陸少杰， 徐忠輝， 黃曌宇

(上海振華重工(集團(tuán))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(jìn)入深海，工程設(shè)備的工況越來(lái)越惡劣，負(fù)載隨之提高，因此設(shè)備越來(lái)越龐大。設(shè)備變大導(dǎo)致底腳安裝用的墊塊面積和重量隨之增大。但船用設(shè)備安裝均須遵循嚴(yán)格的安裝精度，導(dǎo)致傳統(tǒng)的鋼墊片需要大量的機(jī)加工和現(xiàn)場(chǎng)打磨以實(shí)現(xiàn)調(diào)平。越來(lái)越多的項(xiàng)目開始考慮采用環(huán)氧樹脂墊塊。環(huán)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(shí)際運(yùn)用中船級(jí)社對(duì)環(huán)氧強(qiáng)度計(jì)算要求較高，采用的許用值保有較大的安全因數(shù)，表1為某品牌環(huán)氧樹脂計(jì)算許用值與實(shí)驗(yàn)室值對(duì)比[2]。

表1 某品牌環(huán)氧樹脂計(jì)算許用值與實(shí)驗(yàn)室值對(duì)比

環(huán)氧墊塊的使用并非簡(jiǎn)單的采購(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)澆注即可輕易獲得立竿見(jiàn)影的鋼墊塊等效作用，其在澆注前仍留有一系列的工程設(shè)計(jì)工作。結(jié)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(huán)氧應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行強(qiáng)受力甲板機(jī)械環(huán)氧墊塊的應(yīng)用分析。

1 600 t A&R絞車環(huán)氧墊塊應(yīng)用背景

A&R作業(yè)核心設(shè)備A&R絞車主要用于鋪管船在鋪管施工過(guò)程中海洋石油管道的棄置與回收，即在正常鋪設(shè)海管的開始與結(jié)束階段，遇到惡劣天氣不允許作業(yè)階段，或在卷鋪設(shè)海管過(guò)程中，一個(gè)卷軸上的海管鋪設(shè)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(yùn)作，其工作拉力隨著鋪管船作業(yè)海域不斷步入深海而越來(lái)越大。某鋪管船項(xiàng)目應(yīng)用大拉力600 t A&R絞車，其安裝的基座平面對(duì)精度要求高、對(duì)厚度要求大，因此相對(duì)于傳統(tǒng)的鋼墊塊，采用環(huán)氧墊塊在工藝性和重量上兼具優(yōu)勢(shì)。

絞車質(zhì)量為240 t；依據(jù)絞車廠家要求，安裝用M48規(guī)格的緊固件在安裝時(shí)須預(yù)加430 kN的預(yù)緊力；在實(shí)際使用中，應(yīng)考慮鋼絲繩纏繞卷筒的附加重量作用。對(duì)于這樣的核心系統(tǒng)重載設(shè)備，在環(huán)氧墊塊應(yīng)用前須對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行有效的計(jì)算校核。

2 環(huán)氧墊塊強(qiáng)度計(jì)算

依據(jù)《船用機(jī)座環(huán)氧澆注墊片》[3]的要求，須對(duì)安裝用設(shè)備確認(rèn)如下數(shù)據(jù)信息：(1)設(shè)備底腳面積；(2)設(shè)備安裝緊固件選定的預(yù)緊力；(3)設(shè)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(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，但通常為15～70 mm，一般為25～45 mm(超過(guò)50 mm可分層澆注)。環(huán)氧強(qiáng)度計(jì)算須符合如下設(shè)計(jì)參數(shù)要求：(1)靜壓應(yīng)力≤許用靜壓應(yīng)力(0.70 N/mm2)；(2)總壓應(yīng)力≤許用總壓應(yīng)力(5.00 N/mm2，80 ℃以下)。環(huán)氧強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

(1)

式中：P0為靜壓應(yīng)力，N/mm2；W為設(shè)備總計(jì)算重量，N；A為墊塊總有效面積，mm2。

(2)

式中：Pt為總壓應(yīng)力，N/mm2；T為螺栓總緊固力，N。

T=Tnn1

(3)

式中：Tn為單個(gè)螺栓緊固力，設(shè)備廠家給出，N；n1為螺栓總數(shù)，個(gè)。

3 環(huán)氧強(qiáng)度計(jì)算實(shí)例

以某深水鋪管船上的大拉力600 t A&R絞車為例，計(jì)算甲板機(jī)械環(huán)氧墊塊強(qiáng)度。

3.1 A&R設(shè)備及其底腳信息

A&R設(shè)備及其底腳信息如圖1和圖2所示。

圖1 A&R絞車設(shè)備俯視圖

根據(jù)設(shè)備廠商提供的A&R絞車圖，電機(jī)側(cè)緊固件僅為M24規(guī)格，用于安裝重量較輕的6臺(tái)電機(jī)，但卷筒側(cè)不僅配備具有更大受力的M42規(guī)格緊固件用于安裝作為設(shè)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(huán)氧強(qiáng)度計(jì)算將設(shè)備卷筒側(cè)與電機(jī)側(cè)同時(shí)考慮，則計(jì)算并不可靠，而應(yīng)將卷筒側(cè)與電機(jī)側(cè)分別進(jìn)行環(huán)氧強(qiáng)度計(jì)算。在實(shí)際項(xiàng)目中，類似情況較為多見(jiàn)，是經(jīng)常易被忽視的計(jì)算漏洞，其后果是增加輕載區(qū)域的受載面積導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏小，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)重載區(qū)域無(wú)法滿足環(huán)氧強(qiáng)度而導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)環(huán)氧墊塊出現(xiàn)開裂。

3.2 電機(jī)側(cè)環(huán)氧強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)廠家設(shè)備資料，設(shè)備質(zhì)量為600 00 kg，無(wú)其他附加重量，按10 N/kg計(jì)，設(shè)備總計(jì)算重量W=600 000 N；安裝螺栓規(guī)格為M24，直徑為34 mm，數(shù)量為56個(gè)，預(yù)緊力為130 000 N；調(diào)平頂升螺栓規(guī)格為M24，直徑為34 mm，數(shù)量為14個(gè)；電機(jī)側(cè)共7塊300 mm×950 mm的底腳。由上述已知條件，可進(jìn)行靜壓應(yīng)力P0與總壓應(yīng)力Pt的計(jì)算(π按3.14計(jì))。

由式(1)可得：

(4)

由式(4)可知：P0符合≤許用靜壓應(yīng)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(gè)安裝螺栓計(jì)；14個(gè)調(diào)平頂升螺栓僅用于調(diào)平，設(shè)備安裝完成其載荷被釋放，因此不納入計(jì)算。

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

3.3 卷筒側(cè)環(huán)氧強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)廠家設(shè)備資料，設(shè)備質(zhì)量為180 000 kg，絞車在實(shí)際工作中會(huì)纏繞5圈鋼絲繩，該附加質(zhì)量為1 374.85 kg，按10 N/kg計(jì)，設(shè)備總計(jì)算重量W=1 813 748.5 N；安裝螺栓規(guī)格為M42，直徑為52 mm，數(shù)量為48個(gè)，預(yù)緊力為430 000 N；調(diào)平頂升螺栓規(guī)格為M42，數(shù)量為12個(gè)；卷筒側(cè)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(jìn)行靜壓應(yīng)力P0與總壓應(yīng)力Pt的計(jì)算(π按3.14計(jì))。

由式(1)可得：

(6)

由式(6)可知：P0符合≤許用靜壓應(yīng)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(gè)安裝螺栓計(jì)；12個(gè)調(diào)平頂升螺栓僅用于調(diào)平，設(shè)備安裝完成其載荷被釋放，因此不納入計(jì)算。

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

3.4 小 結(jié)

A&R絞車電機(jī)側(cè)符合許用值要求；卷筒側(cè)重力作用符合許用值要求，但螺栓預(yù)緊力過(guò)大導(dǎo)致計(jì)算不符合許用值要求。

計(jì)算結(jié)果證明，在設(shè)備環(huán)氧強(qiáng)度計(jì)算中直接將設(shè)備整體進(jìn)行重量及預(yù)緊力合并計(jì)算未必符合實(shí)際，大型設(shè)備須根據(jù)重量和工況分布進(jìn)行分析，在必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膯蝹€(gè)設(shè)備分區(qū)域環(huán)氧強(qiáng)度計(jì)算。

4 環(huán)氧強(qiáng)度初步計(jì)算后的優(yōu)化處理

4.1 優(yōu)化方法選擇

由第3節(jié)實(shí)例可知：A&R絞車卷筒側(cè)存在不符合環(huán)氧強(qiáng)度計(jì)算要求的情況。根據(jù)已知信息，在環(huán)氧強(qiáng)度初步計(jì)算后有3種優(yōu)化方法，如表2所示。

表2 環(huán)氧強(qiáng)度初步計(jì)算后的優(yōu)化方法

在第3節(jié)A&R絞車環(huán)氧應(yīng)用實(shí)例中，受制于送審船級(jí)社要求以5.00 N/mm2(80 ℃以下)為許用計(jì)算值及設(shè)備已到貨，不具備底腳面積再擴(kuò)大的現(xiàn)實(shí)條件，因此采用第3種方法——調(diào)整緊固件預(yù)緊力。

4.2 螺栓預(yù)緊力調(diào)整

根據(jù)已知環(huán)氧強(qiáng)度計(jì)算許用值[Pt]、有效作用面積A、螺栓數(shù)量n2及已鎖定的靜壓應(yīng)力P0進(jìn)行單個(gè)螺栓最大預(yù)緊力Tn的倒推求解，即

(8)

根據(jù)設(shè)備受載情況分析設(shè)備安裝用螺栓組連接受力形式，并進(jìn)行最小預(yù)緊力計(jì)算比對(duì)。

圖3為A&R絞車外力作用分析。鋼絲繩產(chǎn)生的水平拉力由設(shè)備安裝的抗剪塊抵消，絞車通過(guò)緊固件傳導(dǎo)至環(huán)氧和基座僅有拉力T產(chǎn)生傾覆力矩M和設(shè)備及附屬件的重力G。作用在絞車底座上的螺栓組連接應(yīng)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(jī)械手冊(cè)可知：“受傾覆力矩的螺栓組連接”最小連接面壓應(yīng)力σpmin[5]的要求為

(9)

式中：F0為最小預(yù)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(jù)圖3可求得實(shí)際卷筒側(cè)有效區(qū)域關(guān)于重心對(duì)稱軸上的抗彎截面模量為5.8×109mm3。

由式(9)可得最小預(yù)緊力為

(10)

由式(10)可知：在滿足外載荷作用下，實(shí)際最小預(yù)緊力不得低于80.35 kN；由式(8)可知：為滿足環(huán)氧強(qiáng)度計(jì)算許用值[Pt]，最大螺栓預(yù)緊力不得大于309.28 kN。根據(jù)上述計(jì)算分析，在實(shí)際項(xiàng)目中A&R絞車采用305.00 kN作為安裝M48規(guī)格螺栓的預(yù)緊力，并未發(fā)生設(shè)備異?；蝿?dòng)或與底座分離等不良現(xiàn)象，并在實(shí)際澆注后環(huán)氧在多次使用中未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)理論及實(shí)例計(jì)算證明，強(qiáng)受力甲板機(jī)械環(huán)氧墊塊在強(qiáng)度計(jì)算中遇到不符合許用值要求時(shí)可進(jìn)行的優(yōu)化方法，并舉例說(shuō)明在優(yōu)化方法中較為繁瑣的安裝緊固件預(yù)緊力調(diào)整方法。在實(shí)際設(shè)備使用中若先期確定應(yīng)用環(huán)氧墊塊，應(yīng)在設(shè)備設(shè)計(jì)或設(shè)備廠商提供認(rèn)可圖階段提前做好環(huán)氧強(qiáng)度計(jì)算，此舉不僅可調(diào)整緊固件預(yù)緊力，而且可考慮調(diào)整向船級(jí)社報(bào)驗(yàn)的計(jì)算書中的環(huán)氧強(qiáng)度計(jì)算許用值或增大設(shè)備的底腳面積，這樣可減少后期3種優(yōu)化方法均無(wú)法符合許用值要求而導(dǎo)致重?fù)Q鋼墊片的風(fēng)險(xiǎn)。