結構上，越來越多地采用橫截面為圓管形的結構設計，如干艙中的支柱、船舶艏部的錨鏈艙、海工FPSO單點艙采用圓筒結構。

在公司承接的某FPSO工程項目上，艏部轉塔區域的單點艙采用圓筒結構設計，其圓筒直徑為18.5 m，筒壁在最薄處的壁厚為20.0 mm，壁厚相對于直徑為一個小量，可認為其為薄壁圓筒結構。該結構為單點艙殼體結構，單點艙設備為廠商供貨產品，殼體結構為公司加工產品，由于機械設備操作和使用的要求，對圓筒殼體結構的建造精度要求較高。

國內船廠對工程結構的吊裝多采用吊點或吊排進行作業，對大型復雜結構多采用傳統吊排進行作業，這些傳統吊排多為一字形結構設計。在圓筒結構吊裝方案中，采用傳統吊排無法合理布置吊點，且吊點數目有限，容易導致圓筒結構在吊裝過程中發生變形，無法保證結構部件的合龍建造精度。

1 薄壁圓筒結構的定義及優點

1.1 薄壁圓筒結構的定義

在彈塑性力學中，板被認為是一種抗彎扭的結構單元。厚度很小的薄膜，其抗彎扭的能力很低，可認為其抗彎剛度等于零，而橫向外載荷由軸向力和中面剪力承擔。在板的厚度足夠大時，其內部任一點的應力狀態與三維物體類似，難以采用較多的簡化措施，因此厚板分析更為復雜。薄板具有中等厚度，可進行簡化，通常認為滿足如下條件[1]即可：

(1)

在公司的某FPSO項目中，單點艙所采用的圓筒直徑有2種規格：18.5 m和17.0 m，對應的典型板厚分別為20.0 mm和5.0 mm。通常在筒體壁厚與其外徑之比小于1∶20時，被認為是薄壁圓筒[2]。參照式(1)，計算可得該項目的2種圓筒均可被認為是薄板；由于其橫截面為圓管形，且筒形部件高度為2 550.0 mm，因此認定其為薄壁圓筒。

1.2 圓筒結構的優點

在工程實踐中，采用大圓筒結構時，具有如下優點：(1)結構主要受徑向力，所受彎曲應力較小，在各方向上受力均勻，受力條件較好；(2)工程造價低，結構用量省且材料在強度角度可得到充分利用；(3)便于工程回轉機械的安裝使用[3]。

由于其力學特性和幾何特性的優點，薄壁圓筒結構在機械產品中廣泛存在，在大型海工結構上得到較好的應用。

2 薄壁圓筒結構在理想狀態下的垂向模態

薄壁圓筒結構在徑向上的抗載荷能力和在圓筒方向的抗載荷能力差別較大，為最大限度地保證圓筒在吊裝作業時滿足建造精度要求，針對圓筒在自由條件下圓筒方向上的典型模態進行分析。

圖1為薄壁圓筒結構的典型模態。圖1中，(a)、(d)、(f)、(h)為薄壁圓筒上下端面變形不在同一平面內的情況，(b)、(c)、(e)、(g)為薄壁圓筒上下端面變形相等。從布置吊點的角度出發，在吊點布置較少時可能出現模態1的變形情況，其為類似梁的變形，基本為2點吊裝情況，在實際工程實踐中為不可能出現的情況；在筒體豎直方向上布置夾持保型工裝時，根據吊點的不同，可能發生模態2、模態3、模態5和模態7的任一情況；在筒體豎直方向上不布置夾持保型工裝時，根據吊點的不同，可能發生模態4、模態6和模態8的任一情況。

圖1 薄壁圓筒結構的典型模態

3 不同吊裝方案下的筒體結構

為改善筒體結構在龍門吊吊裝作業下的結構變形，保證筒體疊加后的安裝精度，采用傳統一字型吊排，雖然其吊點數量較少，且在筒體圓周方向上分布不均勻，有可能造成局部變形增大，但用固保型工裝加固，有可能改善筒體變形以滿足精度要求[4]。根據第2節的研究結果，利用薄壁圓筒在徑向和豎直方向的抗彎曲能力不同，對吊點進行均分，可充分發揮圓筒在重力作用下徑向受力相等且相互抵消的特性，改善筒體變形。

針對上述條件和受力特性，吊裝方案的設計主要從2個角度出發：一是采用傳統吊排進行吊點布置，在必要情況下進行加強；二是利用圓筒結構的固有特性，均勻布置工裝吊點。在FPSO工程項目中，選取直徑D為18.5 m、板厚t為20.0 mm、高度H為2 550.0 mm的圓筒作為研究對象。

3.1 采用傳統吊排布置吊點的方案

根據已有工裝，設計不同吊裝方案并進行分析。

方案1：利用船廠已有的龍門吊3個吊排，在薄壁圓筒結構圓周3個位置上各布置2個吊點，考慮在結構自身重力作用下的薄壁筒體結構應力和變形響應，如圖2所示。

圖2 薄壁圓筒結構吊點布置方案1

圖3為重力作用下的薄壁筒體結構應力和變形結果。

圖3 薄壁圓筒結構吊點布置方案1計算結果

方案2：在方案1的基礎上，增加6個吊點，考慮在結構自身重力作用下的薄壁筒體結構應力和變形響應，如圖4所示。

圖4 薄壁圓筒結構吊點布置方案2

圖5為重力作用下的薄壁筒體結構應力和變形結果。

圖5 薄壁圓筒結構吊點布置方案2計算結果

方案3：在方案2的基礎上，增加上下2層保型工裝，考慮在結構自身重力作用下的薄壁筒體結構應力和變形響應，如圖6所示。

圖6 薄壁圓筒結構吊點布置方案3

圖7為重力作用下的薄壁筒體結構應力和變形結果。

圖7 薄壁圓筒結構吊點布置方案3計算結果

方案1～方案3計算結果匯總如表1所示。

由表1可看出：(1)筒壁豎直方向上的抗剪面積導致剪切應力普遍較小，影響方案優劣的主要因素為von Mises等效應力和筒體本身的變形；(2)對比方案1和方案2，使用傳統吊排在圓周上布置不均勻的吊點會造成局部應力大幅增大，在吊點間距較大的位置產生較大變形；(3)對比方案2和方案3，增加內部保型工裝會造成整體重量增大，在相對較大直徑的圓筒內產生豎直向下的彎矩，導致應力增加。

3.2 考慮多點均勻布置吊點的方案

根據第3.1節計算結果對比，多點均勻布置吊點的方案相對有利，因此采用在圓周上均勻布置12個吊點和16個吊點的方案(見圖8)進行分析計算。

圖8 多點均勻布置吊點的方案

圖9為重力作用下的薄壁筒體結構12點均勻布置吊點工況應力和變形結果。圖10為重力作用下的薄壁筒體結構16點均勻布置吊點工況應力和變形結果。

圖9 薄壁筒體結構12點均勻布置吊點工況計算結果

圖10 薄壁筒體結構16點均勻布置吊點工況計算結果

薄壁筒體結構12點和16點均勻布置吊點工況計算結果匯總如表2所示。

表2 12點和16點均勻布置吊點工況計算結果匯總

由表2可看出：在圓筒周邊均勻布置的吊點越多，其應力和變形越小，越能滿足結構精度要求。

3.3 吊點布置方案的確定

采用已有的傳統一字型吊排工裝，在圓筒周長上布置不等間距吊點會導致在圓周范圍內受力不均，間距大的圓弧處應力和變形會急劇增大，變形計算結果表明其不滿足建造精度要求。在圓筒內部增加工裝在一定程度上可減少應力和變形，但內部工裝會增加豎直方向的重量，對應力和變形形成額外增量。

在圓周方向上均勻布置多個等間距吊耳可大幅降低應力和變形，其變形狀態趨近于第2節自由狀態下的模態，應力值和變形值較小，滿足工程高精度使用要求。

在FPSO工程中，鑒于單點艙廠家對薄壁圓筒建造精度提出的嚴格要求，確定選取在圓筒周長上16點均勻布置吊點的設計方案。

4 吊點方案下的新型工裝設計

16點均勻布置吊點的設計方案需要進行相應的新型工裝設計。針對工程項目有2種直徑的圓筒，設計的吊裝工裝應同時滿足2種規格的使用要求，吊點處的受力方向保持豎直方向，這樣可最大限度減少筒體的變形影響，因此需要在新型工裝上設計2圈吊點，如圖11所示。在內圈布置16個吊點供直徑為17.0 m的圓筒吊裝使用，在輻射向外的外圈布置16個吊點供直徑為18.5 m的圓筒吊裝使用，這樣可滿足1個工裝完成1個項目的要求，最大限度節約建造成本。

圖11 新型工裝三維線框方案

為確定新型工裝中心圓的高度H對整個工裝設計的影響，結合實際吊裝作業情況，對高度H分別為2.0 m、2.5 m、3.0 m的應力進行估算，應力結果如圖12所示。圖12的計算結果匯總如表3所示。

圖12 不同高度下的新型工裝計算結果

表3 不同高度下的新型工裝計算結果匯總

由表3可看出：隨著高度H的增加，新型工裝的重量呈等差數列遞增，但從2.5 m到3.0 m，其應力降幅并不明顯，從重量/應力角度出發，建議新型工裝的高度設置為2.5 m。這一高度得到實際項目的采納。

5 結 論

以海洋工程常見的圓筒結構為基礎，立足于船廠的建造精度要求，對圓筒的結構特性進行分析，研究符合結構特性的吊點布置方案和工裝設計方案，并在公司某FPSO工程項目中取得成功。圓筒結構吊裝后的垂直度控制在3.0 mm內，不圓度控制在8.0 mm內，有效保證后續結構的安裝精度和單點艙設備的使用。結論如下：

(1)薄壁圓筒的吊裝作業易造成筒體結構變形，在對筒體結構安裝精度要求較高的工程中，應立足于其結構固有特性制訂方案。

(2)在薄壁圓筒周長上均勻布置吊點相對于不等間距布置吊點，可大幅降低筒體結構應力和變形。

(3)在薄壁圓筒周長上布置等間距吊點，應力值和變形值隨吊點數量的增加而減小。

(4)新型工裝根據施工條件應考慮工裝中心高度和整體重量的函數關系，通過對比建立函數關系趨勢分析，可確定工程方案使用的最佳高度。