重型薄壁生活区模块整体吊装方案研究

朱波波

(启东中远海运海洋工程有限公司，江苏 启东 226200)

0 引言

目前，船舶生活区模块化建造已呈现大型化、轻量化趋势，在满足船员日益增长的空间需求基础上，不断降低结构重量以增加载货量。因此，薄壁高强结构凭借其重量轻、强度大的特点越来越多地被应用到生活区模块设计和建造中。

但是，国内外学者对重型薄壁生活区模块吊装方案的研究较少，大部分仅对生活区模块在使用工况下的强度和变形进行分析，未考虑在吊装工况下的强度和变形。因此，建立重型薄壁生活区模块吊装方案设计流程，对我国船舶行业发展薄壁生活区模块化建造和吊装具有重要的实践意义。本文以某FPSO生活区模块为研究对象，对其整体吊装方案进行设计，并分析吊装强度，总结吊装作业流程，形成了一套完整的吊装设计、校核和操作流程，从而实现重壁生活区模块化建造，缩短整船建造周期。

1 生活区模块水上吊装方案选择

FPSO生活区模块主要参数如下：长21.6 m，宽40.5 m，高33.3 m，吊装重量22 630 kN；自下而上分为8层，采用薄壁梁板结构形式，壁板厚度8 mm，甲板厚度7 mm。

FPSO生活区模块在码头前沿完成总装和调试后，使用大型浮吊整体吊装到FPSO主船体上。水上吊装方案有联排小吊耳吊装方案和大刚度一体吊排吊装方案2种[1]。联排小吊耳吊装方案吊耳制作安装简单，但需新购大量吊索具，费用巨大，吊索具生根和拆除工作量大，且刚度小，易引起薄壁结构屈曲变形和撕裂，吊装安全无法保证。大刚度一体吊装方案吊排刚度大、变形小、安全性高，因此，本文拟采用大刚度一体吊排吊装方案。吊装方案见图1。

图1 大刚度一体吊排吊装方案

2 生活区模块水上吊装方案设计

2.1 模块重量重心计算

称重油缸配合称重传感器，将完工后的生活区模块整体顶起。通过称重传感器读取每个油缸处的支反力，根据油缸相对坐标原点的位置和支反力，积分求出生活区模块总重量和重心位置，见表1。

表1 模块重量重心

2.2 吊点载荷计算

假设大刚度一体吊排A、B、C、D的吊点载荷分别为WA、WB、WC、WD，根据力和力矩平衡，可计算得到各吊点载荷WA=4 910 kN，WB=4 900 kN，WC=6 420 kN，WD=6 400 kN。

2.3 大刚度一体吊排设计

大刚度一体吊排最大载荷为6 420 kN，采用双吊耳设计，由主板、面板和扶强肘板组成。吊耳主板厚度为60 mm，生活区围壁厚为8 mm，对接板板厚差不大于1倍且板条宽度不小于300 mm，吊耳主板与围壁间采用30、15 mm钢板过渡[2]，见图2。吊耳配8 000 kN标准卸扣，卸扣销轴直径为240 mm，开口为300 mm，弓高为660 mm。销轴直径需大于等于90%吊耳孔直径，吊耳总厚度需大于75%卸扣开口宽度，吊耳外圆弧半径需大于2倍吊耳直径[3]。吊耳内孔直径取250 mm，总厚度取225 mm，外圆弧半径取500 mm。

图2 吊排板厚过渡方法(单位：mm)

2.4 吊索具设计与校核

浮吊配有4只7 750 kN吊钩，每只吊钩上挂1根钢丝绳圈。绳圈两头通过卸扣连接到大刚度一体吊排吊耳上，绳圈左右2股绳分别套在吊钩左右2个沟槽内，以保证绳圈两头受力相等，见图3。为保证吊索具吊装安全，按照卸扣系数载荷<卸扣安全载荷[3]要求校核钢丝绳、卸扣强度。校核结果如下：总吊装系数1.54，吊装载荷3 700 kN，系数载荷5 700 kN，绳圈安全载荷6 970 kN，绳圈使用系数0.81，卸扣系数载荷5 700 kN，卸扣安全载荷8 000 kN，卸扣使用系数0.71。绳圈使用系数和卸扣使用系数均满足规范要求。

图3 吊索具布置图

2.5 浮吊能力校核

为保证浮吊吊装安全，根据挪威船级社相关规范，需校核浮吊吊装高度、吊装扑距、主臂起重能力、吊钩起重能力[3]。

最终校核结果如下：总系数1.17，吊钩载荷6 420 kN，吊钩系数载荷7 510 kN，吊钩安全载荷7 750 kN，吊钩使用系数0.97，上述指标均满足要求，吊钩使用系数也满足规范要求。

3 生活区模块吊装强度分析

3.1 吊装分析

生活区模块吊装强度分析采用DNV Sesam GeniE 3D有限元分析软件。生活区模块结构采用屈服强度为315 MPa的碳钢，所有吊耳采用屈服强度为355 MPa的碳钢，杨氏模量、密度、泊松比均采用钢材的特性参数[4-5]。

3.2 吊装模型边界条件和网格划分

普通区域单元格尺寸为200 mm，吊排及与吊排相连区域单元格取100 mm。吊装模型边界为4个吊钩位置在X、Y、Z方向的位移固定。吊装模型载荷结构重量通过模型自动算出，设备、管子、电缆、舾装件通过面载荷加载[6]。

3.3 吊装分析结果

浮吊吊装模块工况下，应力云图和变形云图分别见图4、图5，最大组合应力和变形量见表2。

表2 最大组合应力和变形值

图4 应力云图

图5 变形云图

4 生活区模块水上吊装流程

4.1 浮吊系泊力计算

总系泊力RT的计算公式为[7]

RT=0.7(RB+Rf)+Ra

式中：RB为剩余阻力；Rf为摩擦阻力；Ra为风阻力。

剩余阻力RB的计算公式为

RB=0.147δA1V1.83+0.15V

式中：δ为方形系数，δ=0.9；A1为水下横截面面积，A1=701 m2；V为流速，V=2.5 m/s。

摩擦阻力Rf的计算公式为

Rf=1.67×10-3A2V1.83

式中：A2为水下湿表面积，A2=8 327 m2。

风阻力Ra的计算公式为

式中：ρ为空气密度，ρ=1.22 kg/m3；V1为风速，V1=13.8 m/s；Ai为受风面积，Ai=3 160 m2；CS为受风面积Ai的形状系数，CS=0.5；Ch为受风面积Ai的高度系数，Ch=1.3。

综上，得到RB=699 kN，Rf=74 kN，Ra=239 kN，RT=780 kN。

4.2 浮吊进档系泊

浮吊停靠码头后，准备作业时将船首的2根交叉缆绳系到码头缆桩，船尾抛八字锚。通过交叉缆和八字锚控制船位，浮吊可以抵御风浪流的影响。根据系泊力计算，浮吊自身系泊设备可以抵御6级风和2.5 m/s流的同时作用。为保证浮吊在阵风超过6级时的安全，使用拖轮在侧面守护，见图6。

图6 浮吊系泊图

4.3 浮吊起吊

(1)在码头前沿完成吊索具和挂钩连接后，使用定位绞车将浮吊移动到生活区模块正上方，逐个将吊钩下的钢丝绳与一体吊排上的吊耳连接。

(2)缓慢升钩将生活区吊起，离地5 cm后保持15 min。此时，应检查吊排及反面结构有无明显变形或裂纹。

(3)继续升钩到指定高度后将浮吊移动到安装位置。

4.4 浮吊移位和安装

用拖轮将浮吊移到安装位置，浮吊艏部左舷和艉部左舷带缆到码头缆桩，浮吊艏部右舷和艉部右舷抛锚。用锚绞车将浮吊缓慢移动到安装位置上方，缓慢下降吊钩直到进入下方导向并安装到位。

5 结论

(1)大刚度一体吊排吊装重型薄壁结构物可以增加吊点区域结构刚性、减小结构变形和应力。

(2)使用1根钢丝绳圈绕过吊钩两边沟槽，绳圈两头连接到吊排2只吊耳卸扣上，绳圈可在沟槽内自由窜动，使2个吊耳受力均衡，避免因钢丝绳长短引起的受力不均和壁板撕裂。

(3)严格按照吊装工况选择吊装安全系数，将动载系数、重量系数、重心系数、摇晃系数、倾斜系数叠加后校核模块自身结构、吊排、卸扣、钢丝绳和浮吊强度。

(4)根据当地水文、气象条件进行浮吊系泊力分析，计算出风、浪、流产生的环境载荷，校核系泊绞车和锚抓力，必要时增加拖轮辅助移泊。