蔡 靈，蔣茸茸，施偉林，白立袁，吳 迪

（1. 南通中遠(yuǎn)海運(yùn)船務(wù)工程有限公司，江蘇南通 226006；2. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

清潔能源已成為中國能源體系構(gòu)建的新需求，作為清潔能源的重要組成部分，海上風(fēng)電逐漸成為國家布局的重要能源產(chǎn)業(yè)[1]。海上風(fēng)能具有湍流強(qiáng)度小、主導(dǎo)風(fēng)向穩(wěn)定、節(jié)約土地資源、風(fēng)能平穩(wěn)、無噪聲及景觀污染、資源豐富、宜大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)勢，近年來其開發(fā)利用技術(shù)迅速發(fā)展[2-4]。受此影響，作為海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)主要開發(fā)裝備之一的大型風(fēng)電安裝船也迎來了快速發(fā)展。王徽華[5]針對自升式起重安裝平臺吊裝的安全性開展平臺插樁入泥深度的計算方法研究。劉建峰[6]對自升式海上起重安裝平臺在船型設(shè)計階段的模型試驗(yàn)進(jìn)行研究，對相似船型的設(shè)計具有重要參考價值。陳科等[7]應(yīng)用ABAQUS有限元軟件對海上起重安裝平臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，研究考慮了吊裝、預(yù)壓等多種工況。

自升式風(fēng)電安裝船一共有4個樁靴，每個樁靴含有3 個需要吊裝翻身的齒條板，船體建造過程共涉及12 次翻身作業(yè)。若采用焊接工藝進(jìn)行固定，則需要制造12 套焊接吊耳，不僅浪費(fèi)吊裝工裝材料，還不經(jīng)濟(jì)、效率低、浪費(fèi)工時。為保證海上風(fēng)電安裝船吊裝的綠色和經(jīng)濟(jì)性，本文以某風(fēng)電安裝船樁腿主弦管吊裝為例，對現(xiàn)行船廠主弦管吊裝方案進(jìn)行分析，提出新型主弦管吊裝工裝結(jié)構(gòu)，并采用有限元方法對不同工況下主弦管起吊階段的受力與變形情況進(jìn)行分析。

1 主弦管吊裝現(xiàn)狀

桁架式樁腿底部結(jié)構(gòu)及主弦管模型見圖1。在樁腿搭載期間，共有3 根主弦管需要起吊后插入樁靴內(nèi)側(cè)，在起吊前主弦管處于平放狀態(tài)。因此，搭載期間需要對主弦管進(jìn)行翻身起吊，主弦管巨大的質(zhì)量是起吊作業(yè)需要解決的重點(diǎn)難題。目前，在進(jìn)行齒條和樁腿類工件的吊裝及翻轉(zhuǎn)時，通常將吊耳直接焊接在主弦管的頂部，然后通過卸扣、鋼絲繩等工裝將重物懸掛于吊機(jī)上。然而，由于吊耳通過焊接才可使用，且經(jīng)過多次焊接和切割的吊耳必須報廢，故該方案具有使用成本高、工作效率低、重復(fù)利用率低等不足。

圖1 桁架式樁腿底部結(jié)構(gòu)及主弦管模型圖

此外，在搭載期間還需要將繩索安裝于主弦管下側(cè)進(jìn)行輔助作業(yè)，這種方法同樣存在明顯不足：1）在吊裝及翻身的過程中，繩索與主弦管之間存在相對滑動，易對主弦管造成劃傷或磕碰，需要進(jìn)行人工修正；2）該方法對吊具與繩索的傷害極大，易導(dǎo)致吊具或繩索斷裂，存在安全隱患。

2 新型工裝設(shè)計方案

為解決現(xiàn)行吊裝方案的各種問題，本文根據(jù)主弦管樁腿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出一種新型貓頭鷹式機(jī)械固定式吊耳工裝（見圖2），其主要特點(diǎn)如下：1）在吊裝齒條板時，將主弦管翻轉(zhuǎn)成豎直狀態(tài)，方便主弦管插入樁靴之中，便于其安裝；2）可有效減少起吊時主弦管樁腿與繩索、吊具之間的磨損；3）縮短建造工時、提升工裝重復(fù)利用率、降低建造成本、綠色環(huán)保。

圖2 新型貓頭鷹式機(jī)械固定式吊耳工裝

為便于主弦管焊接，在建造樁腿分段時，為窗戶板預(yù)留300 mm 寬的空隙，可利用該間隙設(shè)計兩個對稱的半卡具吊耳，再用螺栓將2 個半卡具吊耳固定，讓螺栓僅承受小部分的水平分力。預(yù)留間隙示意見圖3。工裝母材規(guī)格見表1。

表1 工裝母材規(guī)格

圖3 預(yù)留間隙示意圖（單位：mm）

根據(jù)主弦管自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，吊裝工裝在主弦管上端利用機(jī)械卡具安裝固定原理進(jìn)行固定并連接主弦管與吊機(jī)。

在對吊耳進(jìn)行安裝時，在工裝頂部通過延伸出來的主耳板與耳貼板與吊耳進(jìn)行對接，再通過螺栓與螺母的組合方式進(jìn)行固定，以達(dá)到反復(fù)利用的目的。

3 吊裝工藝方案

在材料工裝選擇方面，部件母材均選用Q345B鋼材。所有部件均采用“填腳焊＋熔透焊”的焊接模式，填腳焊縫處需做100%磁粉檢測（Magnetic Particle Testing, MT），全熔透焊接處做100%超聲波探傷（Ultrasonic Testing, UT）與100%MT?？ň叻砉ぱb在車間進(jìn)行整體預(yù)制，該工裝與主弦管之間無需焊接且拆卸方便，可實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用。

根據(jù)齒條吊裝順序，預(yù)先將齒條吊裝工裝安裝到位，兩側(cè)卡具通過螺栓進(jìn)行緊固，見圖4。

圖4 齒條吊裝工裝

在主弦管搭載期間，需要將繩索與護(hù)齒工裝安裝于主弦管下側(cè)進(jìn)行輔助作業(yè)。齒條板底部需要安裝圓柱狀輔助翻身裝置以實(shí)現(xiàn)保護(hù)。吊帶與護(hù)齒工裝示意見圖5。輔助翻身裝置示意見圖6。主弦管吊裝固定式吊耳不僅能有效減少焊接作業(yè)過程和搭載結(jié)束后的吊耳切割過程，還能配合護(hù)齒工裝保護(hù)齒條和樁腿底部尖端的完整性。

圖5 吊帶與護(hù)齒工裝示意圖

圖6 輔助翻身裝置示意圖（單位：mm）

在吊裝工裝、吊帶與輔助翻身裝置安裝結(jié)束后進(jìn)行齒條板翻身作業(yè)。將起重設(shè)備的鋼絲繩或吊帶連接至齒條吊裝吊耳設(shè)備的2 個卸扣，啟動吊機(jī)，將齒條板緩緩提升至豎直狀態(tài)。在進(jìn)行翻身作業(yè)過程中，鋼絲繩或吊帶的安全操作限重為20 t，卸扣的安全操作限重為35 t。

4 工裝強(qiáng)度校核

根據(jù)齒條板的吊裝工況，采用SOLIDWORKS軟件對齒條板和吊裝工裝進(jìn)行建模，見圖7。在三維模型建模結(jié)束后，將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)行優(yōu)化并進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，得到具有物理屬性的有限元模型，見圖8。

圖7 三維模型

圖8 有限元模型

齒條板總質(zhì)量為27 t，依據(jù)吊裝工裝實(shí)際的工作狀態(tài)，吊具主要承受自身重力與齒條板重力的作用。根據(jù)實(shí)際情況，共設(shè)置0°、45°、90°等3 種翻身工況，見圖9。由于齒條樁腿分段結(jié)構(gòu)的質(zhì)量較大，在對齒條樁腿進(jìn)行吊裝作業(yè)時，為避免上升速度過快而對齒條板和吊裝工裝造成結(jié)構(gòu)破壞，會將吊裝過程控制得極為緩慢。因此，可將指定階段的吊裝作業(yè)作為靜態(tài)過程來進(jìn)行分析。

圖9 翻身工況示意圖

經(jīng)仿真計算，吊裝過程中，最大應(yīng)力與最大變形均發(fā)生在工況1，最大應(yīng)力為69.97 MPa，發(fā)生在吊耳與面板的相接位置；最大變形為0.35mm，發(fā)生在吊耳最頂端，均滿足規(guī)范要求。工況1應(yīng)力云圖和變形云圖分別見圖10 和圖11。

圖10 工況1 應(yīng)力云圖

圖11 工況1 變形云圖

5 結(jié)論

本文以某風(fēng)電安裝船樁腿主弦管吊裝為例，分析了現(xiàn)行船廠主弦管吊裝方案，提出了一種新型貓頭鷹式機(jī)械固定式吊耳工裝，并采用有限元方法對不同工況下主弦管起吊階段的受力與變形情況進(jìn)行分析。結(jié)果表明：新型主弦管吊裝工裝結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，可有效減少母材的使用、提升經(jīng)濟(jì)性、減少焊接件的拆除作業(yè)量，減少工時，提升齒條板質(zhì)量。研究成果可為風(fēng)電安裝船主弦管吊裝工裝設(shè)計提供一定參考。