李接虎

(南通中遠(yuǎn)海運(yùn)船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226006)

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源,目前已經(jīng)受到了世界各國(guó)的高度重視[1]。海上風(fēng)力發(fā)電因其具有更好的風(fēng)能條件和可觀的環(huán)保價(jià)值，其商業(yè)化發(fā)展已由歐洲逐步走向全球。風(fēng)電安裝船作為海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的重要基礎(chǔ)裝備，其未來(lái)的發(fā)展空間十分廣闊[2]。本文具體介紹某5 000 t風(fēng)電安裝船主吊車筒體底座的節(jié)點(diǎn)優(yōu)化方案。

1 項(xiàng)目特點(diǎn)

該風(fēng)電安裝船總長(zhǎng)216.57 m，型寬49 m，型深16.8 m，航行吃水8.5 m，操作吃水10.5 m，設(shè)計(jì)航速14 kn，有效甲板載荷25 370 t，配備有5 000 t全回轉(zhuǎn)重吊，最大吊高170 m，配備LNG雙燃料主機(jī)，且具有LNG冷能再利用，熱能回收功能，同時(shí)配備了DP3定位系統(tǒng)和8點(diǎn)系泊系統(tǒng)，2種定位系統(tǒng)可滿足不同水深的作業(yè)需要。主要用于海上風(fēng)電場(chǎng)的塔身安裝和平臺(tái)拆裝，能夠提高海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)速度和風(fēng)機(jī)的安裝效率。

1.1 主吊車布置特點(diǎn)

該風(fēng)電安裝船具備自航和載運(yùn)能力，除了滿足海上風(fēng)機(jī)組，塔筒等裝備的運(yùn)輸，安裝和維護(hù)作業(yè)，還有一定風(fēng)浪條件下穩(wěn)定作業(yè)的能力[3]。

為了便于風(fēng)塔塔身等大型設(shè)備構(gòu)件的裝載，該項(xiàng)目具有寬大的全平甲板和重甲板載荷的特點(diǎn)。同時(shí)為了盡可能保留有效的甲板裝載面積，主吊車被布置在右舷尾部的位置，不同于常規(guī)的將吊車布置在船體中心線上重吊船。見圖1。

圖1 主吊車平面布置

由于該主吊車吊重和吊高都比較大，偏于一舷的布置方式對(duì)穩(wěn)性的影響很大，因此，該項(xiàng)目左舷壓載艙底部設(shè)置了必要的固定壓載物以抵消這種特殊的布置方式對(duì)穩(wěn)性帶來(lái)的不利影響。

1.2 主吊車筒體底座結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該主吊車底座筒身總高為30.325 m，但主吊車滑環(huán)以下10 m的筒身(此部分結(jié)構(gòu)為厚度70 mm S690QL材質(zhì)的鋼材)為設(shè)備廠家的供貨范圍，船廠的筒身設(shè)計(jì)范圍是主甲板以上的20.325 m。

主吊車底座筒體由上部的圓形筒身，下部與主船體結(jié)構(gòu)對(duì)正的8邊形圍壁和中間的過(guò)渡區(qū)域組成。筒體板主要厚度為80 mm，局部開孔及上部折角過(guò)渡區(qū)域采用了厚度100 mm及以上的加厚板。見圖2。

圖2 筒體底座外形特點(diǎn)

主吊車筒身內(nèi)部的主甲板空間主要用作儲(chǔ)存間，堆放一些小型集裝箱和主吊車吊鉤等設(shè)備，因此主吊車筒身上留有一個(gè)開孔尺寸較大的叉車門，次開孔對(duì)筒體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要特別關(guān)注。開孔周圍筒體板加厚范圍較大。

2 吊車載荷

基于風(fēng)電安裝船的特點(diǎn)和功能要求，本船主吊車具有大吊重和高裝載次數(shù)的特點(diǎn)，見表1。

表1 主吊車支反力和裝載次數(shù)

3 熱點(diǎn)應(yīng)力位置

主吊車結(jié)構(gòu)疲勞主要來(lái)自于以下3個(gè)因素:①波浪載荷(船體梁在中垂/中拱時(shí)的波浪彎曲);②運(yùn)輸過(guò)程中吊車處于不工作狀態(tài)時(shí)的慣性載荷;③起重操作載荷。

本項(xiàng)目主船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命是30年，主吊車設(shè)備設(shè)計(jì)使用壽命是20年。由于主吊車大吊重和高裝載次數(shù)的設(shè)計(jì)要求且船東在設(shè)計(jì)過(guò)程中提出了增加主吊車設(shè)計(jì)裝載次數(shù)的變更，因而主吊車筒體結(jié)構(gòu)在疲勞方面的設(shè)計(jì)問(wèn)題比較突出。經(jīng)協(xié)商，船東能夠接受筒體上折角以上部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)疲勞壽命降低為20年。

采用DNVGL-CG-0129規(guī)范的熱點(diǎn)應(yīng)力法進(jìn)行疲勞壽命的評(píng)定，根據(jù)有限元分析結(jié)果顯示熱點(diǎn)應(yīng)力位置[4]。在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化以達(dá)到提高疲勞強(qiáng)度的目的。節(jié)點(diǎn)優(yōu)化位置如下。

1)主吊車筒體安裝接口取消法蘭連接改為對(duì)接。

2)上折角區(qū)域板厚和內(nèi)部結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化。

3)下折角圓錐形過(guò)渡優(yōu)化為橢圓管過(guò)渡。

4)取消筒體大肘板面板。

5)筒體板水平對(duì)接縫焊后打磨平整。

4 節(jié)點(diǎn)優(yōu)化方案

圖3所示節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行焊后疲勞打磨以提高疲勞強(qiáng)度。根據(jù)DNV-CG-0129 SECTION 3規(guī)定，疲勞打磨所對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)是0.7.根據(jù)DNVGL-CG-0129 APPENDIX F section 2規(guī)定，應(yīng)力折減系數(shù)由板厚和打磨半徑的大小決定。

圖3 法蘭連接改為對(duì)接

4.1 法蘭連接優(yōu)化為板的對(duì)接

1)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化內(nèi)容。

基于DNV-CG-0129規(guī)范Appendix A的規(guī)定,筒體連接節(jié)點(diǎn)優(yōu)化的內(nèi)容為取消原筒體端部法蘭，改為采用筒體直接對(duì)焊的方案。焊后通過(guò)將對(duì)接縫打磨平整來(lái)降低應(yīng)力集中系數(shù)可以達(dá)到滿足設(shè)計(jì)疲勞要求的目的。

2)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化效果。

此優(yōu)化方案除了滿足設(shè)計(jì)疲勞的要求之外還具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)由于主吊車筒體法蘭巨大，需要大型的機(jī)加工設(shè)備才能滿足作業(yè)要求，而在國(guó)內(nèi)這種設(shè)備很難尋找且價(jià)格高昂。取消法蘭連接的方案降低了對(duì)大型機(jī)加工設(shè)備的要求，減少了大量的機(jī)加工工作量，在一定程度上節(jié)約了成本和時(shí)間。

(2)原法蘭連接方案布置有480個(gè)直徑96 mm螺栓孔，同時(shí)需要配套的螺栓螺母。取消法蘭節(jié)省了在法蘭上打孔作業(yè)工作量和時(shí)間，也節(jié)省了購(gòu)買配套螺栓螺母的成本。

(3)含加工余量在的內(nèi)主吊車法蘭厚度不小于200 mm，這部分材料質(zhì)量約為70 t。筒體法蘭為需要進(jìn)口的特殊鋼材，取消法蘭則能夠節(jié)省這部分鋼材的成本。

(4)主吊車法蘭重量較大，重心較高，取消法蘭可以減輕主吊車對(duì)穩(wěn)性的不利影響。

3)優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的要求。

此優(yōu)化方案提高了在建造階段對(duì)接偏差的控制(0.05 t)和焊后疲勞打磨處理的要求，需要嚴(yán)格控制施工質(zhì)量才能達(dá)到比較理想的效果。施工難度和要求有加大。

4.2 筒體上部折角區(qū)域節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

上折角區(qū)域優(yōu)化位置見圖4。

圖4 上折角區(qū)域優(yōu)化位置

1)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化內(nèi)容。

(1)在不影響焊接的前提下，調(diào)整水平桁位置更靠近折角，使得筒體折角得以更加有效的支撐，降低應(yīng)力水平。

(2)折角處的過(guò)焊孔增加軟趾設(shè)計(jì)以利于應(yīng)力釋放。

(3)增大水平桁規(guī)格以降低應(yīng)力水平。

(4)取消上部肘板以減少肘板自由端對(duì)筒體的影響，下部肘板角隅增加應(yīng)力釋放孔以降低應(yīng)力水平。

(5)支撐肘板加大加厚加密以降低應(yīng)力水平。

通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，增加釋放孔等措施顯著降低應(yīng)力水平提高了疲勞強(qiáng)度。疲勞計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5 節(jié)點(diǎn)優(yōu)化后的疲勞分析結(jié)果

2)優(yōu)化節(jié)點(diǎn)要求。

(1)上折角區(qū)域的筒體板焊接后磨平并作100%NDE。

(2)肘板端趾和過(guò)焊孔軟趾連接到筒體的焊縫需要疲勞打磨。

(3)筒體板的對(duì)接偏差不大于板厚的5%。

4.3 筒體圓錐過(guò)渡及下部肘板的優(yōu)化

筒體下部肘板優(yōu)化見圖6。

圖6 筒體下部肘板優(yōu)化

1)方案優(yōu)化內(nèi)容。

(1)將通常情況下采用的錐形板過(guò)渡方案改進(jìn)為橢圓管型式的過(guò)渡板。

筒體板厚度達(dá)80 mm，彎曲半徑越小加工難度越大，錐形板頂端加工半徑趨近于0，強(qiáng)行彎折會(huì)造成材料擠出和破壞，此零件加工方案難以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)DNVGL-RU-SHIP Pt.2 Ch.4.Sec.6 5.2關(guān)于冷加工的要求，當(dāng)材料加工變形量達(dá)到5%以上時(shí)，需要對(duì)加工后的材料進(jìn)行應(yīng)變時(shí)效實(shí)驗(yàn)[5]。(根據(jù)實(shí)踐，成功率較低)。因此，采用橢圓管過(guò)渡板的方案可以降低零件的加工制作難度，也可以避免了錐形板頂端加工半徑不足而導(dǎo)致的材料破壞，同時(shí)可以節(jié)省一部分材料實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用。

(2)移除局部突出的飛邊材料，改進(jìn)為光順的橢圓形板邊過(guò)渡，減少應(yīng)力集中，降低了局部應(yīng)力水平。

(3)取消肘板面板，消除面板端部造成應(yīng)力集中的情況。

(4)肘板優(yōu)化為連續(xù)結(jié)構(gòu)降低應(yīng)力集中系數(shù)。

通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)連接形式，去除結(jié)構(gòu)尖角和面板端部端部等造成應(yīng)力集中的因素，降低了節(jié)點(diǎn)局部的應(yīng)力水平，使得疲勞強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)要求。疲勞計(jì)算結(jié)果見圖7。

圖7 優(yōu)化后的疲勞分析結(jié)果

2)優(yōu)化方案要求。

(1)筒體下口肘板自由邊需要倒角或倒圓。

(2)三角形橢圓管過(guò)渡板周界對(duì)接縫應(yīng)在焊接后打磨平整并作NDT檢查。

(3)外部肘板連接到筒體的焊縫應(yīng)作疲勞打磨處理。

4.4 筒體水平對(duì)接縫焊后磨平

基于DNV-CG-0129規(guī)范Appendix A的規(guī)定,由于主吊筒體應(yīng)力水平較高，筒體水平對(duì)接焊縫需要通過(guò)焊后打磨平整以降低應(yīng)力集中系數(shù)提高疲勞性能。結(jié)果顯示，筒體上折角(35 000 mm ABL)以上區(qū)域難以滿足30年疲勞壽命的要求，協(xié)商后船東接受上折角以上區(qū)域的設(shè)計(jì)疲勞壽命為20年。其他區(qū)域水平對(duì)接焊縫需同時(shí)滿足以下要求：①水平對(duì)接焊縫焊后打磨平整并作100%NDE；②板厚對(duì)接偏差不大于板厚的5%；③由于只存在極少部分區(qū)域應(yīng)水平稍低，可以免除焊后處理的要求，如不做處理必須在相關(guān)圖紙上標(biāo)記處清晰明確的范圍。

5 結(jié)論

結(jié)合本項(xiàng)目主吊車底座圓筒形過(guò)渡到八邊形的特殊外形和由此形成的特殊的結(jié)構(gòu)布置形式，基于DNV規(guī)范的要求，對(duì)于主吊車筒體底座不常規(guī)的設(shè)計(jì)外形和連接形式所帶來(lái)的疲勞和強(qiáng)度問(wèn)題，通過(guò)針對(duì)性的改進(jìn)零件外形，優(yōu)化局部連接方式，焊后打磨處理等方式有效提高結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度。文中所介紹的優(yōu)化方案具有效性和一定的通用性，對(duì)于解決后續(xù)其他項(xiàng)目的類似問(wèn)題具有參考價(jià)值。