唐旭東,張鵬飛,鄔卡佳
(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院,上海 200011)
隨著我國(guó)對(duì)海洋資源開(kāi)發(fā)的需求不斷加大,開(kāi)發(fā)海域已逐漸由淺海向深海發(fā)展,與此同時(shí),對(duì)深海海洋裝備的需求也日益增加。作為深海開(kāi)發(fā)的重要裝備之一,深海主動(dòng)升沉補(bǔ)償起重機(jī)可在惡劣環(huán)境條件下為深水吊裝作業(yè)提供可靠的服務(wù)。
與常規(guī)起重機(jī)相比,一方面深海起重機(jī)的作業(yè)水深達(dá)到數(shù)千米級(jí)別,因此絞車(chē)容繩量和體積也相應(yīng)很大,起重機(jī)本體自帶的絞車(chē)已無(wú)法滿(mǎn)足需求,一般超過(guò)200 t 起重能力的深海起重機(jī)會(huì)配備獨(dú)立絞車(chē);另一方面深海起重機(jī)作業(yè)環(huán)境較為惡劣,為保證深水吊裝作業(yè)的安全,通常還要配備波浪補(bǔ)償裝置或具有波浪補(bǔ)償功能的絞車(chē)以及動(dòng)力單元、導(dǎo)向系統(tǒng)等一系列配套設(shè)施。
基于深海起重機(jī)的特點(diǎn),小噸位的起重機(jī)基座設(shè)計(jì)與常規(guī)起重機(jī)類(lèi)似[1],但大噸位的起重機(jī)由于絞車(chē)及相關(guān)設(shè)備布置發(fā)生了重大變化,其基座設(shè)計(jì)也不再是單一的起重機(jī)筒體加強(qiáng),而是一整套設(shè)備的加強(qiáng)解決方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中需注意各設(shè)備之間的相互關(guān)系、安裝要求和受力特點(diǎn)等。本文基于某型深水多功能飽和潛水支持船配置的400 t 深海主動(dòng)升沉補(bǔ)償起重機(jī),研究深海起重機(jī)基座的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和方法。
深海起重機(jī)配置的波浪補(bǔ)償裝置可防止起重機(jī)、絞車(chē)和鋼絲繩過(guò)載,增強(qiáng)對(duì)吊運(yùn)物的控制,提高作業(yè)窗口期,而主動(dòng)式升降補(bǔ)償技術(shù)(Active Heave Compensation, AHC)是目前國(guó)際上最先進(jìn)的一種波浪補(bǔ)償技術(shù),一種通過(guò)絞車(chē)進(jìn)行升降補(bǔ)償,另一種通過(guò)液壓缸進(jìn)行升降補(bǔ)償[2]。本文所述的起重機(jī)屬于前者,主要由起重機(jī)本體、絞車(chē)、盤(pán)繩器、液壓?jiǎn)卧⑿钅芷鳌⒌獨(dú)馄亢涂刂颇K等組成,最大起重能力400 t,最大工作水深3 000 m,配備主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng),補(bǔ)償精度為±5~10 cm,可用于大型水下結(jié)構(gòu)物安裝、水下工程支持等作業(yè)。起重機(jī)布置如圖1 所示。
圖1 深海起重機(jī)布置(艙內(nèi)水平面)Fig. 1 Arrangement of deep-sea crane
起重機(jī)本體安裝在主甲板上,包含起重機(jī)筒體、回轉(zhuǎn)軸承、吊臂等,為靈活適應(yīng)舷內(nèi)和舷外的吊裝作業(yè),多采用全回轉(zhuǎn)折臂吊。與常規(guī)起重機(jī)不同的是,深海起重機(jī)主絞車(chē)體積較大,特別是能力大于200 t 的絞車(chē)一般已不適合安裝在起重機(jī)本體上,取而代之的是選擇安裝在艙內(nèi),通過(guò)導(dǎo)向輪將鋼絲繩由水平方向轉(zhuǎn)換為垂直方向,隨后穿過(guò)主甲板直達(dá)吊機(jī)頂部滑輪,再沿著吊臂直到主吊鉤。液壓?jiǎn)卧獮榻g車(chē)的液壓馬達(dá)提供動(dòng)力,與蓄能器、氮?dú)馄亢涂刂茊卧葮?gòu)成一套邏輯控制系統(tǒng),通過(guò)分析傳感器反饋的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)后驅(qū)動(dòng)絞車(chē)正反轉(zhuǎn)及加減速,從而控制絞車(chē)鋼絲繩收放以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)升沉補(bǔ)償功能。
從深海起重機(jī)各組成部分的相互關(guān)系、安裝要求、受力特點(diǎn)和基座形式等出發(fā),結(jié)合實(shí)船設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn),對(duì)深海起重機(jī)基座及相關(guān)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。
起重機(jī)本體基座加強(qiáng)以甲板為界,分為甲板以上的筒體結(jié)構(gòu)和甲板以下的筒體下加強(qiáng)兩部分。甲板以上的筒體結(jié)構(gòu)和常規(guī)起重機(jī)基座加強(qiáng)類(lèi)似,是起重機(jī)底座的延伸,通常與起重機(jī)底座保持相同的外形尺寸,并根據(jù)起重機(jī)界面處的垂向力和傾覆力矩計(jì)算筒體所需的最小剖面模數(shù),初步確定筒體的板厚和材質(zhì)。筒體內(nèi)部根據(jù)需要設(shè)置垂向和水平加強(qiáng)筋,增加筒體的抗彎能力和局部強(qiáng)度。在筒體頂部距起重機(jī)分界面300 mm 左右位置設(shè)置平臺(tái)或水平環(huán)筋,不僅可保證建造過(guò)程中分界面附近的剛度和圓度,同時(shí)300 mm左右的距離也給船廠(chǎng)留有矯正余地,以調(diào)整在建造過(guò)程中可能發(fā)生的對(duì)齊偏差。
起重機(jī)自身筒體和結(jié)構(gòu)筒體之間的對(duì)接焊縫通常為現(xiàn)場(chǎng)施工的橫焊縫。橫焊時(shí)由于重力作用,熔敷金屬容易下淌而產(chǎn)生各種缺陷,因此筒體之間的橫焊縫多采用K 形坡口,即上板開(kāi)坡口而下板不開(kāi)坡口,有利于焊縫成形[3]。K 形坡口上板坡口角度控制在40°~45°左右,如圖2 所示,坡口過(guò)小會(huì)導(dǎo)致焊材未熔合或夾渣等缺陷,過(guò)大則增加焊接成本,內(nèi)外側(cè)坡口的深度可采用對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)或偏置設(shè)計(jì),具體結(jié)合船廠(chǎng)焊接工藝確定。
圖2 起重機(jī)筒體連接節(jié)點(diǎn)Fig. 2 Joint of crane pedestal
筒體底部根據(jù)主甲板的布置要求和主船體內(nèi)已有結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),采用圓筒直接貫入主船體并在艙內(nèi)部分圓轉(zhuǎn)方過(guò)渡的形式與主船體結(jié)構(gòu)連接。筒體板在主甲板處采用筒體板連續(xù)、甲板間斷的連接形式,并在主甲板附近區(qū)域采用Z 向鋼,以防止在板厚方向存在較大拉應(yīng)力時(shí)發(fā)生層狀撕裂。筒體根部與主甲板的連接區(qū)域?yàn)楦邞?yīng)力區(qū),在連接區(qū)域附近盡量避免較大開(kāi)孔或密集開(kāi)孔,并在硬點(diǎn)位置設(shè)置圓弧肘板,以減少應(yīng)力集中,如圖3 所示。
圖3 筒體與甲板的連接節(jié)點(diǎn)Fig. 3 Joint between crane pedestal and deck
主甲板以下的筒體下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)是上方筒體的延伸,至少有2 層甲板作為支撐,并與船體主結(jié)構(gòu)有效連接。與常規(guī)起重機(jī)的最大區(qū)別是下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)需要為鋼絲繩及盤(pán)繩器預(yù)留必要的通道,因此在甲板下采用一半筒體圓轉(zhuǎn)方、一半圓筒體貫穿的過(guò)渡形式,一方面可加大筒體的內(nèi)部空間以適應(yīng)鋼絲繩擺幅,同時(shí)筒體圓轉(zhuǎn)方后與縱艙壁連接,可有效地將筒體上的載荷傳遞到艙壁中。此外,一半筒體圓轉(zhuǎn)方后,在方形一側(cè)有足夠的空間設(shè)置大開(kāi)口, 為盤(pán)繩器提供運(yùn)行和維護(hù)空間,如圖4 所示。
圖4 筒體下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)Fig. 4 Crane pedestal reinforcement structure
艙內(nèi)絞車(chē)由絞車(chē)架、支撐軸、卷筒和液壓馬達(dá)等部件組成,兼具儲(chǔ)繩和牽引功能,本文起重機(jī)采用的絞車(chē)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 絞車(chē)技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Technical parameters of winch
絞車(chē)整體尺寸龐大,尤其是高度方向幾乎占據(jù)了整個(gè)艙內(nèi)空間,周?chē)g距較小,不利于安裝和維護(hù)。通過(guò)優(yōu)化,采用嵌入式基座代替常規(guī)基座。嵌入式基座即基座面板直接與內(nèi)底板連接,并由內(nèi)底板下的桁材支撐,可有效降低安裝高度和設(shè)備重心。絞車(chē)基座面板采用厚度150 mm 的EH36 Z25 高強(qiáng)度鋼,并逐層過(guò)渡到內(nèi)底板厚度。安裝面平面度為1 mm,以確保和絞車(chē)底座貼合。在基座面板上對(duì)應(yīng)安裝孔位加工螺紋盲孔,制作精度要求相對(duì)較高,優(yōu)點(diǎn)是只需從上方安裝,便于施工。
除了采用嵌入式基座降低絞車(chē)安裝高度,還通過(guò)優(yōu)化絞車(chē)上方船體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增加絞車(chē)艙凈高。絞車(chē)艙上方的主甲板是主要的作業(yè)區(qū),有甲板承載能力要求,而絞車(chē)安裝區(qū)域及鋼絲繩擺幅范圍內(nèi)無(wú)法設(shè)置支柱,導(dǎo)致主甲板的強(qiáng)構(gòu)件的跨距較大,根據(jù)甲板設(shè)計(jì)載荷計(jì)算所需的構(gòu)件尺寸也較大,與絞車(chē)頂部距離非常近,不便于施工和后期維護(hù)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化,采用雙層甲板方案代替常規(guī)單甲板方案,提高甲板強(qiáng)度和剛度,在滿(mǎn)足甲板承載要求的同時(shí)盡可能提高艙內(nèi)空間,以利于絞車(chē)的安裝和維護(hù),如圖5 所示。
圖5 嵌入式基座及雙層甲板方案Fig. 5 Insert foundation and double deck solution
盤(pán)繩器又稱(chēng)排繩器或?qū)ЮK器,是輔助絞車(chē)規(guī)范纏繩、有效杜絕亂繩現(xiàn)象的一種裝置。根據(jù)盤(pán)繩器設(shè)置的位置不同,部分盤(pán)繩器還兼作導(dǎo)向裝置,本船起重機(jī)采用的盤(pán)繩器既有輔助纏繩功能,又可將鋼絲繩由絞車(chē)出繩處的水平向經(jīng)盤(pán)繩器轉(zhuǎn)為垂向?qū)С雠撏猓边_(dá)起重機(jī)頂部。
選擇盤(pán)繩器基座位置時(shí)需考慮鋼絲繩偏角的要求,以防鋼絲繩出現(xiàn)亂繩或滑槽現(xiàn)象。鋼絲繩偏角是鋼絲繩繞進(jìn)或繞出卷筒、滑輪時(shí),鋼絲繩對(duì)卷筒或滑輪的偏角。通常鋼絲繩繞進(jìn)或繞出卷筒時(shí),鋼絲繩中心線(xiàn)偏離螺旋槽中心線(xiàn)兩側(cè)的角度不應(yīng)大于3.5°,鋼絲繩在繞進(jìn)繞出滑輪槽時(shí)的最大偏斜角不應(yīng)大于5°[4]。而對(duì)于多層纏繞的卷筒,為防止鋼絲繩亂繩現(xiàn)象,對(duì)入繩偏角度有更嚴(yán)格的要求,通常不大于1.75°[5]。本方案中,盤(pán)繩器滑輪中心距絞車(chē)卷筒中心12.8 m,距起重機(jī)頂部滑輪23.7 m,使鋼絲繩與卷筒的最大角度為1.25°,與滑輪的最大角度為3.86°,滿(mǎn)足鋼絲繩的偏角要求,同時(shí)考慮到使鋼絲繩合力盡可能沿基座腹板方向,由此確定基座的安裝位置和角度,如圖6 所示。
圖6 鋼絲繩偏角Fig. 6 Deflection angle of wire rope
圖7 盤(pán)繩器行程及安全距離Fig. 7 Spooling device movement and safety distance
盤(pán)繩器導(dǎo)向滑輪通過(guò)驅(qū)動(dòng)油缸在導(dǎo)軌上左右滑動(dòng),當(dāng)導(dǎo)向滑輪在最大行程時(shí),外側(cè)應(yīng)與周?chē)Y(jié)構(gòu)保持500 mm 以上的安全距離[6],避免在使用過(guò)程中發(fā)生人員擠壓傷害。因此,在設(shè)計(jì)盤(pán)繩器底座及周界加強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí),不僅要考慮靜態(tài)的干涉問(wèn)題,還要重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的安全距離。
盤(pán)繩器底座通過(guò)螺栓與基座面板連接,面板再通過(guò)基座縱桁和橫隔板與船體的強(qiáng)構(gòu)件連接。由于作用在基座上的鋼絲繩合力大,且力的作用點(diǎn)隨滑輪位置改變而改變,因此采用一塊完整面板以提高安裝面的平面度,同時(shí)采用兩道腹板和足夠數(shù)量的橫隔板與船體連接,確保滑輪在不同位置時(shí)均能將載荷有效傳遞到主船體結(jié)構(gòu)中,如圖8 所示。
圖8 盤(pán)繩器基座Fig. 8 Spooling device foundation
液壓動(dòng)力單元是深海起重機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源,由電機(jī)、液壓泵、閥組和管線(xiàn)等部件組成,通過(guò)公共底座形成一個(gè)完整模塊。液壓動(dòng)力單元整體尺寸龐大,占據(jù)很大的艙內(nèi)空間,如不采取措施,其上方主甲板的強(qiáng)橫梁尺寸過(guò)大,影響艙內(nèi)空間。與絞車(chē)不同的是,液壓動(dòng)力單元各部件相對(duì)獨(dú)立,可通過(guò)優(yōu)化部件相對(duì)位置,在特定區(qū)域設(shè)置支柱以減小甲板強(qiáng)橫梁跨距,從而減小構(gòu)件尺寸,增加艙內(nèi)空間。因此,在訂貨階段協(xié)調(diào)廠(chǎng)商調(diào)整液壓動(dòng)力單元各部件位置,為設(shè)置艙內(nèi)支柱預(yù)留空間,如圖9 所示。
圖9 液壓動(dòng)力單元預(yù)留支柱位置Fig. 9 Reserved pillar positions of HPU foundation
液壓動(dòng)力單元通過(guò)公共底座安裝在雙層底上,安裝位置綜合考慮周界液壓管線(xiàn)的連接要求、設(shè)備維護(hù)空間需求和船體已有結(jié)構(gòu)的布局。盡管液壓動(dòng)力單元整體重量大,但其底座覆蓋面積廣,平均載荷較小,因此在設(shè)計(jì)底座加強(qiáng)時(shí),通常只需考慮對(duì)應(yīng)公共底座腹板下方增設(shè)桁材或加強(qiáng)筋將載荷傳遞到臨近強(qiáng)構(gòu)件中。
蓄能器和氮?dú)馄勘M可能布置在絞車(chē)附近,以?xún)?yōu)化連接管線(xiàn)的長(zhǎng)度,由于其長(zhǎng)度方向尺寸較大且需避開(kāi)絞車(chē)鋼絲繩,在艙內(nèi)較難找到合適的布置位置,初步方案是將其倒掛安裝在主甲板下,但安裝維護(hù)非常不便,重心也較高。經(jīng)過(guò)優(yōu)化,將蓄能器安裝在中間甲板上,氮?dú)馄縿t采用架空基座安裝在雙層底上,下方給絞車(chē)鋼絲繩留出必要空間,同時(shí)在鋼絲繩擺幅區(qū)域設(shè)置花鋼板,既方便氣瓶檢修,又提高絞車(chē)艙的安全性。蓄能器和氮?dú)馄康妮d荷相對(duì)較小,對(duì)應(yīng)基座受力位置增加加強(qiáng)筋或肘板,將載荷傳遞到周?chē)Y(jié)構(gòu)中。
此外,起重機(jī)擱架根據(jù)實(shí)際需要布置在船尾,航行過(guò)程中,擱架除了承受吊臂的垂向載荷外還承受較大的水平載荷。為增加擱架截面的抗彎能力,同時(shí)兼顧擱架下方消防平臺(tái)的暢通,擱架采用門(mén)字形箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并在主甲板下方對(duì)應(yīng)箱型位置設(shè)置加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。
采用有限元軟件DNV SESAM GENIE/SESTRA 計(jì)算分析起重機(jī)基座及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。有限元模型中各層甲板、艙壁、舷側(cè)外板等板結(jié)構(gòu)及強(qiáng)橫梁、縱桁等強(qiáng)構(gòu)件腹板采用殼單元模擬,強(qiáng)構(gòu)件面板及骨材采用梁?jiǎn)卧M。單元網(wǎng)格大小約為300×300 mm,局部細(xì)化處網(wǎng)格大小約為100×100 mm。模型范圍縱向從FR21~FR58,橫向從左舷到右舷,垂向從船底到起重機(jī)筒體,如圖10 所示。
圖10 起重機(jī)基座有限元模型Fig. 10 FE model of crane foundation
圖11 起重機(jī)載荷工況Fig. 11 Crane load cases
對(duì)于作業(yè)狀態(tài),主要載荷包括起重機(jī)界面載荷、絞車(chē)底座載荷及盤(pán)繩器載荷及甲板作業(yè)載荷等,其中起重機(jī)界面處設(shè)計(jì)載荷見(jiàn)表2,從0°~360°方向每隔45°為一個(gè)工況,共確定8 個(gè)計(jì)算工況。
表2 起重機(jī)界面載荷Tab. 2 Interface loads of crane
絞車(chē)底座載荷根據(jù)不同作業(yè)狀態(tài),確定4 個(gè)載荷工況,各工況中4 個(gè)底座處的載荷見(jiàn)表3。
表3 絞車(chē)底座載荷Tab. 3 Loads of winch
盤(pán)繩器載荷沿鋼絲繩合力方向(見(jiàn)圖12),并選定盤(pán)繩器位于滑軌左、中、右位置,分別定義3 個(gè)工況。
圖12 盤(pán)繩器載荷Fig. 12 Loads of spooling device
其他設(shè)備基座載荷量級(jí)較小,以質(zhì)量點(diǎn)施加,此外還考慮了雙層主甲板區(qū)域約1300 t 的甲板載荷,按面載荷施加。將8 個(gè)起重機(jī)載荷工況、4 個(gè)絞車(chē)工況和3 個(gè)盤(pán)繩器工況進(jìn)行組合,得到96 個(gè)組合工況并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析。應(yīng)力衡準(zhǔn)根據(jù)入級(jí)的挪威船級(jí)社規(guī)范對(duì)起重設(shè)備加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的要求,正應(yīng)力許用值為160f1N/mm2,剪應(yīng)力許用值為 90f1N/mm2,對(duì)于H36 高強(qiáng)度鋼f1取1.39。計(jì)算各組合工況并篩選得到最大應(yīng)力,高應(yīng)力區(qū)主要集中在起重機(jī)筒體根部肘板、盤(pán)繩器基座附近及絞車(chē)底座下方結(jié)構(gòu)上,特別是盤(pán)繩器基座和起重機(jī)筒體連接處應(yīng)力較高,主要由于此處筒體結(jié)構(gòu)大開(kāi)口造成結(jié)構(gòu)突變并疊加盤(pán)繩器載荷引起。根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化板厚,并將應(yīng)力的UC 值控制在0.95 以下,優(yōu)化后的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 最大應(yīng)力結(jié)果Tab. 4 Maximum stress
對(duì)于航行狀態(tài),根據(jù)甲板上起重機(jī)和基座重量以及重心處的運(yùn)動(dòng)加速度確定的慣性載荷或根據(jù)設(shè)備商提供的界面載荷校核擱置狀態(tài)下起重機(jī)筒體和擱架基座的強(qiáng)度。此外,對(duì)應(yīng)力較高的板格和加強(qiáng)筋進(jìn)行屈曲校核,并對(duì)起重機(jī)筒體根部肘板等熱點(diǎn)區(qū)域的疲勞壽命評(píng)估,可參考常規(guī)起重機(jī)基座的校核方法。
本文針對(duì)深海主動(dòng)升沉補(bǔ)償起重機(jī)基座,結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),對(duì)該類(lèi)基座的組成及相互關(guān)系、各部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行闡述,并通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性,得出以下結(jié)論:
1)深海起重機(jī)基座設(shè)計(jì)有別與常規(guī)起重機(jī)基座較為單一的筒體加強(qiáng)設(shè)計(jì),它包含了起重機(jī)本體、絞車(chē)、盤(pán)繩器等一整套基座的加強(qiáng)解決方案,設(shè)計(jì)時(shí)需了解各部分功能特點(diǎn)、相互關(guān)系、承載形式及運(yùn)維空間等要求。
2)起重機(jī)筒體下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)在盤(pán)繩器擺幅范圍內(nèi)設(shè)置了大開(kāi)口,該區(qū)域結(jié)構(gòu)連續(xù)性較差,且附近有盤(pán)繩器基座承受了較大載荷,需在結(jié)構(gòu)突變區(qū)域予以重點(diǎn)關(guān)注。
3)基座設(shè)計(jì)不僅需考慮常規(guī)的靜態(tài)干涉問(wèn)題,還需關(guān)注與鋼絲繩、盤(pán)繩器等運(yùn)動(dòng)部件之間的安全距離,確保運(yùn)維期間作業(yè)人員的安全。
4)對(duì)于艙內(nèi)絞車(chē)等體積龐大、安裝維護(hù)空間狹小的設(shè)備,可采用雙層甲板,嵌入式基座等方式優(yōu)化艙內(nèi)空間。而對(duì)于液壓?jiǎn)卧润w積龐大、影響艙內(nèi)結(jié)構(gòu)布置但內(nèi)部組件相對(duì)獨(dú)立的設(shè)備,可優(yōu)化其組件位置,從而在設(shè)計(jì)基座時(shí)可為增設(shè)艙內(nèi)支柱預(yù)留空間。