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(xiàn)碳達峰、2060年實現(xiàn)碳中和的目標。為響應(yīng)國家能源戰(zhàn)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(zhuǎn)海工吊，可以安裝3～12 MW風機[1]。根據(jù)中國船級社《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)要求，加裝的吊機需要在船上做100%負荷全回轉(zhuǎn)試驗和110%負荷靜態(tài)試驗[2]。該船應(yīng)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(zhì)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(nèi)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(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)吊機，改造后船體側(cè)視示意圖見圖1[3]。

圖1 改造后船體側(cè)視示意圖

該船吊機主要由吊機基座、回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)坐墩試驗方案及有限元分析

為了在吊重試驗時船體結(jié)構(gòu)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(zhì)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(chǎn)生局部破壞，需對底部的局部強度進行有限元分析。

結(jié)合該船全回轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(yè)工況分別為0°、180°、270°、330°時的起吊作業(yè)，起吊質(zhì)量為600 t，考慮1.1的系數(shù)。這4種起吊作業(yè)工況對船體的作用力和力矩各不相同，其中0°起吊作業(yè)力矩最大、船體結(jié)構(gòu)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(jié)果文件進行操作，合成、搜索靜態(tài)動態(tài)應(yīng)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(gòu)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(jié)構(gòu)中起到很重要的作用，影響整體變形和整體應(yīng)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(jié)構(gòu)的一致性，正確反映真實的船體結(jié)構(gòu)。

(2)次要構(gòu)件。這類構(gòu)件只起到局部強度的作用，如連接節(jié)點處的肘板，肋板上附加的扶強材等，它們對結(jié)構(gòu)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(jīng)特殊處理的節(jié)點處焊接強度是足夠的，故這種構(gòu)件在強度計算中作適當取舍，以減少計算量，對于忽略的構(gòu)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(fā)生剛體位移。

圖3 邊界條件示意圖

5)設(shè)計載荷為該船自身鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量(含吊機、設(shè)備、管系、電纜、上層建筑等)和吊鉤上600 t起吊貨物的質(zhì)量。

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

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

表1 各起吊工況的屈服強度校核結(jié)果

圖4 270°起吊工況下，塔樓等效應(yīng)力云圖

圖5 270°起吊工況下，主船體等效應(yīng)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(zhuǎn)負荷試驗、主鉤660 t靜態(tài)起吊試驗、120 t副鉤全回轉(zhuǎn)負荷試驗和靜態(tài)起吊試驗。試驗前，最后根據(jù)塢墩布置圖檢查塢墩布置情況。為了安全起見，安排在塢內(nèi)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(jié)構(gòu)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(nèi)的設(shè)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(nèi)的肋板和縱桁等結(jié)構(gòu)有無異響和變形。靜置2 h后確認沒有異樣，繼續(xù)加水至600 t，靜置2 h，繼續(xù)觀察相關(guān)關(guān)鍵部位和構(gòu)件，確認沒有異樣，開始起升、從0°(船首)開始回轉(zhuǎn)直到360°，以及下降、急停等各項船級社規(guī)定的試驗項目。整個試驗過程非常順利，所有關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生異樣，整個吊重試驗過程得到了驗船師的高度認可。

4 結(jié)束語

綜上所述，常規(guī)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(nèi)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(jié)構(gòu)受力進行情況驗證，為本次試驗提供了數(shù)據(jù)支撐；最后，在試驗過程中，由于塢內(nèi)沒有其他船，此有利條件下，在塢內(nèi)放水對船體有一定的浮力支撐，降低了底部結(jié)構(gòu)承受力。另外，根據(jù)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(guān)鍵因素。

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