梁麗詩 趙曉東 鐘發(fā)明

摘? ? 要：某型船大曲度鋁合金分段由于追求空間利用率，設計結構空曠，縱橫壁板結構少，在分段吊裝及搭載過程中存在較大的結構變形風險。為降低分段扭曲變形風險和分段吊裝安全風險，介紹了一種將吊環(huán)加強一體化設計應用在大曲度鋁合金分段上的吊裝加強工藝方法，能有效降低分段加強設計用量，實現(xiàn)吊裝變形可控，為輕量化鋁合金分段吊裝安全、吊裝變形提供了技術保障，為大型鋁合金船舶建造提供了可借鑒案例。

關鍵詞：船舶鋁合金分段；大曲度分段吊運；吊環(huán)

中圖分類號：U671.71 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

The Application of Integrated Design of Ring Reinforcement

in Aluminum Alloy Segments

LIANG Lishi，? ZHAO Xiaodong，? ZHONG Faming

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.，? Guangzhou 510715 ）

Abstract： Due to the pursuit of space utilization， the design structure of a certain type ship with large curvature aluminum alloy segment is empty， the number of longitude and transverse wall plate structures is small， and there is a greater risk of structural deformation during the process of segment lifting and loading. In order to reduce the risk of segmental distortion and deformation and eliminate the safety risk of segment hoisting， this paper introduces a process method of applying the integrated design of lifting ring and reinforcement to the lifting and strengthening design， effectively reduce the design quantity for segments strenthening， realize controllable lifting deformation， and provide technical support for the safety and lifting deformation of lightweight aluminum alloy segments. It provides a reliable reference case for the construction of large aluminum alloy ships.

Key words： ship aluminum alloy segment; large curvature sectional lifting; lifting ring

1? ? ?前言

目前我司承建了一艘外形科幻的新型船舶，該船多種船舶系統(tǒng)為我國自主研制。為降低船體重量，該船采用輕量化設計，全船采用鋼鋁混合結構。為塑造其上層建筑分段的科幻外形，突出海洋新生物特點和科研空間有效利用，上層建筑選用了鋁合金材質，具有比重小、抗腐蝕性好、易于加工塑形、成本低等優(yōu)點，但也帶來了鋁合金相對于鋼質材料易變形導致分段線形難以控制和分段吊裝容易扭曲變形的難題。面對該船分段劃分尺寸重量大、上下貫穿4層甲板、設備安裝開口大結構弱易產(chǎn)生較大變形等風險因素，攻關人員從降低分段整體加強設計量和增強吊裝安全性方面入手，設計了一款吊環(huán)加強一體化吊裝工裝，消除了吊運安全風險因素，保質保期順利完成了該船的建造交付。

2? ? ?分段吊裝的吊環(huán)選取

按照現(xiàn)有吊環(huán)設計技術，適用于于鋁合金分段吊裝的吊環(huán)類型有三種：焊接式鋁質吊環(huán)；插入式鋁質吊環(huán)；螺柱式鋼質吊環(huán)。

2.1? ?焊接式鋁質吊環(huán)

焊接式鋁質吊環(huán)，一般安裝在船體甲板面或其它強力結構面上，雖然其取材方便、制作簡單，但也存在以下缺點：不適用于大型的較重鋁質分段安裝，一是其材質屈服強度較低，同噸位吊環(huán)較鋼質吊環(huán)外形尺寸大、焊接量大、安裝極易產(chǎn)生較大熱輸入焊接變形；二是鋁質吊環(huán)與母材焊接后其焊縫熔合區(qū)域焊接強度比母材強度較弱，起吊大噸位鋁質分段存在焊縫受力過大易撕裂的安全風險；三是理論上焊接式鋁質吊環(huán)可以設計成多點聯(lián)吊方式，但在施工過程中為防止吊環(huán)受力不均的情況，多數(shù)需要使用鋼索和滑輪組進行連接分散吊環(huán)受力，以及使用專用吊梁工裝搭配進行吊裝。此種吊環(huán)施工方法準備時間長、后續(xù)拆除及吊環(huán)切割打磨工作量大，工裝非標準化通用性差，生產(chǎn)效率低，成本高。

2.2? ?插入式鋁質吊環(huán)

插入式鋁質吊環(huán)是一種由外圍壁、縱壁或橫艙壁加厚延伸而成的吊環(huán)，如圖1所示。插入式鋁質吊環(huán)與船體艙壁板采用對接焊方式進行連接，吊裝時可將拉力傳導至壁板，設計較為簡單，制作方便且可承載較大噸位分段，但也存在以下缺點：一是吊環(huán)的材質為鋁合金，屈服強度較低，對船體分段內部結構要求較高，壁板板厚較大，相互約束面多，因此插入式鋁質吊環(huán)更適合用于縱橫壁板多且開孔少的分段；二是插入式鋁質吊環(huán)的的設計需同分段結構設計同時進行，比其他類型的吊環(huán)設計提前了一個階段，可用的設計時間較少，且制作安裝的時間也提前到了組立階段，吊環(huán)設計難以更改，更換其他類型的吊環(huán)也很繁瑣；三是吊環(huán)與船體艙壁板連接在一起，要求吊環(huán)附近一定范圍內的艙壁板不可開孔，增加了后續(xù)壁板切割打磨工作量，也對后續(xù)工序的安排有所影響。

本船鋁合金分段開口大，外部線型復雜曲率大，內部沒有全貫通縱橫壁，壁板約束少，吊裝時容易發(fā)生結構變形或撕裂。

2.3? ?螺柱式鋼質吊環(huán)

螺柱式鋼質吊環(huán)是一種使用螺栓、螺母和雙頭螺柱組合而成安裝在甲板面進行緊固連接的吊環(huán)，一般安裝于甲板縱桁、強橫梁非結構面或帶筋板非結構面[1]。螺柱式鋼質吊環(huán)雖然配套材料準備、安裝設計策劃、制作安裝等工作較為繁瑣，但其具有受力載荷大、安裝拆卸方便、可重復利用等特點，節(jié)省后續(xù)船體分段的吊環(huán)配套材料準備的工時，大大縮短了材料準備周期。而且安裝時吊環(huán)無需與船體結構進行焊接，吊環(huán)附近船體結構縱橫交錯受拉強度大，可滿足大噸位分段吊裝作業(yè)需求，如圖2所示。

3? ? 螺柱式鋼質吊環(huán)分段吊裝整體加強一體化設計

3.1? ?吊環(huán)受力方向優(yōu)化

常規(guī)螺柱式鋼質吊環(huán)安裝方向多數(shù)與鋼質墊板板端平齊安裝，同時配合吊梁掛鉤與吊環(huán)垂直受力進行吊裝作業(yè)，以求最大限度減少斜拉角度掛鉤設計，降低鋁合金分段受力不均產(chǎn)生變形的概率。

考慮到本船鋁合金分段線型復雜、吊環(huán)安裝位置和安裝方向受力受限、分段重量重且分布不均勻、吊梁制作成本高等實際情況，結合本船分段外板/甲板多為10 mm左右厚板，局部強度相對較好，在安全吊裝的基礎上從分段吊裝受力最優(yōu)、吊裝設計最簡單、成本有效降低等方面對本船分段螺栓式鋼質吊環(huán)安裝方向進行小改動，以實現(xiàn)不使用專用吊梁即可完成大噸位復雜線型分段的吊裝作業(yè)，具體設計優(yōu)化方法是：在不使用吊梁的情況下，直接將吊繩與吊環(huán)連接，通過改進吊環(huán)安裝方向，明確吊環(huán)在鋼質墊板對角線方向進行安裝，分散吊環(huán)吊裝時受力，從而實現(xiàn)吊裝受力均衡分布，防止單個吊環(huán)受力集中撕扯。

圖3所示為吊環(huán)改進前后水平截面圖：以某預估重量為28 t的分段為例，吊繩的拉力約為750 kN，吊繩與水平面的夾角約為72°，改進前的吊環(huán)在y方向（船寬方向）上受到一個約為200 kN的分力，而只有單邊約束的吊環(huán)在受到如圖中所示方向的同等拉力下，在單y方向受力遠比在x方向（船長方向）易彎曲變形甚至撕裂；改進后的吊環(huán)受力方向與在鋼墊板上的安裝方向一致，吊環(huán)在此方向的抗剪能力更大，在此情況下，不使用吊梁也能增強分段吊運過程中的抗擠壓變形能力。

3.2? 吊環(huán)與分段吊裝整體加強一體化

按傳統(tǒng)分段整體臨時加強設計方法，鋁質分段翻身傳力加強、吊運保型加強、放置支撐加強等，多數(shù)采用鋁質連接板將鋁質分段與鋼質臨時加強材通過螺栓緊固的方式進行有效連接，使之形成縱橫框架式整體臨時加強，以此消除分段吊運、翻身、放置等工序過程中受力不均產(chǎn)生的變形和失穩(wěn)風險[2]，如圖4所示。此種臨時加強設置方法，雖然在薄板鋁質分段建造過程中使用效果較好，但同時也存在以下缺點：一是臨時加強設置過多，額外增加了分段吊裝整體重量，會出現(xiàn)分段臨時加強重量多過分段結構重量的現(xiàn)象，分段加強集中區(qū)域受力過大，造成局部出現(xiàn)撕裂掉落的安全風險；二是臨時加強安裝工作量大，需要使用較多螺栓將鋁質分段與鋼質槽鋼連接，增加了工時成本；三是臨時加強拆除后，需要對鋁質連接板區(qū)域進行后期打磨拋光處理，增加了工作量。

傳統(tǒng)設計中，設計橫向加強主要是為了保證分段線型，防止分段吊運、翻身等情況下的變形，而根據(jù)本船鋁合金分段結構板厚、縱橫強骨材規(guī)格較大，自身橫向支撐效果較好，以及內部結構空曠的特點，同時本船鋁合金分段采用正造方式無需翻身，且吊環(huán)安裝方向調整后分散了吊裝受力，故決定不設計橫向加強；豎向加強主要起到支持作用，決定采用圓管代替豎向槽鋼加強，直接將圓管與鋼質螺栓式吊環(huán)進行焊接，形成吊環(huán)一體化加強措施，減少了連接板的使用，且保持了分段擱置的穩(wěn)定性。

以上加強設計，能有效解決鋁質分段臨時加強過多大量使用槽鋼的工藝方法，實現(xiàn)了以下方面的工藝創(chuàng)新：一是減少了槽鋼加強材料使用量，分段整體起吊重量大幅降低，使分段吊運重力下垂變形發(fā)生概率明顯降低；二是吊環(huán)下方安裝的圓管，有效解決了分段上支（門）架放置臨時支撐加強需求，減少了不同加強材料的安裝用量；三是整個分段整體加強材料用量大幅減少，降本增效效果明顯；四是一體化工裝應用消除了大量鋁質連接板焊接帶來的后期批補磨工作量，質效提升明顯。

吊環(huán)加強一體化安裝示意圖，如圖5所示。

4? ? 應用效果

4.1? 控制分段變形

通過將鋼質螺柱式吊環(huán)與鋁合金分段所需鋼質支撐臨時加強材巧妙設計，組合成一體化吊裝支撐工裝，使大型厚板鋁合金分段吊運加強方案得到創(chuàng)新優(yōu)化，有效解決了傳統(tǒng)厚板鋁合金分段大量安裝臨時加強材的情況，推進了厚板鋁合金分段吊運加強工藝的提質增效優(yōu)化；分段建造線型光順美觀，船體防變形精度可控，為分段吊運安全、搭載合攏精度等工序質量、安全、生產(chǎn)提供了堅實的保障條件。

4.2? ?降低耗材成本

如表1所示為各種類型的吊環(huán)以及加強分段安裝、吊運、割除打磨消耗工時對比表。

由表1可見，采用螺柱式鋼質吊環(huán)分段吊裝一體化后，施工效率得到了大幅提升，材料使用量降低，降本增效明顯。

5? ? ?總結

某型船鋁合金分段在吊環(huán)處應力集中，極易發(fā)生變形，選取吊環(huán)加強一體化設計，使螺柱式鋼質吊環(huán)分散應力，抗擠壓變形的能力更強，避免了使用吊架，使分段在有限吊高下安全吊運；吊環(huán)加強一體化設計方案，通過合理、科學的分段吊運及加強設計，不僅有效地控制了變形，保證分段吊運順利、安全，提高了產(chǎn)品質量，為鋁合金船舶的建造提供強有力的保障，同時也節(jié)約了材料，降低了勞動強度，促進了公司效益的增加。設計方案在某型船上取得的良好應用效果，對公司后續(xù)船類似分段的吊運及加強方案設計，對保證吊運安全、提高方案合理性具有重要意義。

參考文獻

[1] 張吉，黃健，邱文.雙板螺栓連接式鋼質吊環(huán)在鋁合金分段吊裝上的應用[J].滬東中華技術情報，2015（1）.

[2] 應長春.船舶工藝技術[M].上海：? 上海交通大學出版社，2013.