船舶軸系和舵系安裝過(guò)程受力分析與安全控制

葉 濤

（舟山中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，浙江舟山 316131）

0 引言

目前針對(duì)船舶軸系和舵系安裝過(guò)程安全控制的相關(guān)研究較少，現(xiàn)場(chǎng)施工缺少相關(guān)參照。本文基于3 600 TEU集裝箱和152 000載重噸穿梭油輪項(xiàng)目，對(duì)軸系和舵系施工中的尾管密性、吊裝及壓裝等 3個(gè)關(guān)鍵階段的受力情況進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的管控措施，以確保施工過(guò)程安全、規(guī)范、可控。

1 艉管壓力試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概況

艉管壓力試驗(yàn)包括艉管內(nèi)部小油管密性試驗(yàn)和艉管本體密性試驗(yàn)。在進(jìn)行艉管內(nèi)部小油管密性試驗(yàn)時(shí)，需要嚴(yán)格按照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作壓力和試驗(yàn)壓力進(jìn)行試驗(yàn)，通常情況下安全風(fēng)險(xiǎn)可控。進(jìn)行艉管本體密性試驗(yàn)前，需要核對(duì)制造廠家的原始設(shè)計(jì)工藝。特別需要注意的是組裝式艉管，其艉管本體與法蘭采用螺栓連接的方式組裝在一起。由于艉管的橫截面積較大，試驗(yàn)壓強(qiáng)稍微超出理論值即會(huì)對(duì)螺栓產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力與螺栓連接緊固時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力之和一旦大于螺栓自身的屈服強(qiáng)度，螺栓就會(huì)斷裂。部分生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)階段未對(duì)螺栓連接強(qiáng)度進(jìn)行校核，部分技術(shù)人員缺少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)艉管試驗(yàn)壓力標(biāo)準(zhǔn)的選擇不合理，這些因素容易造成螺栓斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致安全事故。船廠在進(jìn)行艉管壓力試驗(yàn)時(shí)，需要嚴(yán)格進(jìn)行安全管控。

1.2 艉管壓力試驗(yàn)強(qiáng)度校核

在進(jìn)行艉管壓力試驗(yàn)前，需要辨識(shí)組裝式艉管的薄弱點(diǎn)，并進(jìn)行強(qiáng)度校核。通常情況下，組裝式艉管的連接螺栓處強(qiáng)度最弱。連接螺栓強(qiáng)度校核公式為

式（1）和式（2）中：為氣體對(duì)螺栓的作用力；為氣體的壓強(qiáng)；為密封板的受力面積；為預(yù)緊力；為扭矩；為系數(shù)；為螺栓直徑。

連接螺栓受到的實(shí)際拉應(yīng)力為

式中：為連接螺栓的數(shù)量；為螺栓螺紋的小徑。

保守起見(jiàn)，螺栓強(qiáng)度應(yīng)滿足下式

式中：為安全系數(shù)，取1.5；為螺栓的許用屈服強(qiáng)度，通常情況下，4.8級(jí)螺栓的屈服強(qiáng)度為320 MPa、8.8級(jí)螺栓的屈服強(qiáng)度為640 MPa、10.9級(jí)螺栓的屈服強(qiáng)度為 900 MPa、12.9級(jí)螺栓的屈服強(qiáng)度為1 080 MPa。

1.3 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)安全控制

加強(qiáng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的安全控制至關(guān)重要，需要特別注意以下2點(diǎn)：

1）嚴(yán)格規(guī)范試驗(yàn)過(guò)程各個(gè)工序

在對(duì)組裝式艉管緊固螺栓時(shí)，要嚴(yán)格按照預(yù)緊力的要求進(jìn)行操作，既不能松弛也不能過(guò)緊。試驗(yàn)過(guò)程中要嚴(yán)格控制試驗(yàn)壓力，以免造成超壓事故。

2）制訂切實(shí)有效的應(yīng)急處置措施

在進(jìn)行艉管壓力試驗(yàn)之前，在安裝壓力表對(duì)試驗(yàn)壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，增設(shè)一根透明的U型塑料軟管以起到超壓卸載的功能。當(dāng)試驗(yàn)壓力超出工藝設(shè)定壓力時(shí)，試驗(yàn)介質(zhì)會(huì)突破水柱，溢流泄壓。

2 船舶軸系和舵系吊裝

目前大型船廠常使用液壓小車對(duì)槳葉和舵葉進(jìn)行吊裝，部分中小型船廠使用電動(dòng)葫蘆進(jìn)行吊裝工作。

2.1 舵葉吊裝

舵葉吊裝通常采取以下兩種方式：1）將舵葉翻身后放置在液壓小車上，平移、抬升液壓小車進(jìn)行安裝工作，該方法相對(duì)簡(jiǎn)潔、高效、安全；2）協(xié)同使用門機(jī)和電動(dòng)葫蘆進(jìn)行倒運(yùn)安裝。該安裝方式斜拉跨度大、懸吊平移距離遠(yuǎn)、需要交替倒運(yùn)電動(dòng)葫蘆、需要多人協(xié)同作業(yè)，在操作時(shí)存在電動(dòng)葫蘆懸掛及鉤掛難度大、葫蘆易損壞且損壞后無(wú)法下地修理等問(wèn)題，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高、效率低。

對(duì)于電動(dòng)葫蘆吊裝，部分日本船廠在舵葉后方增設(shè)2個(gè)吊耳，并用門機(jī)進(jìn)行起吊。在吊裝過(guò)程中，舵葉為傾斜狀態(tài)，需要在舵葉上段增設(shè)2個(gè)吊點(diǎn)掛設(shè)電動(dòng)葫蘆以便扶正舵葉。電動(dòng)葫蘆吊裝舵葉示意圖見(jiàn)圖1，1號(hào)吊點(diǎn)為中間吊點(diǎn)，其受力為

圖1 電動(dòng)葫蘆吊裝舵葉示意圖

式中：為舵葉重力；為1號(hào)吊點(diǎn)受力方向與垂線的夾角。

1號(hào)吊點(diǎn)處的吊索具承載能力要高于1.2。

通常情況下，2號(hào)吊點(diǎn)的受力最大值要小于 1號(hào)吊點(diǎn)。若其吊索具與1號(hào)吊點(diǎn)相同，則無(wú)須計(jì)算2號(hào)吊點(diǎn)的受力情況；若兩個(gè)吊點(diǎn)處吊索具不同，則需計(jì)算2號(hào)吊點(diǎn)的受力情況。2號(hào)吊點(diǎn)受力為

式中：為2號(hào)吊點(diǎn)受力方向與垂線的夾角。

2號(hào)吊點(diǎn)處的吊索具承載能力要高于1.2。

合理設(shè)置吊耳位置、減小斜拉角度是降低吊索具負(fù)荷的關(guān)鍵要素。在設(shè)置吊耳時(shí)，要考慮船體自身強(qiáng)度，通常設(shè)置在船體強(qiáng)結(jié)構(gòu)處。若沒(méi)有強(qiáng)結(jié)構(gòu)，需要在吊耳反面進(jìn)行加強(qiáng)處理。

2.2 槳葉吊裝

根據(jù)廠家設(shè)計(jì)的不同，槳葉翻身方式有如下 2種：1）在槳轂上設(shè)置吊環(huán)，利用吊環(huán)進(jìn)行吊運(yùn)翻身和安裝；2）未在槳轂上設(shè)置吊環(huán)，由船廠自行配置吊索具，捆綁槳葉并進(jìn)行吊運(yùn)翻身和安裝。通常采用2根吊帶分別懸掛翻身主鉤和副鉤。主鉤吊帶的許用載荷不得小于槳葉重力的1.2倍，副鉤吊帶的許用載荷不得小于槳葉重力的0.6倍。

在使用電動(dòng)葫蘆安裝槳葉之前，要認(rèn)真分析吊運(yùn)、安裝全過(guò)程的受力情況。在布設(shè)吊點(diǎn)時(shí)，要嚴(yán)格遵循“受力均勻、施工便捷、安全冗余”的原則，并選擇適當(dāng)?shù)牡踹\(yùn)角度。吊點(diǎn)布設(shè)完成后，選擇合適的吊索具并進(jìn)行保養(yǎng)處理。

2.3 艉軸吊裝

對(duì)于單根質(zhì)量在100 t以上的大型超重艉軸，不便于使用電動(dòng)葫蘆吊運(yùn)安裝，一般采用軌道滑移的方式進(jìn)行安裝。下面以某152 000載重噸穿梭油輪為例，對(duì)其艉軸吊裝要點(diǎn)進(jìn)行介紹。

穿梭油輪艉軸示意圖見(jiàn)圖2，總長(zhǎng)為11 538 mm，總質(zhì)量為47 t，槳轂重22 t。

圖2 穿梭油輪艉軸示意圖（單位：mm）

艉軸尾部的吊點(diǎn)設(shè)置在槳轂中心，在起吊時(shí)為均衡受力，將艉軸首部吊點(diǎn)設(shè)置在質(zhì)心前方1 m處。為保證艉軸在起吊后保持水平狀態(tài)，2個(gè)吊點(diǎn)的鋼絲繩長(zhǎng)度不能等長(zhǎng)。如圖3所示，以質(zhì)心為基點(diǎn)，垂直于軸心線引一條直線。尾部吊點(diǎn)鋼絲繩長(zhǎng)度為8 m，以尾部吊點(diǎn)為圓心，8 m為半徑作圓弧，圓弧與上述直線的交點(diǎn)即為吊鉤中心點(diǎn)。吊鉤中心點(diǎn)與首部吊點(diǎn)連線長(zhǎng)度即為首部吊點(diǎn)鋼絲繩的長(zhǎng)度。如圖4所示，在進(jìn)行受力分析時(shí)，可將艉軸進(jìn)行均勻化處理，均勻化艉軸重力為，多余的重量可等效為一個(gè)集中力。

圖3 艉軸鋼絲繩配置示意圖（單位：mm）

圖4 艉軸受力示意圖（單位：mm）

圖4中A、B、C為吊點(diǎn)，AB=1 m，AC=3.375 m，=270 kN，=200 kN。C點(diǎn)吊繩與垂線的夾角為17°，A 點(diǎn)吊繩與垂線的夾角為 7°。由力矩平衡計(jì)算可知，A點(diǎn)吊索具理論承載力為145 kN，C點(diǎn)吊索具理論承載力為344 kN。因此，不規(guī)則零件在吊裝前要進(jìn)行受力分析與核算，不能簡(jiǎn)單按照規(guī)則物件吊裝慣例來(lái)配置吊索具。

3 施工安全

舵葉、舵桿、槳葉與艉軸的安裝均需要采用液壓輔助裝置。通過(guò)液壓軟管將液壓?jiǎn)卧投鏃U螺母或槳轂相連接，舵桿螺母或槳轂隨著液壓?jiǎn)卧獕毫Σ粩嗌叨饾u膨脹。現(xiàn)場(chǎng)施工需要注意以下4點(diǎn)：

1）合理選用液壓?jiǎn)卧獕毫Ρ淼牧砍蹋畲罅砍桃话闳」ぷ鲏毫Φ?.5～2.0倍，量程過(guò)小容易爆表，過(guò)大則不夠精準(zhǔn)。

2）所有高壓油管、接頭和閥件的許用壓力不得小于最大工作壓力的1.2倍。

3）放氣孔的螺紋需要保證完好無(wú)損，螺紋損傷會(huì)降低預(yù)緊力，壓裝過(guò)程中極易將悶堵彈出，故需在悶堵的前方設(shè)置警戒區(qū)。

4）高壓油管應(yīng)避免打折，打折損傷處極易爆管。

4 結(jié)論

船舶軸系和舵系施工風(fēng)險(xiǎn)高、難度大，一旦發(fā)生事故，后果非常嚴(yán)重，本文基于3 600 TEU集裝箱和152 000載重噸穿梭油輪項(xiàng)目，對(duì)軸系和舵系施工中的尾管密性、吊裝及壓裝等3個(gè)關(guān)鍵階段的受力情況進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的管控措施。研究表明：優(yōu)化施工工藝、重視關(guān)鍵受力環(huán)節(jié)的分析與管控、強(qiáng)化施工組織與管理等措施可有效提升船舶軸系和舵系現(xiàn)場(chǎng)施工的安全性。