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        重型薄壁生活區(qū)模塊整體吊裝方案研究

        2022-12-03 02:26:58朱波波
        江蘇船舶 2022年5期

        朱波波

        (啟東中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程有限公司,江蘇 啟東 226200)

        0 引言

        目前,船舶生活區(qū)模塊化建造已呈現(xiàn)大型化、輕量化趨勢,在滿足船員日益增長的空間需求基礎(chǔ)上,不斷降低結(jié)構(gòu)重量以增加載貨量。因此,薄壁高強(qiáng)結(jié)構(gòu)憑借其重量輕、強(qiáng)度大的特點(diǎn)越來越多地被應(yīng)用到生活區(qū)模塊設(shè)計(jì)和建造中。

        但是,國內(nèi)外學(xué)者對重型薄壁生活區(qū)模塊吊裝方案的研究較少,大部分僅對生活區(qū)模塊在使用工況下的強(qiáng)度和變形進(jìn)行分析,未考慮在吊裝工況下的強(qiáng)度和變形。因此,建立重型薄壁生活區(qū)模塊吊裝方案設(shè)計(jì)流程,對我國船舶行業(yè)發(fā)展薄壁生活區(qū)模塊化建造和吊裝具有重要的實(shí)踐意義。本文以某FPSO生活區(qū)模塊為研究對象,對其整體吊裝方案進(jìn)行設(shè)計(jì),并分析吊裝強(qiáng)度,總結(jié)吊裝作業(yè)流程,形成了一套完整的吊裝設(shè)計(jì)、校核和操作流程,從而實(shí)現(xiàn)重壁生活區(qū)模塊化建造,縮短整船建造周期。

        1 生活區(qū)模塊水上吊裝方案選擇

        FPSO生活區(qū)模塊主要參數(shù)如下:長21.6 m,寬40.5 m,高33.3 m,吊裝重量22 630 kN;自下而上分為8層,采用薄壁梁板結(jié)構(gòu)形式,壁板厚度8 mm,甲板厚度7 mm。

        FPSO生活區(qū)模塊在碼頭前沿完成總裝和調(diào)試后,使用大型浮吊整體吊裝到FPSO主船體上。水上吊裝方案有聯(lián)排小吊耳吊裝方案和大剛度一體吊排吊裝方案2種[1]。聯(lián)排小吊耳吊裝方案吊耳制作安裝簡單,但需新購大量吊索具,費(fèi)用巨大,吊索具生根和拆除工作量大,且剛度小,易引起薄壁結(jié)構(gòu)屈曲變形和撕裂,吊裝安全無法保證。大剛度一體吊裝方案吊排剛度大、變形小、安全性高,因此,本文擬采用大剛度一體吊排吊裝方案。吊裝方案見圖1。

        圖1 大剛度一體吊排吊裝方案

        2 生活區(qū)模塊水上吊裝方案設(shè)計(jì)

        2.1 模塊重量重心計(jì)算

        稱重油缸配合稱重傳感器,將完工后的生活區(qū)模塊整體頂起。通過稱重傳感器讀取每個(gè)油缸處的支反力,根據(jù)油缸相對坐標(biāo)原點(diǎn)的位置和支反力,積分求出生活區(qū)模塊總重量和重心位置,見表1。

        表1 模塊重量重心

        2.2 吊點(diǎn)載荷計(jì)算

        假設(shè)大剛度一體吊排A、B、C、D的吊點(diǎn)載荷分別為WA、WB、WC、WD,根據(jù)力和力矩平衡,可計(jì)算得到各吊點(diǎn)載荷WA=4 910 kN,WB=4 900 kN,WC=6 420 kN,WD=6 400 kN。

        2.3 大剛度一體吊排設(shè)計(jì)

        大剛度一體吊排最大載荷為6 420 kN,采用雙吊耳設(shè)計(jì),由主板、面板和扶強(qiáng)肘板組成。吊耳主板厚度為60 mm,生活區(qū)圍壁厚為8 mm,對接板板厚差不大于1倍且板條寬度不小于300 mm,吊耳主板與圍壁間采用30、15 mm鋼板過渡[2],見圖2。吊耳配8 000 kN標(biāo)準(zhǔn)卸扣,卸扣銷軸直徑為240 mm,開口為300 mm,弓高為660 mm。銷軸直徑需大于等于90%吊耳孔直徑,吊耳總厚度需大于75%卸扣開口寬度,吊耳外圓弧半徑需大于2倍吊耳直徑[3]。吊耳內(nèi)孔直徑取250 mm,總厚度取225 mm,外圓弧半徑取500 mm。

        圖2 吊排板厚過渡方法(單位:mm)

        2.4 吊索具設(shè)計(jì)與校核

        浮吊配有4只7 750 kN吊鉤,每只吊鉤上掛1根鋼絲繩圈。繩圈兩頭通過卸扣連接到大剛度一體吊排吊耳上,繩圈左右2股繩分別套在吊鉤左右2個(gè)溝槽內(nèi),以保證繩圈兩頭受力相等,見圖3。為保證吊索具吊裝安全,按照卸扣系數(shù)載荷<卸扣安全載荷[3]要求校核鋼絲繩、卸扣強(qiáng)度。校核結(jié)果如下:總吊裝系數(shù)1.54,吊裝載荷3 700 kN,系數(shù)載荷5 700 kN,繩圈安全載荷6 970 kN,繩圈使用系數(shù)0.81,卸扣系數(shù)載荷5 700 kN,卸扣安全載荷8 000 kN,卸扣使用系數(shù)0.71。繩圈使用系數(shù)和卸扣使用系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

        圖3 吊索具布置圖

        2.5 浮吊能力校核

        為保證浮吊吊裝安全,根據(jù)挪威船級社相關(guān)規(guī)范,需校核浮吊吊裝高度、吊裝撲距、主臂起重能力、吊鉤起重能力[3]。

        最終校核結(jié)果如下:總系數(shù)1.17,吊鉤載荷6 420 kN,吊鉤系數(shù)載荷7 510 kN,吊鉤安全載荷7 750 kN,吊鉤使用系數(shù)0.97,上述指標(biāo)均滿足要求,吊鉤使用系數(shù)也滿足規(guī)范要求。

        3 生活區(qū)模塊吊裝強(qiáng)度分析

        3.1 吊裝分析

        生活區(qū)模塊吊裝強(qiáng)度分析采用DNV Sesam GeniE 3D有限元分析軟件。生活區(qū)模塊結(jié)構(gòu)采用屈服強(qiáng)度為315 MPa的碳鋼,所有吊耳采用屈服強(qiáng)度為355 MPa的碳鋼,楊氏模量、密度、泊松比均采用鋼材的特性參數(shù)[4-5]。

        3.2 吊裝模型邊界條件和網(wǎng)格劃分

        普通區(qū)域單元格尺寸為200 mm,吊排及與吊排相連區(qū)域單元格取100 mm。吊裝模型邊界為4個(gè)吊鉤位置在X、Y、Z方向的位移固定。吊裝模型載荷結(jié)構(gòu)重量通過模型自動算出,設(shè)備、管子、電纜、舾裝件通過面載荷加載[6]。

        3.3 吊裝分析結(jié)果

        浮吊吊裝模塊工況下,應(yīng)力云圖和變形云圖分別見圖4、圖5,最大組合應(yīng)力和變形量見表2。

        表2 最大組合應(yīng)力和變形值

        圖4 應(yīng)力云圖

        圖5 變形云圖

        4 生活區(qū)模塊水上吊裝流程

        4.1 浮吊系泊力計(jì)算

        總系泊力RT的計(jì)算公式為[7]

        RT=0.7(RB+Rf)+Ra

        式中:RB為剩余阻力;Rf為摩擦阻力;Ra為風(fēng)阻力。

        剩余阻力RB的計(jì)算公式為

        RB=0.147δA1V1.83+0.15V

        式中:δ為方形系數(shù),δ=0.9;A1為水下橫截面面積,A1=701 m2;V為流速,V=2.5 m/s。

        摩擦阻力Rf的計(jì)算公式為

        Rf=1.67×10-3A2V1.83

        式中:A2為水下濕表面積,A2=8 327 m2。

        風(fēng)阻力Ra的計(jì)算公式為

        式中:ρ為空氣密度,ρ=1.22 kg/m3;V1為風(fēng)速,V1=13.8 m/s;Ai為受風(fēng)面積,Ai=3 160 m2;CS為受風(fēng)面積Ai的形狀系數(shù),CS=0.5;Ch為受風(fēng)面積Ai的高度系數(shù),Ch=1.3。

        綜上,得到RB=699 kN,Rf=74 kN,Ra=239 kN,RT=780 kN。

        4.2 浮吊進(jìn)檔系泊

        浮吊停靠碼頭后,準(zhǔn)備作業(yè)時(shí)將船首的2根交叉纜繩系到碼頭纜樁,船尾拋八字錨。通過交叉纜和八字錨控制船位,浮吊可以抵御風(fēng)浪流的影響。根據(jù)系泊力計(jì)算,浮吊自身系泊設(shè)備可以抵御6級風(fēng)和2.5 m/s流的同時(shí)作用。為保證浮吊在陣風(fēng)超過6級時(shí)的安全,使用拖輪在側(cè)面守護(hù),見圖6。

        圖6 浮吊系泊圖

        4.3 浮吊起吊

        (1)在碼頭前沿完成吊索具和掛鉤連接后,使用定位絞車將浮吊移動到生活區(qū)模塊正上方,逐個(gè)將吊鉤下的鋼絲繩與一體吊排上的吊耳連接。

        (2)緩慢升鉤將生活區(qū)吊起,離地5 cm后保持15 min。此時(shí),應(yīng)檢查吊排及反面結(jié)構(gòu)有無明顯變形或裂紋。

        (3)繼續(xù)升鉤到指定高度后將浮吊移動到安裝位置。

        4.4 浮吊移位和安裝

        用拖輪將浮吊移到安裝位置,浮吊艏部左舷和艉部左舷帶纜到碼頭纜樁,浮吊艏部右舷和艉部右舷拋錨。用錨絞車將浮吊緩慢移動到安裝位置上方,緩慢下降吊鉤直到進(jìn)入下方導(dǎo)向并安裝到位。

        5 結(jié)論

        (1)大剛度一體吊排吊裝重型薄壁結(jié)構(gòu)物可以增加吊點(diǎn)區(qū)域結(jié)構(gòu)剛性、減小結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力。

        (2)使用1根鋼絲繩圈繞過吊鉤兩邊溝槽,繩圈兩頭連接到吊排2只吊耳卸扣上,繩圈可在溝槽內(nèi)自由竄動,使2個(gè)吊耳受力均衡,避免因鋼絲繩長短引起的受力不均和壁板撕裂。

        (3)嚴(yán)格按照吊裝工況選擇吊裝安全系數(shù),將動載系數(shù)、重量系數(shù)、重心系數(shù)、搖晃系數(shù)、傾斜系數(shù)疊加后校核模塊自身結(jié)構(gòu)、吊排、卸扣、鋼絲繩和浮吊強(qiáng)度。

        (4)根據(jù)當(dāng)?shù)厮?、氣象條件進(jìn)行浮吊系泊力分析,計(jì)算出風(fēng)、浪、流產(chǎn)生的環(huán)境載荷,校核系泊絞車和錨抓力,必要時(shí)增加拖輪輔助移泊。

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