船舶改装工程浮态下变形控制分析

徐海军

(南通中远海运船务工程有限公司，江苏 南通 226006)

近年来，国际航运指数持续在低位徘徊，船东公司投资新船的积极性普遍不高，投资低、交船期短、见效快的二手船舶重大改装，成为一种越来越普遍的选择。相较于订造新船，改装船舶成本更低，改装周期更短，从立项到交船基本在1年内完成，以更短的时间实现投资回报。

为了缩短改装周期，降低改装成本，实现船东与船厂的双赢，浮态下进行主体工程的改装，已经成为一种普遍模式。而如何有效控制浮态下改装过程中的船舶变形，最大限度的减小结构内应力，以确保主船体的结构安全，是安全改造的基础和安全生产的保障。[1]

本文以“阿芙拉型油船改大型半潜船”为例，研究船舶浮态下主甲板开大工艺孔进行主船体改装、拆旧工程的可行性，以此来有效控制船舶变形，最终保质保量完成项目，达到提质增效的目的。该船改装前总长244.7 m，型宽42.0 m，型深21.3 m。改装后型深13.5 m，设计吃水9.2 m，最大下潜吃水22.5 m，载货甲板长度170.0 m，最大下潜时主甲板距水面9.0 m，可以实现大型物件、海工装备、工程船舶、浮船坞等货物的装卸和运输。该船所有结构、管系主体工程全部在浮态下完成。在浮态下，完成原船主甲板大工艺孔的开设，双层底下纵向加强，新加管隧，纵壁分段和13.5 m主甲板分段的装焊，原船结构的全部拆除，以及压载、透气等管路的安装，最后进坞完成坞内工程，其中坞内工程包括外板油漆等全部工程，时间控制在7天左右。出坞后完成调试等扫尾工程，整个改装周期约8个月。

由于时间紧、任务重，为了保证改装工程的高效进行，12个货舱主甲板上均需11.48 m× 20.40 m的大工艺孔，需断掉26根甲板纵骨(左右各13根)，对全船总纵强度和横剖面惯性矩破坏较大，如何有效的进行强度和惯性矩的补强，最大限度的减小因浮态改装造成的船舶变形，是该项目高质量完工的基础，也是本文研究的内容。图1为开孔加强后横剖面，具体工艺孔开设及加强方案参见图1，其中阴影部分为压载水3#、4#、5#舱。

图1 开孔加强后横剖面

1 变形值计算和强度校核

将主船体视为1根受到各种复杂载荷漂浮在水面的梁。任何梁，在外力的作用下，都会发生变形。变形的大小，取决于外力的大小、梁的长度、弹性模量和梁的惯性矩。变形值越小，说明刚度越好。而对于改装船舶来说，长度值可以视为常量，弹性模量通常按钢材的弹性模量计算。因此只需要考虑外力大小和梁的惯性矩，只要在改装过程中，做好这2个参数的研究和控制，船舶在改装过程的变形值就可以得到科学有效的控制。[2]

1.1 原始变形值的测量与记录

船舶进厂后，为尽可能减小温度和天气原因对测量结果造成的误差，尽量选天气稳定的时候，连续3天分早、中、晚3次，共计9次测量，在完全空载状态实测原船甲板变形值，然后取平均值作为该船的原始变形值。经实测，原始甲板在浮态下变形值W0为96 mm。船舶在空载浮态下，因艏艉纤瘦，结构密度大，设备设施多，相对体积密度大，自重大于该区域外底板受到的向上浮力，因此艏艉段受到向下的合力，而中间货舱区排水体积大，但自身体积密度小，自重不足以抵消船底板受到的浮力，货舱区受到向上的合力。船舶在空载状态下，更像是一根中间高两头低的扁担，必然具有一定的变形值。为了减小初始变形值，可设法改变中间货舱区的受力状态，让外力值变得更小。因此在中间3#、4#、5#舱双层底下打入约3 500 t压载水，尽可能将主船体压平。经实际测量打入压载水后，主甲板变形值变为75 mm。[2]

1.2 变形值计算

集中载荷简支梁变形值：

(1)

均布载荷简支梁变形值：

(2)

集中载荷悬臂梁变形值：

(3)

均布载荷悬臂梁变形值：

(4)

式中，F为梁所受到的外力，N；L为梁的长度，m；E为钢材的弹性模量，取210 GPa；I为梁的惯性矩，mm4；q为梁的均布载荷，N/m。

从上述计算公式可以看出，任何梁的变形值W与惯性矩都成反比，因此我们计算出工艺孔开设前后的惯性矩变化比例，结合船舶初始变形值，就可以推算出开孔后的大致变化情况。

原船横剖面的惯性矩I5=3.62×1014mm4；剖面模数Z1=3.896×107cm3。开工艺孔不做加强时，横剖面的惯性矩I6=2.78×1014mm4；剖面模数Z2=3.463×107cm3。开工艺孔加强后，横剖面的惯性矩I7=3.15×1014mm4；剖面模数Z3=3.696×107cm3。

开孔后，不做加强的状态下，横剖面惯性矩变化率φ1：

φ1=I6/I5=76.8%。

(5)

预测开孔后变形值W1=W0/φ1=125 mm，增大约29 mm。

甲板加强状态下，横剖面惯性矩变化率φ2：

φ2=I7/I5=87.0%。

(6)

加强后，变形值W2=W0/φ2=110 mm，增大约14 mm。

根据估算，临时加强对于惯性矩和剖面模数均有不小的贡献，对控制变形和保证强度都起到了很好的作用。因此，理论上分析，开孔加强方案对变形控制效果显著。

1.3 有限元强度分析和变形值验证

估算验证方案可行后，使用有限元，将货舱区域原船结构整体建模，建模时候仅需考虑主要构件，一些详细节点，如补板、小肘板、局部加强筋，管穿孔等可不在模型中反应。模型建立完毕后，分析不同工况下主船体的受力状态并在模型中加载，分析出不同工况下的受力状况和变形值，进一步验证该方案的有效性和科学性。[1]

根据有限元模型计算，在船舶原始状态下的变形值为96 mm的情况下，对其进行开孔、加强等操作。开孔无加强的状态下，船舶最大应力发生在5#货仓区域主甲板位置，最大应力为127 MPa，最大变形值为129 mm；在开孔且完成全部加强的工况下，船舶处于中拱状态，最大应力的位置基本不变，最大应力为114 MPa，原甲板材质为AH32高强钢，屈服强度为315 MPa，安全系数(屈服强度/最大应力)为2.76；安全系数大于2，结构安全性可靠。最大变形值为113 mm，与估算基本一致，满足变形控制要求，进一步证明了该方案在强度保证和变形控制方面是科学有效的。

2 浮态下施工过程中的变形控制

2.1 新加结构施工过程中的变形控制

甲板临时加强全部安装完毕后，排空3#、4#、5#舱双层底下3 500 t压载水，内底板分前后两期开设左右各6道临时工艺孔，进行双层底下新加纵桁、纵骨，中间平台反口新加纵骨、舭部肘板等散装工程和压载管安装等工程。

从4#舱开始向艏艉依次吊装纵壁、管隧和甲板分段，用分段的自重作为固定压块，以减小船舶变形值，每个舱前后分2个分段，左右方向分10个分段，从开设的大工艺孔直接吊装到位。一个环段总质量约520 t，每个舱分段相当于约1 000 t的载荷，从中间向艏艉两边依次吊装，对于控制船舶变形具有一定的积极作用。

如果在安装纵壁管隧分段前，经检测发现变形值变化较大，可在3#、4#、5#舱双层底下打入3 500 t压载水，注意确保内底板距离压载水液面300 mm以上，以确保纵壁与管隧分段及内底板焊接质量，避免背水焊接情况出现。此时，压载水可一直保留至主体改装全部完工后，再进行抽排工作。

2.2 原甲板拆旧过程中的变形控制

货舱区管隧、纵壁、甲板分段全部安装到位后，完成与原主船体首尾的全部有效对接，所有合龙缝全部焊接并报验完毕，此时原甲板(包括需要拆除的外板，纵壁等)已经相当于额外压载，新的甲板、纵壁结构强度已经完全满足要求，此时可以进行原甲板结构的拆除。

考虑到需要尽可能减小变形值，拆除甲板的时候从艏艉依次向船中拆除，此处需额外注意艉部角隅位置的完工情况，如果角隅区域已经全部完工，等同于新船结构形式，那么割除艉部原甲板结构的时候，角隅位置强度足以支撑整船的质量，分前、后、左、右4个点同步开工，可以大幅提高拆旧效率。

如果因为某些原因，艉部角隅结构加强还未完全完工，考虑到结构安全性，拆旧可以从艏部向艉部依次进行，最后拆除艉部角隅区域的原结构。这种方法既可以用还未拆除的原甲板、纵壁、外板来补偿暂未完工的角隅强度，又可以为艉部角隅区域的施工腾出时间。艏部拆除、角隅施工同步进行，待拆到角隅区域之前，角隅位置的加强工作已经全部完毕。[3-4]

原结构拆除完毕后，主船体基本成型，完工模型见图2。

图2 完工模型

3 改装过程中的变形值监测与预案

3.1 变形值动态监测与记录

在整个改装项目的施工过程中，在左舷L21、船中CL、右舷L21这3个位置前后各设置14个监测点，用于记录整个改装过程中变形值的变化情况，严格按照关键节点一天两测，重要施工阶段一天一测，平稳状态隔天一测的要求，进行船舶变形值的变化监测。测量结果当天呈报项目组和船东，以确保数据的时效性和真实性。[2]

根据实际监测记录我们发现，实测数据与计算预估基本一致，完工状态数据满足设计要求，原船不同状态下最大变形值测量数据见表1。

表1 原船不同状态下最大变形值测量数据 mm

3.2 监测变形值超过预期的纠正预案

监测过程中如发现变形值超过预期的10%,达到124 mm，则立即停止现场施工，分析导致变形值超过预期的原因，并采取如下预案进行变形值的回调。

1)减轻艏艉负荷，通过尽量排空艉部油舱、水舱，拆卸艏部锚、锚链，清空艉部舵机间、艏部水手间的重物，如油漆，脚手管、备用钢丝绳等质量较大的物件。

2)加大中部货舱区域压载水量，先在3#、4#、5#舱双层底下打入压载水(共计3 500 t)，如不满足要求，在2#、6#舱双层底下打入压载水，并在3#、4#、5#边舱打入压载水(共计7 800 t)。

3)如上述措施还不能有效控制住变形值，则立即安排进坞，在坞内完成开孔及加强，完成双层底下新加纵骨、纵桁的安装与焊接。如果图纸齐全，可以借此机会完成全部坞内工程，包括舵系、轴系、水下检验外板标志、外板油漆等。

3.3 存在的问题及不足

1) 临时加强需在原甲板上取材，每一个分期内，先开孔，再加强，加强与开孔交替进行，先切割破坏产生变形，再在变形的基础上进行加强。但实际加强效果不佳，需要用压载水来调节，因此增加了额外的工作量。

2)不管是直接惯性矩计算还是有限元校核，都需要花费较大的工作量来建模分析，建模周期较长，占去了较大的人工成本，且需提前2个月介入，对于短周期的船舶适用性较差。

3)临时加强和压载水调节交叉进行，容易与施工计划的调整和安排产生矛盾，出现施工环节的脱节，造成时间的浪费。

4 结束语

本文以某大型油轮改自航半潜船改装为例，通过理论计算和有限元分析，证明了浮态下开设大工艺孔进行全船主体改装的可行性；并经实际验证，该方案在整个改装过程中科学有效，对安全施工，高质量改装及工期的保障起到至关重要的作用。

但在今后的改建中仍需考虑以下改进：①持续优化施工流程，力争避免压载水调节的方式来修正加强时的变形值；②持续优化工艺方案，在不增加甚至减少现场施工量的情况下，尽可能减小工艺孔的宽度尺寸，从而减小总纵强度和横剖面惯性矩的破坏。