范 鵬，王璐玭，韓冰洋，婁慧龍

（江南造船（集團）有限責任公司江南研究院，上海200913）

0 引 言

江南造船廠自建的32 000 t舉力浮式作業(yè)裝置是一種在漂浮或半潛狀態(tài)下作業(yè)的非自航駁船式裝置，主要應用于船舶產(chǎn)品船臺過駁下水、大型總段短距離駁運，以及塢內(nèi)舾裝、改造和修船等業(yè)務中，是進一步增強船廠的船舶建造能力、豐富其船舶建造模式和縮短其船舶建造周期的重大戰(zhàn)略裝備。縱向強度試驗是此類船舶需開展的重要試驗之一，不僅能驗證其建造質(zhì)量和總縱強度，更能反饋其彎矩與撓度的真實變化關(guān)系，是今后進行各類作業(yè)的重要參考依據(jù)。

浮式作業(yè)裝置的結(jié)構(gòu)形式與浮船塢較為接近。文獻［1］對空塢縱向強度試驗的原理和方法進行了簡要介紹；文獻［2］以48 000 t舉力浮船塢為例，對縱向強度試驗進行了全面闡述，但未對試驗的精度控制進行展開分析。相對于浮船塢，浮式作業(yè)裝置的業(yè)務更側(cè)重于船舶產(chǎn)品的甲板過駁和深沉起浮，數(shù)量有限的過駁小車加橫梁支撐體系對甲板的平整度有極高的要求。本文結(jié)合32 000 t舉力浮式作業(yè)裝置的縱向強度試驗的具體流程，對試驗的精度控制要點和試驗結(jié)果進行分析，為今后該浮式作業(yè)裝置服務作業(yè)的開展提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，為同類型船縱向強度試驗的開展提供參考。

1 浮式作業(yè)裝置

1.1 主要參數(shù)

該浮式作業(yè)裝置采用鋼制的箱型船體結(jié)構(gòu)、四角塔樓、無脊弧無梁拱的舉升甲板和艏艉圓舭雪橇型船殼等設計，其主要參數(shù)見表1。

表1 浮式作業(yè)裝置主要參數(shù)

1.2 壓載艙布置

該浮式作業(yè)裝置共設置10道水密橫艙壁和3道水密縱艙壁，整體均勻分布40個壓載艙并布置回型管弄，艉塔樓中額外配置2個備用壓載艙，具體布局見圖1。

圖1 浮式作業(yè)裝置壓載艙布置圖

1.3 液位遙測系統(tǒng)和撓度測量系統(tǒng)

液位遙測系統(tǒng)是浮式作業(yè)裝置的重要系統(tǒng)之一，在縱向強度試驗初始“0”狀態(tài)下，對吃水讀取結(jié)果與壓載艙液位手測結(jié)果進行對比，將所得結(jié)果作為整個縱向強度試驗的液位數(shù)據(jù)來源。該船的每個壓載艙都設置有雙傳感器，吃水測量裝置為單測量點連接雙傳感器，滿足一定的系統(tǒng)冗余度要求。

撓度測量裝置是用來實時反饋船體撓度信息的關(guān)鍵設備，在浮式作業(yè)裝置各類作業(yè)中，通過數(shù)據(jù)監(jiān)控及時作出調(diào)整決策，保障被抬船舶產(chǎn)品和浮式作業(yè)裝置結(jié)構(gòu)的安全性。該船的撓度測量裝置由14個連通的充液測量管（見圖2）組成，在左右縱向管弄中各布置1排，如圖1所示。由于液壓撓度測量裝置是依據(jù)連通管原理工作的，各測量液位筒的液面始終處于同一水平面，故其所在位置的縱向撓度不同會導致液位高度不同，從而通過壓力傳感器進行數(shù)據(jù)輸出。

圖2 撓度測量裝置示意圖

在縱向強度試驗中，為校正船上的撓度測量裝置，會在撓度測量裝置對應位置的舉升甲板上布置一套由激光經(jīng)緯儀（或全站儀）和測量標尺組成的光學測量系統(tǒng)。在試驗過程中，以光學測量系統(tǒng)的撓度測量值為基準，對液壓型撓度測量裝置進行校正。

2 縱向強度試驗

2.1 試驗目的和原理

開展縱向強度試驗的目的是驗證浮式作業(yè)裝置的總縱強度和變形情況，同時校核其撓度測量裝置和液位測量系統(tǒng)，以及整體配電系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)和壓載系統(tǒng)的工作狀態(tài)。根據(jù)簡支梁理論，彎矩與撓度成線性關(guān)系，故該試驗通過不同壓載配比使浮式作業(yè)裝置達到不同的中拱、中垂和彎矩狀態(tài)，并通過實際測量這些狀態(tài)下的真實撓度校準撓度測量裝置，得到撓度與彎矩的真實關(guān)系。

2.2 試驗條件

縱向強度試驗的基礎(chǔ)試驗條件如下：

1）試驗應在傾斜或定重試驗之后進行，基于確定的重量和重心核算試驗的各步驟；

2）應完成對液位遙測系統(tǒng)和壓載系統(tǒng)的報驗，并在試驗前對其進行校驗；

3）試驗應在陰天或晚間進行，以盡可能地減少溫差變化對撓度的影響；

4）試驗應在平靜的水域和適當?shù)奶鞖庀逻M行，風力不大于蒲氏2級；

5）試驗時浮式作業(yè)裝置應處于自由漂浮狀態(tài)，纜繩應放松。

2.3 試驗步驟

縱向強度試驗步驟見圖3。結(jié)合浮式作業(yè)裝置最新的狀態(tài)反饋制訂初步的配載方案，需結(jié)合現(xiàn)場實際操作性，減少各配載工況下的調(diào)載時間，合理控制試驗時間。試驗開始之后，按既定的步驟記錄吃水、壓載艙液位及光學和液壓撓度裝置的試驗數(shù)據(jù)。試驗過程中需對試驗設備、纜繩松緊情況及結(jié)構(gòu)構(gòu)件和焊縫進行檢查，若發(fā)現(xiàn)異常，需及時報告試驗主持人。最終根據(jù)試驗各步驟的信息匯總記錄，判斷試驗結(jié)果的有效性。

圖3 縱向強度試驗步驟

初始“0”狀態(tài)粗調(diào)：調(diào)整船舶的壓載和配載，使其接近理論初始“0”狀態(tài)。此時需同步統(tǒng)計船上多余的不足重量，除了調(diào)平壓載水以外，通常要求其他多余的不足重量不超過空船重量的1%，以保證重量及其分布的準確性。

初始“0”狀態(tài)精調(diào)：作為整個試驗的初始基準點，需進行初始“0”狀態(tài)精調(diào)，主要包括對舷外及艙內(nèi)水密度和液位進行實測，校正液位遙測系統(tǒng)并將實際數(shù)據(jù)更新至理論計算模型中，同時基于光學測量儀器的撓度數(shù)據(jù)校準液壓撓度測量裝置，記錄試驗開始時的溫度和時間等信息。

中垂各工況：考慮到浮式作業(yè)裝置今后在進行載船深沉起浮作業(yè)時遇到的中垂工況比較多，分別對25%、50%、75%和100%等設計中垂彎矩工況進行撓度測定。

中拱各工況：與浮船塢類似，浮式作業(yè)裝置在實際作業(yè)過程中遇到的中拱狀態(tài)較少，為得到設計彎矩下的最大中拱撓度值，同時控制試驗時間，僅選取75%和100%的設計中拱彎矩工況進行撓度測定。

2.4 試驗精度控制

由于縱向強度試驗是檢驗浮式作業(yè)裝置的總縱強度和變形情況的重要試驗，同時可對液位遙測系統(tǒng)和撓度測量裝置等關(guān)鍵系統(tǒng)進行實踐驗證，且試驗結(jié)果可作為今后作業(yè)的參考和報警點限制依據(jù)，故對試驗的精度進行控制尤為重要。影響試驗精度的因素有很多，包括理論計算模型與實際的偏差、吃水液位讀取及修正換算方法的偏差和撓度測量裝置數(shù)據(jù)的準確度等，結(jié)合試驗具體的操作，對以下幾點進行精度控制。

2.4.1 初始“0”狀態(tài)

對于浮式作業(yè)裝置而言，“0”狀態(tài)是其作業(yè)時最常遇到的狀態(tài)，故對“0”狀態(tài)進行精確狀態(tài)校核十分必要。同時，縱向強度試驗會根據(jù)初始“0”狀態(tài)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對液位遙測系統(tǒng)和撓度測量裝置進行校正，作為后續(xù)各步驟的基準狀態(tài)。由于重量分布和浮力不均勻，無法得到絕對的“0”狀態(tài)，而剪切撓度一般僅為彎曲撓度的10%左右，故控制浮式作業(yè)裝量的最大彎矩值最為關(guān)鍵。通過一定的壓載艙調(diào)節(jié)得到波浪型彎矩分布線，得知該工況下的最大彎矩值約為設計值的2%（試驗建議小于5%），達到了初始“0”狀態(tài)。

2.4.2 吃水修正

縱向強度試驗開始之前，需讀取初始“0”狀態(tài)的吃水信息，確認浮式作業(yè)裝置的基礎(chǔ)浮態(tài)，并驗證其液位遙測系統(tǒng)在該狀態(tài)下的吃水信息見表2。

表2 初始“0”狀態(tài)下的吃水信息

吃水通過外板標志目測或通過專用測量裝置讀取，同時需考慮吃水標志包含的龍骨板厚（0.026 mm）。通常情況下，考慮艏部、舯部和艉部吃水權(quán)重，平均吃水的計算公式為

式（1）中：d、d和d分別為艉吃水、舯部吃水和艏吃水。

本文所述船舶采用方形圓舭雪橇型船殼設計，艏部、舯部和艉部吃水權(quán)重與常規(guī)艏艉削瘦的船型不同，舉升甲板以下近似為長方體，故采用以下公式計算平均吃水更貼合實際，即

修正之后，平均吃水為4.779 m，縱傾為-0.011 m，艏傾為正，獲得初始“0”狀態(tài)下的基礎(chǔ)浮態(tài)。同時，測量舷外及各壓載艙中水的密度和溫度等信息，完善至總體計算模型中，為后續(xù)各步驟的計算奠定基礎(chǔ)。

2.4.3 壓載艙結(jié)構(gòu)折減率

壓載艙是浮式作業(yè)裝置的主要組成部分，可通過不同壓載艙、不同液位的配載組合得到所需的各種作業(yè)工況，故獲取準確真實的壓載量數(shù)據(jù)是浮式作業(yè)裝置作業(yè)時進行精度控制的關(guān)鍵之一。除了對壓載艙的液位和溫度進行精確讀取以外，其結(jié)構(gòu)折減率的準確性也值得核查。

通常情況下，貨船壓載艙的結(jié)構(gòu)折減率直接取2%，無需進行更精確的校核。對于浮式作業(yè)裝置而言，其壓載艙的總艙容較大，總計近100 000 m，而折減率有0.5%的偏差就會產(chǎn)生近500 t的壓載量變化。相對于常規(guī)船舶，浮式作業(yè)裝置各壓載艙的形狀規(guī)則，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管系布置較為相似，可通過對典型壓載艙進行艙容精核得到更準確的結(jié)構(gòu)折減率。

選取8號左1壓載艙作為研究對象，通過構(gòu)建CATIA三維結(jié)構(gòu)及管系模型，進行布爾運算折減，獲得凈艙容三維模型（見圖4）。

圖4 典型壓載艙凈艙容三維模型

通過計算獲得該壓載艙不同液位高度的實際艙容，從而得到結(jié)構(gòu)折減率隨液位高度變化的曲線（見圖5）。從圖5中可看出，底部及近頂部區(qū)域結(jié)構(gòu)折減率較大，中間明顯較小。結(jié)合上述凈艙容三維模型不難看出，艙底部和頂部的結(jié)構(gòu)板筋框架，以及底部的壓載管和頂部的空氣管，均與折減率曲線數(shù)據(jù)匹配。根據(jù)以上折減率數(shù)據(jù)，結(jié)合艙內(nèi)部管系布置，按每米高度對折減率進行簡化，并將簡化后的變化折減率定義至總體計算模型中，完成對壓載艙結(jié)構(gòu)折減率的精核，并為后續(xù)浮態(tài)計算提供準確的壓艙量數(shù)據(jù)信息。

圖5 典型壓載艙結(jié)構(gòu)折減率變化曲線

2.4.4 撓度測量裝置校準

縱向強度試驗中的撓度信息有2個來源，分別是光學測量系統(tǒng)和液壓撓度測量裝置。由于二者的測量點位置和測量原理均不相同，故這2套系統(tǒng)必然會存在數(shù)據(jù)偏差。在初始“0”狀態(tài)下，根據(jù)光學測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對液壓撓度測量裝置進行校正，同時對比后續(xù)步驟的撓度數(shù)據(jù)，其中舯部撓度數(shù)據(jù)對比見表3。

表3 2套撓度測量系統(tǒng)的舯部撓度數(shù)據(jù)對比

通過對比可知，在不同工況下，2套撓度測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)差異不超過20 mm，平均約為10 mm，在一定時期內(nèi)，可直接采用液壓撓度測量裝置監(jiān)控撓度信息。

2.5 試驗結(jié)果

通過縱向強度試驗得到各工況下的撓度測量結(jié)果，并通過更新吃水和壓載艙液位信息獲得撓度與彎矩的關(guān)系曲線，見圖6。從圖6中可看出，浮式作業(yè)裝置的撓度與彎矩整體呈線性關(guān)系，符合結(jié)構(gòu)均布載荷梁彎矩與變形的關(guān)系。試驗結(jié)果也顯示，“0”狀態(tài)下舉升甲板面仍存在一定的中垂，故在進行過駁作業(yè)時應注意使其適當中拱，以獲得平直的舉升甲板面。通過將70%和90%設計彎矩對應的撓度值分別設定為撓度測量裝置的報警點和停泵點，為浮式作業(yè)裝置的安全作業(yè)增加保障。

圖6 撓度與彎矩的關(guān)系曲線

在試驗過程中和試驗完成之后對浮式作業(yè)裝置進行結(jié)構(gòu)檢查，未發(fā)現(xiàn)焊縫拉裂等異常情況，建造質(zhì)量可靠，完成了試驗驗證。

3 結(jié) 語

本文基于32 000 t舉力浮式作業(yè)裝置的縱向強度試驗，對試驗流程和試驗精度控制進行了分析，試驗得到的彎矩與撓度變形關(guān)系可作為今后實際作業(yè)時的參考數(shù)據(jù)。由于理論與實際存在偏差，該研究尚未考慮天氣、溫度和潮汐等自然因素對試驗精度的影響，同時因浮式作業(yè)裝置的操作環(huán)境惡劣，今后可能出現(xiàn)的局部變形和淤泥沉積等也是影響精度的客觀因素，需在后續(xù)的試驗和實踐中進行評估分析。