胡文佳

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

3 000 t浮吊是面向海洋工程，如鉆井平臺(tái)、井架以及海上風(fēng)電設(shè)備的安裝、維修、拆除等工程而研制的超大、超高型浮吊。該浮吊起重機(jī)為非回轉(zhuǎn)單臂架式，其中臂架分為主臂架和小臂架，并且小臂架可相對(duì)主臂架轉(zhuǎn)動(dòng)，在主、輔臂架頂端分別布置2個(gè)1 500 t吊鉤，其起升高度分別為115 m和165 m。該浮吊由主船體及上建、起重機(jī)機(jī)房、人字架、臂架支架、主臂架和小臂架組成(見圖1)。

圖1 3 000 t浮吊總圖

2 起重機(jī)安裝難點(diǎn)分析

該起重機(jī)在安裝中需要解決以下5個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

(1)人字架、臂架支架、主臂架3大構(gòu)件因其重量均超過(guò)了900 t軌道式龍門起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱軌道吊)的起重能力，必須將這些構(gòu)件進(jìn)行分段，使每一個(gè)分段重量不超過(guò)900 t，并將分段一一吊上主船體合攏成整體。這需要制定分段方案，設(shè)計(jì)每一個(gè)分段的吊裝吊耳及完整的吊裝工藝方案。

(2)分段需在地面上進(jìn)行預(yù)合攏，完成分段之間以及分段與船體之間的修割余量的切除，并劃線確定分段之間以及分段與船體之間合攏的定位基準(zhǔn)，制定完整的預(yù)合攏工藝方案。

(3)采取措施防止船體分段之間、起重機(jī)構(gòu)件分段之間、起重機(jī)構(gòu)件與船體甲板之間連接焊縫的焊接變形對(duì)起重機(jī)構(gòu)件精度的影響，尤其是對(duì)臂架支架和臂架鉸點(diǎn)孔同軸度的影響。

(4)由于臂架從0°扳起，此工況不在起重機(jī)設(shè)計(jì)工況內(nèi)，需計(jì)算此工況電機(jī)功率是否滿足；變幅鋼絲繩、變幅機(jī)構(gòu)所有零件是否安全；人字架、臂架支架、主臂架結(jié)構(gòu)是否安全。

(5)計(jì)算人字架、臂架支架船體約束反力，并由此校核船體結(jié)構(gòu)的安全，并設(shè)計(jì)臂架扳起過(guò)程中船體吃水和壓載艙加載方案。

3 安裝工藝設(shè)計(jì)

3.1 項(xiàng)目場(chǎng)地布局

當(dāng)塢內(nèi)進(jìn)行主船體合攏的同時(shí)，在塢北端900 t軌道吊覆蓋的的場(chǎng)地內(nèi)同時(shí)進(jìn)行人字架、臂架支架、主臂架、小臂架的整體合攏或預(yù)合攏，并在人字架和臂架支架完成在主船體上的搭載后，完成主臂架分段的吊裝合攏及小臂架的吊裝(見圖2)。

圖2 起重機(jī)構(gòu)件預(yù)拼裝及在船體上搭載場(chǎng)地分布圖

3.2 船體安裝的順序

船體分段的搭載合攏應(yīng)從中間分段向前后兩段的順序展開，應(yīng)盡量先完成起重機(jī)機(jī)器房所在部位的船體分段的合攏，以便于盡早開展各機(jī)構(gòu)的搭載、電氣控制部分的安裝以及電纜走線工作的完成。隨后進(jìn)行機(jī)器房安裝，人字架各分段的吊裝、焊接，臂架支架的吊裝定位、焊接，臂架鉸點(diǎn)孔的加工、頭部調(diào)整(小臂架變幅)機(jī)構(gòu)、穩(wěn)貨機(jī)構(gòu)的安裝。

以上安裝完成后進(jìn)行主臂架的吊裝，穿主鉸點(diǎn)軸；小臂架的吊裝，穿小臂架軸；穿引主變幅、小臂變幅、起升、索具鉤、穩(wěn)貨鉤鋼絲繩。在此基礎(chǔ)上，用主變幅機(jī)構(gòu)將主臂架和小臂架從0°扳至50°仰角后，浮吊就可以下水，進(jìn)入調(diào)試階段。

4 安裝工藝方案實(shí)施

4.1 人字架安裝工藝

人字架高度高、質(zhì)量重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，吊裝難度大。在吊裝搭載前，人字架在地面進(jìn)行了預(yù)拼裝。在預(yù)拼裝完成后用激光經(jīng)緯儀劃出壓桿片體、拉桿片體、上部橫梁的安裝定位基準(zhǔn)(縱向、橫向中心線以及水平等高線)，并用全站儀實(shí)測(cè)船甲板上表面拉桿和壓桿與船體連接的4個(gè)部位的水平高度值，依據(jù)實(shí)測(cè)值復(fù)算出拉桿、壓桿圓管端部的余量修割線位置線，并修割余量。

完成機(jī)房的組裝后進(jìn)行人字架吊裝，各機(jī)構(gòu)的排裝、電纜的鋪設(shè)及接線可在人字架安裝過(guò)程中同步進(jìn)行。人字架安裝順序?yàn)閴簵U片體-兩側(cè)面的橫撐、斜撐-拉桿片體-上部橫梁-2個(gè)變幅滑輪架(見圖3)。

圖3 人字架搭載吊裝圖

4.2 臂架支架安裝工藝

臂架支架分為上部橫梁和左右2個(gè)片體3個(gè)分段，并在地面按以下2個(gè)步驟進(jìn)行預(yù)拼裝：①臂架鉸點(diǎn)結(jié)構(gòu)以下部分組合成左右2個(gè)片體，并與臂架鉸點(diǎn)結(jié)構(gòu)預(yù)拼裝，并劃出左右片體在船體結(jié)構(gòu)上的定位基準(zhǔn)線以及下端的余量修割線，同時(shí)基準(zhǔn)中心線引申至臂架鉸點(diǎn)結(jié)構(gòu)；②取下2個(gè)鉸點(diǎn)頭部結(jié)構(gòu)與中間橫梁拼裝組合成1個(gè)構(gòu)件(見圖4)。

圖4 臂架支架安裝示意圖

在臂架支架安裝定位并完成連接部的第一道焊接后，即可進(jìn)行頭部調(diào)整機(jī)構(gòu)和穩(wěn)貨機(jī)構(gòu)的吊裝定位焊接，吊裝前應(yīng)根據(jù)船體整體縱向和橫向中心線劃出臂架橫梁的中心線及6個(gè)機(jī)構(gòu)的定位基準(zhǔn)線。臂架鉸點(diǎn)孔位于上部橫梁兩端，左右2個(gè)鉸點(diǎn)孔有同軸度要求。為防止焊接變形對(duì)鉸點(diǎn)孔同軸度的影響，鏜孔前必須完成臂架支架分段之間、臂架支架與船體之間以及與臂架支架下部的船體分段之間的連接焊縫的施焊。采用2臺(tái)鏜床同時(shí)鏜孔，用全站儀配合多棱鏡校對(duì)2根鏜排的同軸度，且校對(duì)都安排在凌晨太陽(yáng)出來(lái)以前進(jìn)行。實(shí)際鏜排的同軸度控制在30～50 μm之間。

4.3 主臂架和小臂架安裝工藝

主臂架質(zhì)量為1 921 t，將其分為3個(gè)分段(見圖5)。后段斷面布置在離中間連接橫梁2 470 mm處，這樣能使后段與中段的焊接變形因橫梁處較強(qiáng)的剛性而降到最低程度，從而最大限度的保證兩側(cè)鉸點(diǎn)孔的同軸度不因焊接變形而降低。

圖5 主臂架分段裝示意圖

主臂架在地面完成3個(gè)分段的預(yù)拼裝，用激光經(jīng)緯儀劃出分段之間的定位基準(zhǔn)(水平、橫向、縱向中心線)，并劃出主臂架和小臂架鉸點(diǎn)孔中心線后鏜孔，鏜孔的過(guò)程中按臂架支架鉸點(diǎn)孔精度控制方法調(diào)校兩側(cè)鏜排以保證兩側(cè)孔的同軸度。在此工位完成主臂架附件(滑輪、吊鉤定滑輪組、舾裝件、電氣附件等)的組裝，同時(shí)完成小臂架的鏜孔和組裝。

按圖6所示，先吊裝主臂架后段并完成鉸點(diǎn)軸的安裝，隨后吊裝中段、前段，定位后進(jìn)行各分段連接焊縫的施焊，施焊時(shí)應(yīng)注意兩側(cè)對(duì)稱施焊；在焊接的同時(shí)完成小臂架的吊裝以及所有鋼絲繩的穿引。

圖6 主臂架安裝示意圖

4.4 臂架扳起時(shí)起重機(jī)安全性驗(yàn)算

臂架在0°拉起為非正常工況，經(jīng)計(jì)算，此工況下的變幅鋼絲繩拉力為23 MN，大于正常工況最大計(jì)算拉力17 MN，有必要對(duì)此工況下的起重機(jī)相關(guān)機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行安全性驗(yàn)算。計(jì)算采用ANSYS有限元分析軟件，臂架位于水平位置建立模型。

對(duì)變幅機(jī)構(gòu)進(jìn)行鋼絲繩、電機(jī)靜功率、卷筒扭矩及機(jī)構(gòu)零件的安全性驗(yàn)算。經(jīng)計(jì)算，鋼絲繩的安全系數(shù)為2.3，電機(jī)的過(guò)載系數(shù)為1.1，而卷筒在此工況時(shí)的扭矩小于變幅機(jī)構(gòu)計(jì)算書中的最大計(jì)算扭矩(此時(shí)鋼絲繩在卷筒最底層，力臂最小)，因此可以判定變幅機(jī)構(gòu)所有傳動(dòng)零件是安全的。

對(duì)主臂架(主弦桿和腹桿的4個(gè)單元)、人字架的壓桿和拉桿、臂架支架、變幅滑輪架等危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)及危險(xiǎn)單元進(jìn)行驗(yàn)算，除進(jìn)行最大應(yīng)力驗(yàn)算外，還對(duì)受壓桿件進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，所有結(jié)構(gòu)均安全。

4.5 船體結(jié)構(gòu)安全性驗(yàn)算

在進(jìn)行上述驗(yàn)算的同時(shí)，計(jì)算出臂架0°扳起時(shí)人字架和臂架支架與船體連接部位處船體的約束反力，將此數(shù)據(jù)輸入船體結(jié)構(gòu)有限元分析模型，發(fā)現(xiàn)以下3處危險(xiǎn)部位：人字架壓桿處船體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力達(dá)282.3 MPa；船艉部最大形變較大為282.26 mm；臂架支架部位部分塢墩受力超載，最大達(dá)36 MN。

為此經(jīng)過(guò)計(jì)算，在臂架從0°扳起至50°的過(guò)程中，在塢內(nèi)放水用浮力減輕塢墩受力，在壓載艙加水降低尾部形變和船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，并在臂架扳起的過(guò)程中不斷地調(diào)整塢內(nèi)的水位高度和艙室壓載高度，可保證船體結(jié)構(gòu)及塢墩受力在安全范圍內(nèi)，且船體未浮起。

5 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目已順利完成建造和試驗(yàn)并投入使用，證明該工藝方案可行，可節(jié)約建造時(shí)間，降低建造成本，對(duì)大型船廠在建造同類型大型浮吊時(shí)具有借鑒意義。