简析船坞起重设备关键技术

高 原，孙津潇

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220）

引言

发展中国家通过新建大型的修造船厂可满足航运行业的快速发展需求，在一定程度上可提高本国的经济发展水平、国家的整体竞争力和影响力。本文依托国外某船厂项目，总结参与设计过程中的技术经验，对修造船厂中船坞的起重设备选型及工艺布置等关键工艺技术进行探讨。

1 工程背景

根据船厂地形条件及工艺布置需求，本项目将船厂陆域划分为船坞（400 m×40 m）、组装场地、生产车间、辅建区等功能分区。

船坞起重设备配置结合设计船型（40 000 DWT杂货船）、生产纲领及业主要求综合考虑，通过对船坞起重设备选型分析及比选，船坞起重设备配置情况如下：

1台400 t造船龙门起重机布置于船坞与组装场地之上，2 台40 t 锤型门座式起重机布置于船坞南侧（位于龙门吊轨道内），作为修造船作业过程中主要的装卸设备。通过液压平板车运至组装场地的船舶小型分段件经总组后形成较重的总段，再由龙门起重机吊装进入船坞进行合拢作业。2 台锤型门座式起重机可用于修造船过程中小型船舶部件的吊装。

结合以上生产要求确定的船坞起重设备工艺布置示意图如下所示。下文将对起重设备配置方案的比选及设备主要参数的选取进行一定的论述。

图1 船坞起重设备工艺布置示意图

2 造船龙门起重机

2.1 主要特点

造船龙门起重机起重量和跨度一般较大，在造船厂中得到广泛的应用，主要用于船体分段的吊装，同时还需具备船体分段翻身作业的功能。上下小车起升机构、上下小车与大车运行机构是构成造船龙门起重机的主要机构，主梁、刚性腿、柔性腿、大车运行机构的平衡梁、上下小车的车架等是其主要的金属结构[1]。

造船龙门起重机起升机构通常设置两台起重小车，分别为上小车和下小车，上小车包括两个吊钩，下小车包括一个主钩和一个副钩。上小车两吊钩起重能力一般保持一致，且上小车的两吊钩布置于主梁的外侧，两个吊钩可同时抬吊重件或与下小车配合，从而进行重件的翻身作业。龙门起重机的上下小车可沿着龙门吊主梁运行，两小车不共轨，以便下小车可在上小车下穿越，两小车可相互移动而互不干涉[1]。

2.2 翻身作业

修造船过程中由于生产工艺的要求，比如为保证焊接质量的要求等，需要对船体分段件进行翻身，因此龙门起重机需具备对重件的翻身功能。

造船龙门起重机需要依靠上、下小车联合作业、互相配合完成船体分段件180°翻转作业。国内大部分船厂龙门吊的翻身作业一般采用如下传统的工艺流程：

1）流程一

上小车首先利用其两主钩将船体分段的下侧系住，而下小车利用单钩系住其上侧，两小车同时起升，将分段件吊起离开地面。

图2 流程一

2）流程二

上小车继续提升，下小车在负载的同时沿着上小车方向移动并逐步靠拢，通过上小车与下小车的联合配合，使原水平放置的船体分段件呈现竖直状态，此时上下小车同时下降，分段件下降并接触到地面，接触地面后下小车解钩失去荷载。

图3 流程二

3）流程三

上小车两钩继续系住分段件且上升，然后将分段件抬离地面一段距离，同时下小车穿过上小车，从而使上小车位于下小车的右侧。

图4 流程三

4）流程四

当上小车位于下小车右侧后，下小车通过吊钩系住与上小车吊钩系住船体分段的相同一侧[1]，然后下小车上升，上小车下降，且下小车上升的同时继续向左移动。

图5 流程四

5）流程五

通过上下小车相互协作，最终使船体分段件呈现一定的水平状态，进而完成了船体分段的整体180°翻转。

图6 流程五

3 门座式起重机

目前国内船厂船坞作业区域普遍采用的起重设备是门座式起重机，主要包括两种设备类型：

1）四连杆门座式起重机；

2）锤型门座式起重机。

四连杆门座式起重机设计、制造及运营经验都较为成熟。四连杆门座式起重机主要由机构与结构两大部分组成，其中机构部分主要包括：运行、回转、变幅与起升四大机构；臂架系统、人字架、转台与门架等是构成四连杆门座起重机的主要结构。四连杆门座起重机变幅机构主要通过四连杆的运动使货物能在水平方向前后运动。

与常规的四连杆门座式起重机不同点在于:锤型门座式起重机在变幅作业过程中，通过利用牵引小车的移动来满足变幅要求，臂架高度保持不变；而四连杆门座式起重机在变幅作业时，其臂架的高度是随着作业幅度的不同而不断变化的。

锤型门座式起重机主要由运行机构、圆筒门架、回转机构、前拉杆、后拉杆、臂架、牵引小车、机房等组成[2]。

图7 锤型门座式起重机结构组成

4 主要起重设备配置方案分析

4.1 国内船厂船坞作业区起重设备布置

目前国内部分船厂的船坞区域起重机配置方案较普遍地采用两种形式：一种布置形式是造船龙门起重机+四连杆门座式起重机；另一种布置形式是龙门起重机+锤型门座式起重机。

从船厂建设的时间上看，建设时间稍早的船厂较多采用的是龙门起重机+四连杆门座起重机的方案，而随着起重设备设计制造技术不断创新与发展，适用于船厂船坞生产要求的锤型门座式起重机涌现出来并展现出一定优势，特别是对于其布置于龙门起重机主梁之下的情况。

具体原因是龙门起重机+四连杆门座起重机方案具有一定的安全隐患，存在设备碰撞的可能性，此种配置方案对于人员的操作和管理水平要求较高。

因此为了起重机的安全使用，减少起重机的碰撞事故，近几年在国内船厂推出了龙门起重机+锤型门座式起重机的方案，经多年运营验证了这种配置形式具有技术性能稳定、作业安全可靠的优势，该种方案得到业界的认可并逐步推广[3]。

4.2 本项目船坞起重设备配置方案

考虑到以上工程实例的成功运用，并结合本项目修造船生产的具体要求，船坞起重设备配置方案可采用以下两种方案，两方案都能满足正常的生产需要。

两方案示意图如下。

图8 方案一示意图

图9 方案二示意图

4.3 起重设备主要技术参数

现以方案二为例，对船坞起重设备主要技术参数的确定做简要阐述。

龙门起重机轨距105 m，柔性腿侧轨道距离船坞边沿4.25 m；40 t 锤型门座式起重机轨距8 m，海侧轨道距离船坞边沿4.25 m。

方案二船坞断面如图10 所示。

图10 方案二船坞断面图

1）锤型门座式起重机

①作业幅度

锤型门座式起重机最大作业幅度按照覆盖 40 000 DWT 设计船型外侧脚手架考虑。

作业幅度=4+4.25+3.9+32.2（设计船型船宽）+2（脚手架尺寸）=46.35 m，最大作业幅度取47 m。

②不同作业幅度下吊重

吊幅30 m-吊重40 t，主要满足舵系、轴系、螺旋桨等吊装要求；

吊幅47 m-吊重5 t，主要满足小型结构件、钢料等吊装要求。

③起升高度

轨上起升高度=19 m(设计船型型深)+10 m(上建)+18 m(桅杆)-12.6 m(船坞深度)+1.7 m(龙骨墩高度)+1.0 m(富裕)=37.1 m，取38 m。

轨下起升高度取船坞深度12.6 m。

④整机高度及臂架总长度

锤型门座式起重机整机高度在满足起升作业高度的要求下约为48 m，臂架总长度在满足最大作业幅度的要求下约为50 m。

2）造船龙门起重机

①起重能力

造船龙门起重机起重能力主要取决于船体总段件的重量，根据本项目生产纲领及设计船型，确定40 000 DWT 杂货船最大总段重量约为350 t，因此配置400 t 龙门起重机满足使用要求。

②大梁轨上高度

大梁轨上最小高度=48（锤型式门座式起重机整机高度）+1（富裕距离）=49 m

龙门吊刚性腿布置于组装场地一侧（司机室位于刚性腿上），为避免锤型起重机臂架在回转过程中与龙门起重机司机室产生碰撞的可能性，龙门起重机大梁轨上高度约为58 m。

方案二锤型门座式起重机臂架在回转过程中，臂架最外侧与龙门起重机支腿之间保留一定的安全距离。起重设备的各项技术参数在满足船坞吊装作业的要求基础上，避免了在作业过程中产生碰撞的可能性。

5 船坞起重设备配置方案比选

两方案中四连杆门座式起重机和锤型门座式起重机各项技术参数均需满足船坞正常作业时的吊装需求，两者技术参数（包括吊重、作业幅度、起升高度等）保持一致，通过对两方案的对比，主要优缺点如下所示。

1）四连杆门座式起重机整机最大高度较高，当四连杆门座式起重机整机最大高度高于龙门起重机大梁底部高度，且两者需相互交叉移动时，门座式起重机臂架需向外变幅以降低臂架高度，以避免两者相互穿行时产生干涉进而造成事故。此种布置方案影响作业效率，同时对操作及管理水平要求较高，存在相互碰撞的风险。而方案二锤型门座式起重机可在最大工作幅度的条件下通过龙门起重机下方，安全性好，空间利用率和作业效率较高。

2）为避免方案一中四连杆门座式起重机与龙门起重机主梁产生碰撞的可能性，可在适当范围内增加主梁的净空高度，增加主梁高度同时会增加龙门起重机整机重量，其轮压增加，同时设备投资增加。

3）四连杆门座式起重机整机总重量较大，其轮压相对较大，基础投资较大。

综合考虑本项目当地人员操作水平及管理水平较低，且为减少工程总投资，防止碰撞事故发生，船坞起重设备配置方案采用方案二。

6 结语

本文以大型船厂船坞起重设备为研究对象，通过调研国内部分船厂船坞起重设备配置情况，分析了不同类型起重设备主要特点，对船坞起重机配置方案进行比选，并探讨起重设备主要技术参数一般选取原则，为船坞起重设备的配置方案提供一定借鉴。