坐底風電安裝船600 t吊機吊重試驗與有限元分析應用

黃俊宏

(上海華景智云海洋科技有限公司，上海 201306)

我國提出2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和的目標。為響應國家能源戰略思想，我公司采購了一條無動力半潛駁船，改造成一艘無動力坐底風電安裝船，該船坐底深度最大可達25 m。改造后，船上增加1臺600 t全回轉海工吊，可以安裝3～12 MW風機[1]。根據中國船級社《船舶與海上設施起重設備規范》(以下簡稱《規范》)要求，加裝的吊機需要在船上做100%負荷全回轉試驗和110%負荷靜態試驗[2]。該船應滿足坐底工況下進行試驗，但由于改造工期非常緊、船廠附近碼頭資源和地質條件有限，無法等全船改造全部完成后再拉到試驗海域進行坐底試驗。因此，選擇在塢內坐塢墩進行吊重試驗。

1 坐底安裝船概況

“藍鯨魚”船原是一艘5 000 t無動力半潛駁船，由主船體和4個塔樓組成，主要承運重型鋼結構，沿海航行。改造前，船長60 m，型寬38.0 m，型深4.8 m，塔樓頂甲板高度24.5 m。改造后，船長60 m，型寬45.2 m，型深4.8 m，塔樓頂甲板高度32.0 m，艏部中間安裝1臺600 t全回轉吊機，改造后船體側視示意圖見圖1[3]。

圖1 改造后船體側視示意圖

該船吊機主要由吊機基座、回轉臺、A架、臂架以及其他附件組成。吊機基座高25 m，直徑7.87 m；A架高33 m；吊臂長114.5 m；轉臺長18 m，寬14.4 m，高11 m。吊機主鉤跨距29 m時起重能力600 t，甲板以上吊高132 m，副鉤起重能力120 t[4]。

2 船塢內坐墩試驗方案及有限元分析

為了在吊重試驗時船體結構有足夠強度的支撐，需要對塢墩進行合理的布置，由于吊機位于船首，整個船首質量會比較大，艏部塢墩布置密集一些。由于船底不是均勻受力，為避免產生局部破壞，需對底部的局部強度進行有限元分析。

結合該船全回轉吊機吊重試驗的特點和性能要求，確定典型計算工況，用有限元方法對吊機底座結構進行局部強度計算，主要校核屈曲強度。雖然吊機底座在FR84～FR98范圍，為安全起見，本次對整船建立有限元模型。

1)計算典型工況。4種起吊作業工況分別為0°、180°、270°、330°時的起吊作業，起吊質量為600 t，考慮1.1的系數。這4種起吊作業工況對船體的作用力和力矩各不相同，其中0°起吊作業力矩最大、船體結構最危險。

2)有限元軟件介紹。該項目中選用SESAM作為有限元分析的工具。該軟件包含模塊如下： ①GeniE(建立有限元模型)； ②SESTRA(求解器)； ③XTRACT(后處理模塊)，對計算結果文件進行操作，合成、搜索靜態動態應力。

3)有限元模型。因為甲板以上的船員艙室和駕駛室對橫向強度的影響較小，所以在模型中忽略此部分，全船有限元計算模型示意圖見圖2，船板屈服強度為235 MPa。

圖2 全船有限元計算模型示意圖

(1)主要構件。包括船底板、主甲板、縱艙壁、橫艙壁、桁材、橫向強框架、縱骨等，它們在船體的整體結構中起到很重要的作用，影響整體變形和整體應力場的分布。在船體有限元計算模型中，必須按照真實情況進行模擬，以保證計算模型與真實結構的一致性，正確反映真實的船體結構。

(2)次要構件。這類構件只起到局部強度的作用，如連接節點處的肘板，肋板上附加的扶強材等，它們對結構的整體強度、變形和重力分布等影響不大，而且有限元軟件在計算時自動認為未經特殊處理的節點處焊接強度是足夠的，故這種構件在強度計算中作適當取舍，以減少計算量，對于忽略的構件也都是從偏于安全的角度來取舍。

4)約束和加載。坐標系定義：①取基線與艉垂線的交點為坐標原點；②X方向為船體的縱向，以船首方向為正；③Y方向為船體的橫向，以船體左舷為正；④Z方向為船體的垂向，以基線向上為正。按照布墩圖施加邊界條件，底甲板約束Z向的位移，其他約束全部放開，邊界條件示意圖見圖3。 在中縱艙壁和頂甲板相交的點，限制X方向位移，在FR60橫艙壁和頂甲板相交的點限制Y方向位移，以確保模型不發生剛體位移。

圖3 邊界條件示意圖

5)設計載荷為該船自身鋼結構質量(含吊機、設備、管系、電纜、上層建筑等)和吊鉤上600 t起吊貨物的質量。

6)設計衡準。強度校核所采用的標準參照《規范》中起重機底座設計要求( 許用等效應力 = 材料的最小屈服強度/安全系數)。在靜態工況、米塞斯應力、選用安全系數為1.43時，碳鋼許用等效應力為164 MPa。

7)計算結果。各起吊工況的屈服強度校核結果見表1。由表1可知，選取4種典型工況的等效應力都滿足衡準要求，其中270°起吊工況的等效應力最大。圖4、圖5分別是該工況下的塔樓等效應力云圖和主船體等效應力云圖。

表1 各起吊工況的屈服強度校核結果

圖4 270°起吊工況下，塔樓等效應力云圖

圖5 270°起吊工況下，主船體等效應力云圖

3 吊重試驗

1)試驗前準備。吊重試驗包括主吊機主鉤600 t全回轉負荷試驗、主鉤660 t靜態起吊試驗、120 t副鉤全回轉負荷試驗和靜態起吊試驗。試驗前，最后根據塢墩布置圖檢查塢墩布置情況。為了安全起見，安排在塢內放水至船體吃水1.2 m處、船底面積2 000 m2左右，此時船受到2 400 t浮力(船起浮吃水3 m)，這樣既能讓船有一定的浮力，又能保證船體不會離開塢墩，對塢墩和船體結構都有一定保護作用。

2)試驗工況。試驗時風速大約為3級，無浪無流。為保證試驗安全，清理和遣散試驗范圍內的設備和人員。

3)試驗過程。采用吊重水袋的方法進行試驗，首先把水袋加水至400 t，停止加水，觀察吊臂、吊機底座、塔樓與主船體連接處、吊機底座下主船體內的肋板和縱桁等結構有無異響和變形。靜置2 h后確認沒有異樣，繼續加水至600 t，靜置2 h，繼續觀察相關關鍵部位和構件，確認沒有異樣，開始起升、從0°(船首)開始回轉直到360°，以及下降、急停等各項船級社規定的試驗項目。整個試驗過程非常順利，所有關鍵部位結構沒有發生異樣，整個吊重試驗過程得到了驗船師的高度認可。

4 結束語

綜上所述，常規吊機吊重試驗都是在碼頭或者空曠水域進行，由于時間的緊迫性和硬件資源稀缺，首次嘗試在塢內塢墩上做此類試驗。為了試驗的安全，首先需要充分論證、分析試驗的方法和可行性；其次利用有限元直接計算對船體結構受力進行情況驗證，為本次試驗提供了數據支撐；最后，在試驗過程中，由于塢內沒有其他船，此有利條件下，在塢內放水對船體有一定的浮力支撐，降低了底部結構承受力。另外，根據試驗程序嚴密組織人員精準操控也是保證這次試驗成功的關鍵因素。

本次試驗完成后，該船未完成的工作可以在塢內繼續進行，大大縮短了項目改造周期，節省直接費用300萬元。該船提前一個半月交付，為公司多創造了3 000萬元的經濟效益。本次吊重試驗的成功經驗，也為其他同類項目提供了參考依據。