高瑋珺

上海浦東國(guó)際集裝箱碼頭有限公司 上海 200120

0 引言

隨著大型船廠設(shè)備的更新?lián)Q代，單臂架門座起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱門機(jī)）的噸位也越來(lái)越大，有些門機(jī)的起重量已達(dá)500 t以上。單臂架門機(jī)利用桁架結(jié)構(gòu)的鋼箱梁吊載較重部件，其不像四連桿式門機(jī)有旋轉(zhuǎn)速度快、起升安裝效率高等優(yōu)點(diǎn)，但其吊重噸位大，安裝半徑遠(yuǎn)，深受大型船舶制造廠商歡迎。

由于這種門機(jī)的安裝優(yōu)點(diǎn)，單臂架門機(jī)的尾部配重機(jī)構(gòu)及自重也較四連桿式門機(jī)重，致使整機(jī)發(fā)運(yùn)難度較大。以往發(fā)運(yùn)的單臂架門機(jī)經(jīng)常在海上出現(xiàn)焊縫開(kāi)裂、綁扎件斷裂甚至門機(jī)部件破壞性撕裂等現(xiàn)象，通過(guò)綁扎方案的創(chuàng)新和改進(jìn)，海損事件未再發(fā)生，本文主要介紹整機(jī)海運(yùn)綁扎件的優(yōu)化過(guò)程，來(lái)保證單臂架門機(jī)在海運(yùn)過(guò)程中的安全保障。

1 背景

國(guó)內(nèi)某起重設(shè)備廠2018年從美國(guó)訂購(gòu)了2臺(tái)300 t單臂架門機(jī)，由于制造基地位于美國(guó)南部沿海地區(qū)，處于墨西哥灣內(nèi)，運(yùn)送這2臺(tái)設(shè)備需穿越巴士海峽、中國(guó)南海、好望角等惡劣海域，其中非洲好望角尤以出名。根據(jù)交貨合同推算，該門機(jī)運(yùn)輸時(shí)正值好望角最惡劣時(shí)段，浪高估算值達(dá)到了10 m。與這2臺(tái)門機(jī)同船發(fā)運(yùn)的還有2臺(tái)美國(guó)的岸邊集裝箱起重機(jī)，該船舶穩(wěn)性以及加速度參數(shù)為：初穩(wěn)性GM＝10.97 m（不考慮自由液面修正) ；設(shè)計(jì)有義波高Hs＝6 m，波浪周期為8.8 s＜Tp＜13.4 s，計(jì)算波譜Pierson-Moskowitz Spectrum（P-M譜）、Spreading=2。

該船舶的運(yùn)動(dòng)幅值（MPME）橫搖角為17.579°，縱搖角為3.555°；產(chǎn)品（距船舯最遠(yuǎn)的1臺(tái))在橫浪、縱浪、斜浪的橫向、縱向、垂向加速度值線性方程如表1所示。

表1 橫、縱、斜浪向的加速值線性方程

這臺(tái)300 t單臂架門機(jī)整機(jī)重1 700 t，主鉤吊重300 t，半徑為24.384 m，起吊高度為82.296 m，副鉤吊重為95 t，半徑為62.484 m，起吊高度為65 m，軌距和基距均為18.288 m，臂架長(zhǎng)度為75.4 m，臂架仰起最小幅度為80o，最大幅度可達(dá)0o（平放），配重為480 t。由于門機(jī)碼頭軌道形式為井字形，所以大車行走機(jī)構(gòu)可以90o旋轉(zhuǎn)并移動(dòng)。

該項(xiàng)目具有單臂架門機(jī)噸位重、船舶航行距離遠(yuǎn)、經(jīng)過(guò)惡劣海況區(qū)域多、加速度大等特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)數(shù)次發(fā)運(yùn)門機(jī)海損教訓(xùn)后，對(duì)如何保障本次門機(jī)安全運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)提出了更嚴(yán)格的要求。

2 常規(guī)門機(jī)綁扎方式

2.1 綁扎方案一

1）甲板和門架部分采用八橫四縱式12根撐桿焊接的下部綁扎方式；

2）從船甲板面至轉(zhuǎn)盤配重底部安裝一個(gè)高塔架以支撐配重的質(zhì)量，且將轉(zhuǎn)盤固定以防轉(zhuǎn)盤在海運(yùn)時(shí)旋轉(zhuǎn)；

3）將臂架仰起至最小幅度，在臂架和人字架之間安裝2根撐桿以固定臂架；

該綁扎方式的缺點(diǎn)是：需要一個(gè)較高的塔架，制造成本較高，且每次發(fā)運(yùn)高塔架都要根據(jù)門機(jī)的不同形狀來(lái)改制高塔架；當(dāng)卸船完成后，高塔架需在船上放倒，以防高塔架在返航途中傾倒 ；由于臂架仰起后高度過(guò)高，船舶發(fā)生搖擺而造成臂架變形，發(fā)生海損現(xiàn)象。

2.2 綁扎方案二

采用綁扎方案一時(shí)，臂架中部經(jīng)常性出現(xiàn)結(jié)構(gòu)件變形甚至臂架在海運(yùn)過(guò)程中折斷。考慮到臂架在單臂架門機(jī)中的重要性，需對(duì)方案一進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，即在臂架頭部再安裝一個(gè)高塔架，發(fā)運(yùn)時(shí)將臂架放倒，擱置在高塔架上，將高塔架與臂架焊接固定在一起（見(jiàn)圖1）。

圖1 綁扎方案二現(xiàn)場(chǎng)

該種綁扎方式的缺點(diǎn)是：需要制作2幅高塔架，成本較高；由于塔架和臂架剛性連接，加之船舶在航行中的搖擺，使臂架和高塔架之間連接的焊縫經(jīng)常撕裂，但較方案一的海損率有大幅降低，損失也相對(duì)較小。

2.3 綁扎方案三

由于配重側(cè)的高塔架每次發(fā)運(yùn)都需根據(jù)門機(jī)配重側(cè)高度進(jìn)行改制，且每次卸船完畢后需另借用移動(dòng)設(shè)備將高塔架放倒，制造成本和安裝成本均較高，故先后采用過(guò)2種剛性綁扎的方法來(lái)替代（見(jiàn)圖2）。

圖2 2種剛性綁扎形式

方法1：先將圓筒體加強(qiáng)，再在配重和圓筒體之間焊接2根撐桿，這種方式既能固定轉(zhuǎn)盤不讓其轉(zhuǎn)動(dòng)，又能使船舶搖擺產(chǎn)生的力直接由配重傳遞至圓筒體。

方法2：在圓筒體上部靠近轉(zhuǎn)盤底部處制作4個(gè)支座，支座和轉(zhuǎn)盤底部之間焊接鋼管，支座下部安裝4根鋼絞線，鋼絞線直接拉至甲板面上。這種方式在利用鋼管將轉(zhuǎn)盤固定的同時(shí)也能利用鋼絞線的拉力將轉(zhuǎn)盤拉緊，使圓筒體根部不會(huì)承受較大的翻轉(zhuǎn)彎矩，保護(hù)結(jié)構(gòu)件。

然而，這2種剛性綁扎的方式容易產(chǎn)生較大的集中應(yīng)力，船舶通過(guò)搖擺將力傳遞至構(gòu)件上，構(gòu)件產(chǎn)生位移，綁扎焊縫就會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象，將綁扎件或構(gòu)件破壞，失去海運(yùn)綁扎的效果。

3 方案改進(jìn)

總結(jié)上述3種綁扎方案的海損經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本次300 t門機(jī)自身的設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及船舶運(yùn)輸路線的惡劣性，決定吸取部分好的綁扎方案，并改進(jìn)有過(guò)海損的部位來(lái)編制新的海運(yùn)綁扎方案來(lái)保障此次的發(fā)運(yùn)工作。

3.1 甲板綁扎

選用綁扎方案一的甲板綁扎方案。常規(guī)的門機(jī)只能沿著碼頭橫向移動(dòng)，所以甲板綁扎撐桿一般都是橫八縱四的綁扎形式。本次300 t門機(jī)由于碼頭軌道結(jié)構(gòu)的特殊性，大車行走機(jī)構(gòu)需90o旋轉(zhuǎn)，所以門腿設(shè)計(jì)的形式不同以往結(jié)構(gòu)，對(duì)于甲板綁扎的難度也較大。

根據(jù)船甲板的筋板分布和門腿的菱形結(jié)構(gòu)，新方案同樣采用12根直徑為914 mm撐桿的綁扎形式，但每根撐桿都將偏移一定的角度共同分擔(dān)船舶的橫搖力和縱搖力，同時(shí)克服相應(yīng)的垂向力和橫搖、縱搖引起的翻轉(zhuǎn)彎矩。綁扎形式如圖3所示。

圖3 甲板綁扎形式

3.2 臂架綁扎

選用綁扎方案二的臂架綁扎形式，如圖4所示。該方案的臂架綁扎形式能顯著提高臂架在發(fā)運(yùn)時(shí)的安全性，對(duì)于順利安全地通過(guò)好望角等惡劣海域能起到非常大的幫助。

圖4 臂架綁扎形式

通過(guò)臂架結(jié)構(gòu)形式的研究和對(duì)海損情況的分析，臂架和高塔架連接的方式需進(jìn)行以下改進(jìn)：

1）在臂架俯仰纏繞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，增加卷筒鋼絲繩的長(zhǎng)度，使整個(gè)臂架能夠放倒至負(fù)角度，順利擱置到高塔架上；

2）在臂架中部安裝4根直徑為28 mm的鋼絲繩，并用10 t螺旋扣拉緊，使臂架在航行中不會(huì)跳起。利用鋼絲繩的柔性綁扎，達(dá)到綁扎不會(huì)過(guò)度的作用，避免了臂架中部在海運(yùn)中產(chǎn)生變形；

3）臂架頭部擱置在高塔架上后，僅安裝左右兩側(cè)的擋板并貼緊臂架，限制臂架的橫向和縱向的自由度，充分釋放垂向自由度，使臂架頭部在高塔架上可以充分釋放應(yīng)力，保證臂架頭部不會(huì)出現(xiàn)變形；

4）在高塔架頂部安裝2塊1 m見(jiàn)方的耐磨板，使臂架擱置在高塔架時(shí)不會(huì)磨損臂架頭部結(jié)構(gòu)件，保護(hù)臂架的同時(shí)也能允許臂架有較小的位移。

3.3 轉(zhuǎn)盤綁扎

轉(zhuǎn)盤綁扎方式每次在運(yùn)輸時(shí)都會(huì)有一定程度損壞，如圖5所示焊縫開(kāi)裂等，需重新設(shè)計(jì)新的轉(zhuǎn)盤綁扎形式總結(jié)了之前海損的教訓(xùn)后，得出以下結(jié)論：

圖5 焊縫開(kāi)裂

1）轉(zhuǎn)盤以上部分質(zhì)量較下部門腿及大車行走機(jī)構(gòu)較重，形成了頭重腳輕的形態(tài)；

2）之前焊接綁扎的連接形式剛度過(guò)大，只要轉(zhuǎn)盤部位稍有位移或震動(dòng)，綁扎件焊縫就會(huì)破裂，產(chǎn)生裂縫；

3）轉(zhuǎn)盤配重側(cè)的高塔架成本較高，且船舶返航時(shí)，空船搖擺幅度更大，高塔架非常容易倒塌。

經(jīng)過(guò)以上3點(diǎn)考慮決定采用圖6所示轉(zhuǎn)盤綁扎形式，其特點(diǎn)為：

圖6 轉(zhuǎn)盤綁扎形式

1）取消了高塔架，采用拉鋼絞線的方式來(lái)減小圓筒體根部承受的彎矩；

2）在門機(jī)設(shè)計(jì)階段將原本固定配重的形式改為活動(dòng)配重。在發(fā)運(yùn)前將其全部拆除，待卸船后再將其安裝到位進(jìn)行焊接固定。由此，在海運(yùn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)盤上部質(zhì)量將減輕至少480 t，有效降低了單臂架門機(jī)頭重腳輕的形態(tài)；

3）在門機(jī)圓筒體內(nèi)部新增一組旋轉(zhuǎn)錨定點(diǎn)，使臂架轉(zhuǎn)動(dòng)到綁扎所需的角度后，進(jìn)行第一重固定保護(hù)；

4）在圓筒體外部安裝4組支座，支座與轉(zhuǎn)盤底部采用箱體連接，但與之前焊接鋼管的連接方式不同，此次綁扎采用螺栓法蘭的方式連接，并用焊接抗剪塊的形式防止螺栓剪切，形成第二重固定保護(hù)；

5）在支座下部安裝4組鋼絞線，經(jīng)過(guò)計(jì)算，每組鋼絞線僅需對(duì)圓筒體增加約30 t拉力，即可保護(hù)圓筒體根部承受的橫、縱搖引起的彎矩。

改進(jìn)后的綁扎形式有效緩解了原本焊接帶來(lái)的易開(kāi)裂現(xiàn)象，降低了連接處剛度過(guò)大的問(wèn)題，而且通過(guò)轉(zhuǎn)盤的雙重固定保護(hù)，有效提高了海運(yùn)途中的安全性，更重要的是在現(xiàn)場(chǎng)解綁更安全、更便捷，省去了許多動(dòng)火現(xiàn)象且控制了制造成本。

3.4 綁扎的有限元計(jì)算結(jié)構(gòu)

通過(guò)前述方案的創(chuàng)新和改進(jìn)，使整個(gè)方案更具合理性。由圖7所示應(yīng)力云圖可知，在橫浪90o的情況下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在圓通體根部，最大應(yīng)力為236 MPa，低于許用應(yīng)力325 MPa（圓通體板厚為16 mm）,且安全系數(shù)約為1.3。由應(yīng)力云圖結(jié)果顯示，該綁扎方案能夠滿足船舶海運(yùn)綁扎的要求，采用新的整機(jī)綁扎方案后的形式如圖8所示。

圖7 應(yīng)力云圖

圖8 整機(jī)綁扎照片

4 結(jié)論與展望

目前，運(yùn)輸船舶已將這2臺(tái)300 t單臂架門機(jī)安全運(yùn)送到美國(guó)采購(gòu)方處，新設(shè)計(jì)的海運(yùn)綁扎方案順利通過(guò)了惡劣海域的考驗(yàn)，證明了新方案的可行性和合理性。新方案在考慮海綁質(zhì)量以及安全的同時(shí)，又能有效降低制造成本，并提高環(huán)保質(zhì)量。今后新方案可在類似的其他門座起重機(jī)項(xiàng)目中得以實(shí)施，使之進(jìn)一步推廣。