孫 劍,付 剛
(1.江蘇科技大學,江蘇 鎮(zhèn)江 212003;2.南通象嶼海洋裝備有限責任公司,江蘇 南通 226368)
船廠在船塢進行船舶建造時,多采用一艘半船串聯(lián)建造法:在整船出塢時,半船同時起浮,利用卷揚機牽引至整船位,船塢排水時進行二次定位,實現(xiàn)半船的移動。本方案所在浙江某船臺長400 m(有效長度380 m),所建造的64 000載重噸散貨船長199.9 m,船長僅為船臺長度的一半左右。因吊車能力有限,總組重量受限,總組所能提高的搭載效率微乎其微,如果將總組場地直接改為半船建造場地,該船臺的年產(chǎn)量將大幅提高。但要實現(xiàn)這一目標,需解決的關(guān)鍵問題就是在船臺上如何實現(xiàn)半船平移。
氣囊在20世紀80年代開始應用于船舶下水,具有使用靈活方便、壓力均衡分布、對場地適應性高、綜合經(jīng)濟效益好等優(yōu)點。氣囊能夠搬運整船下水,因而在采取一定保障措施的前提下,也能夠進行半船的搬運[1-2]。與氣囊整船下水相比,整船為重力式下水,下水過程有加速度,而半船平移需平穩(wěn),對移動精度要求高。本文以浙江某船臺上建造的64 000載重噸散貨船的半船平移實際工程為依托,詳細介紹高壓氣囊進行半船平移的設計思路、工藝流程和施工過程中的關(guān)鍵技術(shù),包括氣囊選型、參數(shù)確認等,為高壓氣囊搬運技術(shù)拓展了新的領域,也為其他類似工程提供了參考。
船臺長400 m(吊車內(nèi)有效長度為380 m),寬38 m。該平臺傾斜比率分三段:第一段閘口到120 m范圍為1.2∶100,第二段250 m范圍為0.424∶100,剩下一段無傾斜(0∶100),具體如圖1如示。
圖1 船臺參數(shù)(單位:m)
64 000載重噸散貨船長199.9 m,寬32.26 m;所需移動的半船長178.8 m,寬32.26 m,底部平面寬度28.46 m,自重38 658.354 kN。半船模型及橫剖面見圖2。
圖2 64 000載重噸散貨船半船模型及橫剖面(單位:m)
在整船下水前,半船與整船布置見圖3。圖中:BG01為待下水的整船,BG02為整船下水后根據(jù)本方案需平移的半船。半船移動距離為205 m。
氣囊囊體骨架材料為錦綸簾子布,囊嘴為鋁合金鑄體。氣囊結(jié)構(gòu)見圖4[3]。
圖3 半船與整船布置(單位:m)
D—氣囊初始直徑;Le—囊體承載面長度;L—氣囊長度
氣囊的類別有QP3、QP4、QP5、QG6、QG7等,對應中壓氣囊、高壓氣囊、超高壓氣囊三類。目前常用的氣囊規(guī)格及性能見表1[3]。
表1 常用的氣囊規(guī)格及性能
高壓氣囊搬運重物的原理是在需要平移的重物底部放置若干個行走氣囊,氣囊充氣后將重物頂升托起,通過牽引設備拖拽重物,氣囊隨之滾動,從而實現(xiàn)搬運大型物件的目標。在平移過程中,氣囊形狀與地面形狀、上部物件的底面形狀、底面尺寸、氣囊自身長度及布置方式等因素有關(guān)。一般情況下,當物件底面與地面平行時,氣囊的橫截面呈扁圓形,氣囊承載面寬度B與氣囊初始直徑D和氣囊工作高度H有關(guān)。氣囊受壓變形后,其截面可看作由直徑為H的2個半圓和長、寬分別為B、H的方形組成,見圖5[4]。
考慮到安全性和經(jīng)濟性,本方案選擇初始直徑D為1.5 m的高壓氣囊(QG6型)。
圖5 氣囊搬運物件示意圖
氣囊工作高度過高及過低均不利于半船的搬運。氣囊工作高度H的計算公式為:
H=D(1-Ψ)
(1)
式中:H為氣囊工作高度,m;Ψ為氣囊壓縮變形率。
船臺上半船墩木高度為0.8 m,這就要求氣囊工作高度必須大于0.8 m,且本項目牽引力受限,工作高度需相對取高。綜合考慮后,本方案選擇H為0.9 m,此時D為1.5 m,Ψ為40%。根據(jù)表1可知,此條件下QG6型氣囊承載力P為49 kN/m。
氣囊長度L可通過氣囊的初始直徑D和承載面長度Le計算得出,其中氣囊的承載面長度Le與半船的重量及外底板尺寸有關(guān)。氣囊長度L的計算公式為:
L=Le+2×0.886D
(2)
式中:L為氣囊長度,m;Le為氣囊承載面長度,m。
綜合成本及半船實際,本方案分三區(qū)域布置:機艙艉部因?qū)挾刃∮?0 m,布置單排20 m氣囊;貨艙艉部因負荷較為集中布置單排26 m氣囊;貨艙平底區(qū)域?qū)挾瘸^26 m,布置雙排20 m氣囊。由式(2)可知,初始直徑D為1.5 m的20、26 m氣囊承載面長度Le分別為17.402、23.402 m。
承載面積的計算公式為:
S=BLe=π(D-H)Le/2
(3)
單根氣囊的承載力計算公式為:
F=SP=π(D-H)LeP/2
(4)
式中:B為承載面寬度,m。
由式(4)可知,初始直徑1.5 m的20、26 m氣囊在H為0.9 m時承載力F分別為1 607、2 161 kN。
氣囊個數(shù)N的計算公式為:
(5)
式中:κ為安全系數(shù),κ一般取1.3~1.5,為確保安全,κ取1.5;G為半船的重量,kN。
根據(jù)式(5)可得出,本方案至少需要20 m氣囊36只或26 m氣囊26只。
在實際施工過程中,氣囊間需要保持一定的距離。初始直徑D=1.5 m的氣囊,其中心距A、凈距Z需滿足:2.763 m≤A≤4.500 m,Z≥0.15 m。
根據(jù)前述計算結(jié)果,采用高壓氣囊平行布置于半船底部。三區(qū)域具體布置見圖6。
圖6 半船氣囊布置圖(單位:m)
根據(jù)前述公式,當H為0.9 m和1.05 m時的氣囊具體參數(shù)及承載力分別見表2、表3。
表2 H為0.9 m時氣囊具體參數(shù)及承載力
表3 H為1.05 m時氣囊具體參數(shù)及承載力
從表2、表3可知,當工作高度為0.9 m時,此時49只氣囊總承載力為82 636 kN,安全系數(shù)為總承載力/半船自重=2.13>1.5;當工作高度為1.05 m時,此時49只氣囊總承載力為39 210 kN,安全系數(shù)為總承載力/半船自重=1.01<1.5。考慮到艏艉各有幾只氣囊承載面長度超出半船,這個布置還是比較適中的。實際平移過程中,氣囊的變形率ψ的范圍為30%≤ψ≤40%。
正拉牽引力T計算簡圖見圖7。
正拉牽引力T計算公式為:
T=κ2(fGcosα-Gsinα)
(6)
式中:κ2為安全系數(shù),κ2一般取1.2~1.3;f為氣囊與地面的滾動摩擦系數(shù),與地面平面度及氣囊的壓縮率ψ有關(guān),一般摩擦系數(shù)f取0.01~0.05,30%≤ψ≤40%情況下摩擦系數(shù)f取0.025;α為船臺斜傾角度,主要牽引區(qū)250 m范圍斜度為0.424∶100,此時α為0.243°。
圖7 正拉牽引力計算簡圖
安全系數(shù)κ2取1.3時,根據(jù)式(6)可得出正拉牽引力T為1 044 kN。
牽引系統(tǒng)包括正拉牽引以及防溜尾牽引。為滿足總平移牽引力1 044 kN要求,選用2臺400 kN卷揚機配2倍滑輪組在半船艉部做正拉牽引,此時總正向牽引力為1 600 kN;同時艏部布置2臺400 kN卷揚機做防溜尾牽引,單臺受力均在400 kN以內(nèi)。半船牽引系統(tǒng)具體布置見圖8[5]。
圖8 半船牽引系統(tǒng)布置圖
(1)對半船的外板區(qū)域進行檢查,去除任何可能對氣囊造成損傷的尖銳物及油污。
(2)對船臺的半船現(xiàn)有位置及到達目的地之間的整個移動區(qū)域進行全面清理。清除地面上的所有垃圾以及油污。
(3)根據(jù)半船目的地位置及塢墩布置圖,將塢墩位置劃方框線,以確保在半船到位時能夠快速地將塢墩放置到位。
(4)在船臺兩側(cè),根據(jù)船舶的位置,在船臺地面上劃出船舶中心線的平行線,同時將船舶目的地位置劃出肋檢線,確保半船移動到指定位置。
(5)船舶上的吊碼通過鋼絲繩將滑輪組與牽引裝置有效連接,并確認張緊,見圖8。
(6)根據(jù)氣囊布置圖,將氣囊放置到位,并確保與船體中心線垂直。
(1)對氣囊進行充氣。第一次充氣約70 kPa,順序從艉向艏;檢查氣囊是否完好。
(2)繼續(xù)對氣囊進行充氣,同時檢查氣囊壓力,確保鄰近氣囊的壓力差不超過10 kPa。同樣采用從艉向艏的順序。
(3)通過氣囊壓力的不斷上升,船舶緩慢的被平行抬起,待整個半船完全脫離塢墩。
(1)將半船下塢墩逐步撤離。為確保安全,塢墩撤離按照先撤龍骨墩再撤邊墩順序。由內(nèi)而外,依次撤出。
(2)塢墩完全撤離后,重新對船臺地面和半船外板進行檢查,確保無尖銳物及油污。
(3)4臺全站儀根據(jù)船臺兩側(cè)劃出的船臺中心線的平行線位置,調(diào)整好水平,記錄半船的橫向位置數(shù)據(jù)。
(1)所有準備工作完成后,由專人指揮4臺牽引裝置的操作人員,對半船開始牽引。
(2)艉部的2套牽引裝置對船舶施加拉力,在鋼絲繩張緊后停止。
(3)艏部牽引裝置緩慢向外送繩,觀察船舶是否移動。如果船舶未移動,艉部的牽引裝置適當加力,直到船舶開始移動。
(4)在艏部牽引裝置的鋼絲繩逐步張緊過程中,牽引裝置適當?shù)叵蛲馑屠K。鋼絲繩在船舶緩慢移動過程中始終保持適度張緊,以控制船舶移動的速度,見圖9。
圖9 64 000載重噸散貨船半船移動示意圖
(5)在整個過程中,4臺全站儀觀察船舶左右位置的移動。如果出現(xiàn)向一側(cè)移動超過20 mm,必須通過調(diào)節(jié)4臺牽引裝置的力度來控制船舶的橫向位移,并及時糾偏。
(6)根據(jù)預先劃好的肋檢線,檢查半船是否到達指定位置。如果到達指定位置,同時半船左右位置偏差不超過50 mm,停止移動。
(1)根據(jù)塢墩布置圖與地面劃好的墩位標記,將所有塢墩安裝到位,并利用激光經(jīng)緯儀檢測每個塢墩的水平度,確保每個塢墩處于設計要求的高度。
(2)開始對氣囊進行放氣,按照從船艏向船艉的順序,但是盡量在同一時間打開放氣閥門。
(3)半船全部重量由塢墩承載后,利用全站儀和激光經(jīng)緯儀檢驗船舶的水平度和船體縱向昂勢是否符合設計要求。
(4)如果需要調(diào)整,則利用單個氣囊或液壓千斤頂進行局部調(diào)整,各個參數(shù)必須滿足公差要求。
(5)調(diào)整到位后,每個塢墩進行撞緊,確保塢墩均勻受力。
(6)撤出所有氣囊及其他工裝設備,移船結(jié)束。
本項目首次在大型船臺將氣囊平移技術(shù)成功地應用到半船平移中,對目前的氣囊平移技術(shù)進行了拓展應用。本文以實際工程為研究對象,對氣囊平移半船的設計、計算及施工關(guān)鍵工藝進行了研究分析,得出如下結(jié)論:
(1)在大型船臺采用氣囊進行半船平移技術(shù)是一次開創(chuàng)性的突破,是一項技術(shù)先進、經(jīng)濟實用的工程技術(shù),具有較高的經(jīng)濟效益及社會效益。
(2)氣囊平移設備投入簡單,可到專業(yè)生產(chǎn)廠家訂購,并可根據(jù)實際需要進行訂制。氣囊可以修補,使用壽命長,能耗較低,操作簡便,安全可靠。
(3)此技術(shù)解決了非重力式下水船臺的船廠船臺利用不足的問題,提高利用率的同時提高了船廠的生產(chǎn)效率,同時可推廣應用至其他大型結(jié)構(gòu)物的搬運。