江創(chuàng)宏，繆志剛，王孝賓

(1.南通象嶼海洋裝備有限責(zé)任公司，江蘇 南通 226000；2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3.南京汪洋船舶工程有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

LNG船液艙次屏蔽安裝平臺(tái)是為了將圍護(hù)系統(tǒng)安裝在液貨艙內(nèi)而專門(mén)搭設(shè)的一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模宏大的輕質(zhì)腳手架。長(zhǎng)期以來(lái)，安裝平臺(tái)的設(shè)計(jì)研發(fā)工作都被國(guó)外技術(shù)所壟斷，船廠建造的安裝平臺(tái)依賴于他國(guó)專利，需要繳納巨額的專利費(fèi)用。隨著LNG船需求量的日益增長(zhǎng)，文獻(xiàn)[1]針對(duì)薄膜型LNG船圍護(hù)系統(tǒng)研發(fā)出了一套具有我國(guó)獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的安裝平臺(tái)。而對(duì)于A型液艙LNG船，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)的次屏蔽安裝平臺(tái)的設(shè)計(jì)研究，故本文借鑒了薄膜型LNG圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺(tái)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)A型液艙次屏蔽安裝平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)及分析。

1 施工要求

本船研究的LNT45船擁有三個(gè)液貨艙，其中每個(gè)貨艙配備一只棱鏡型IMO獨(dú)立A型液艙罐作為主屏蔽，同時(shí)也擁有完全獨(dú)立的次屏蔽。在船舶建造過(guò)程中，需要在船內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼板上對(duì)完全獨(dú)立的次屏蔽進(jìn)行安裝。本文對(duì)LNT45船二號(hào)貨艙進(jìn)行安裝平臺(tái)設(shè)計(jì)及有限元分析，貨艙長(zhǎng)度為45.6 m，寬度為27 m，高為17.8 m。

在安裝工作中，次屏蔽安裝在船內(nèi)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)鋼板上，貨罐本身不帶任何絕緣，即將一個(gè)未絕緣的A型罐放置在一個(gè)絕緣的空間里。次屏蔽安裝平臺(tái)在船體搭載階段進(jìn)行安裝，在甲板分段吊裝之前需要次屏蔽層安裝結(jié)束并且安裝平臺(tái)完成拆卸。次屏蔽由Triplex絕緣板組成，總厚度約為350 mm。期間涉及很多工裝設(shè)備的使用，在安裝平臺(tái)工作過(guò)程中，需要改變工作平臺(tái)到作業(yè)面的距離。

2 方案比選

2.1 落地式

落地式安裝平臺(tái)需從艙底開(kāi)始搭設(shè)。但是船體的線型收縮會(huì)給落地式安裝平臺(tái)的搭設(shè)和固定帶來(lái)了很大難度，并且若搭設(shè)普通落地式腳手架，則在進(jìn)行船底次屏蔽安裝之前需先拆除腳手架，延誤工期的同時(shí)，也會(huì)造成人力物力的巨大浪費(fèi)。另外，LNT擁有相關(guān)安裝平臺(tái)專利，在落地式安裝平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中也需要規(guī)避LNT的相關(guān)專利點(diǎn)，否則將繳納巨額的專利費(fèi)用。

2.2 吊籃

吊籃具有安裝快捷、操作簡(jiǎn)單、使用方便、安全可靠的特點(diǎn)[1]，但承載力有限，且對(duì)吊籃內(nèi)操作人員的行動(dòng)限制太大，不能滿足絕緣層安裝要求。

2.3 安裝平臺(tái)

根據(jù)次屏蔽的安裝要求，設(shè)計(jì)一種拆裝方便，不需要占用太多起重設(shè)備，具有自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的安裝平臺(tái)。結(jié)合落地式和吊籃懸吊平臺(tái)的形式，將安裝平臺(tái)分為與船體連接的桁架和通過(guò)吊耳吊掛在桁架下的懸掛結(jié)構(gòu)[2]。在平臺(tái)組裝時(shí)，可采用類似船體搭載的形式，對(duì)安裝平臺(tái)進(jìn)行模塊劃分，分類組裝后，進(jìn)行吊裝并裝配成整體。安裝平臺(tái)基本設(shè)計(jì)圖和布置圖分別如圖1和圖2所示。

圖2 安裝平臺(tái)布置圖

3 施工平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 吊掛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于船內(nèi)結(jié)構(gòu)舭列板底部到內(nèi)底板的高度為2 500 mm，因而安裝平臺(tái)時(shí)為滿足舭部以上的次屏蔽安裝工作的要求，在吊掛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，參考了薄膜型次屏蔽安裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)。整體結(jié)構(gòu)主要由框架、連接梁、伸縮梁組成，元件內(nèi)部連接方式為焊接，元件之間通過(guò)銷子來(lái)連接。安裝平臺(tái)共有5層，層間距為2.5 m，其中一層距船底高度為3 m。每一層都有框架區(qū)域，通道區(qū)域(約1.4 m)和工作區(qū)域(約0.5 m)，以確保在一人通行的情況下，還有1 m的材料設(shè)備空間。通道區(qū)域和工作區(qū)域統(tǒng)稱伸縮梁區(qū)域，由鋼跳板和膠合板覆蓋，其區(qū)域示意圖如圖3所示。為進(jìn)行次屏蔽多層絕緣的安裝，工作區(qū)域可以在施工過(guò)程中進(jìn)行調(diào)整。在貨艙中部安裝平臺(tái)設(shè)有兩部樓梯，在上落梯下方拉設(shè)安全網(wǎng)。安全網(wǎng)的拉設(shè)范圍覆蓋登高作業(yè)人員可能墜落的區(qū)域，以防止人員墜落。吊掛結(jié)構(gòu)普通跨距為2 m，樓梯處跨距為2.8 m，橫艙壁中部跨距為3 m。安裝平臺(tái)配備一部載貨電梯，載重量為1 600 kg，可通到1層至5層。吊掛結(jié)構(gòu)所使用的桿件截面尺寸見(jiàn)表1。

表1 截面尺寸數(shù)據(jù)表

3.2 與船體的連接系統(tǒng)設(shè)計(jì)

連接系統(tǒng)主要有依靠配重實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性的系統(tǒng)、固定在結(jié)構(gòu)物上或建筑物上的系統(tǒng)、前兩者系統(tǒng)的結(jié)合等形式。

圖3 安裝平臺(tái)區(qū)域示意圖

連接系統(tǒng)選取與船體連接的桁架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。對(duì)于舷側(cè)桁架，桁架結(jié)構(gòu)通過(guò)兩個(gè)焊接在船體舷側(cè)的吊耳進(jìn)行固定，焊接在舷側(cè)外板上的吊耳距桁架下弦桿距離為2 m，另一吊耳位于桁架下弦桿正下方縱艙壁上，以防止安裝平臺(tái)傳導(dǎo)給舷側(cè)的力過(guò)于集中，造成船舷變形。對(duì)于橫艙壁處連接系統(tǒng)設(shè)計(jì)，考慮到兩個(gè)艙次屏蔽絕緣層的施工，桁架在橫艙壁兩側(cè)受力相差不大，固定桁架的吊耳焊接在橫艙壁兩側(cè)同一高度，以對(duì)桁架進(jìn)行支撐固定。桁架設(shè)計(jì)為2 m高的梯形桁架，桁架結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件通過(guò)焊接進(jìn)行連接。出于結(jié)構(gòu)對(duì)抗彎能力的需要，桁架結(jié)構(gòu)的材料適宜選用雙軸對(duì)稱的截面的型鋼，本結(jié)構(gòu)采用H型截面鋼。H型鋼在方便連接的同時(shí)還具有比普通截面工字鋼抗彎能力更強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。在對(duì)截面預(yù)估時(shí)，梁的截面高度與跨度的比值通常取1/20～1/50[3]，連接系統(tǒng)梁的最大跨度為3 750 mm，取H型鋼截面高度為150 mm。為便于工程管理及采購(gòu)，連接系統(tǒng)各構(gòu)件統(tǒng)一采用型號(hào)為HW150×150的熱軋H型鋼，H型鋼的高度和翼板寬度為150 mm，腹板厚度為7 mm，翼板厚度為10 mm。選取鋼材材質(zhì)為Q235B。

圖4 桁架結(jié)構(gòu)示意圖

4 LNG液艙次屏蔽安裝平臺(tái)的靜力分析

4.1 模型簡(jiǎn)化

以45 000 m3LNG船2艙為研究對(duì)象，基于ANSYS workbench對(duì)其次屏蔽安裝平臺(tái)建立三維有限元模型，所有桿件在三維坐標(biāo)下嚴(yán)格按照規(guī)定尺寸逐個(gè)建立，在滿足模型與實(shí)際完全對(duì)應(yīng)的前提下，對(duì)數(shù)值模型中支腿、伸縮梁進(jìn)行簡(jiǎn)化，省去欄桿、銷釘及擋板等附屬結(jié)構(gòu)。由于安裝平臺(tái)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了減小計(jì)算量，建立二分之一模型進(jìn)行后續(xù)分析。

4.2 數(shù)值模型的建立

次屏蔽安裝平臺(tái)的各部分構(gòu)件的材料屬性均選用Q235B，其材料屬性為：彈性模量210 GPa，泊松比0.3，密度7 800 kg/m3。在ANSYS workbench中選取的單元類型為beam188的梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬安裝平臺(tái)的桿系結(jié)構(gòu)。beam188單元為三維線性有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧蓾M足次屏蔽安裝平臺(tái)多種型鋼截面的定義與修改。A型液艙維護(hù)系統(tǒng)安裝平臺(tái)數(shù)值模型如圖1所示。

圖5 A型液艙維護(hù)系統(tǒng)安裝平臺(tái)數(shù)值模型

4.3 安裝平臺(tái)載荷的施加

一般來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)受到的外載荷可分為永久載荷(恒載)及可變載荷(活載)[5]。對(duì)于安裝平臺(tái)來(lái)說(shuō)，永久載荷包括結(jié)構(gòu)自重外加永久性的承重，可變載荷則主要包括工作載荷以及風(fēng)雪載荷。由于平臺(tái)施工是在船艙內(nèi)部進(jìn)行，船艙頂部安裝有防雨頂棚使得安裝平臺(tái)處于封閉空間，因此可以不計(jì)風(fēng)雪載荷的影響。

根據(jù)可變載荷施加位置不同，與恒定載荷進(jìn)行組合，對(duì)工作中出現(xiàn)的各種載荷工況進(jìn)行模擬。

4.3.1安裝平臺(tái)的自重

在workbench中定義模型各構(gòu)件的尺寸與密度，由軟件計(jì)算得出安裝平臺(tái)的自重，其中重力加速度取g=9.806 6 m/s2。

4.3.2鋼跳板和膠合板重量

鋼跳板：q1=220 N/m2

膠合板：q2=100 N/m2

4.3.3工作載荷

工作載荷主要為作用于安裝平臺(tái)上的人員、材料及安裝設(shè)備的重量。核算時(shí)，材料及安裝設(shè)備重量取1 500 N/m2，施工人員重量取800 N/m2。安裝平臺(tái)在使用過(guò)程中為從上至下最多兩層同時(shí)進(jìn)行施工。以伸縮梁最大外伸情況下的兩層同時(shí)施工作為標(biāo)準(zhǔn)施工狀態(tài)進(jìn)行研究，工作載荷具體分布情況見(jiàn)表2。

表2工作載荷層數(shù)分布表N/m2

工況第一層第二層第三層第四層第五層100230023001500223002300150015001500300002300

4.4 邊界條件的給定

次屏蔽安裝平臺(tái)固定于船體舷側(cè)之上，桁架通過(guò)舷側(cè)內(nèi)外焊接的吊耳固定，因此對(duì)接觸部分施加固定約束?？紤]到平臺(tái)次屏蔽安裝過(guò)程中的穩(wěn)定性，平臺(tái)在使用時(shí)，框架底部通過(guò)套管裝置與船底連接，因此在框架底部區(qū)域施加X(jué)向(水平向)約束。由于采用了二分之一模型，所以通過(guò)Symmetry Region對(duì)模型加入對(duì)稱邊界條件。

4.5 求解結(jié)果

利用Workbench對(duì)有限元模型進(jìn)行計(jì)算，由最危險(xiǎn)工況2計(jì)算所得的應(yīng)力與位移分布云圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 應(yīng)力分布云圖

通過(guò)對(duì)各工況的求解分析可得：安裝平臺(tái)在最危險(xiǎn)工況下，最大拉應(yīng)力為87.1 MPa，發(fā)生在橫艙壁區(qū)域安裝平臺(tái)與走道拉桿連接處；最大壓應(yīng)力為22.9 MPa，發(fā)生在第五層角區(qū)連接梁與走道梁連接處。最大位移為5.58 mm，發(fā)生在

安裝平臺(tái)一層角區(qū)伸縮梁處。

圖7 變形分布云圖

參照《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130—2011), Q235鋼的抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取205 MPa；懸挑受彎構(gòu)件容許撓度取l/200，本文安裝平臺(tái)伸縮梁區(qū)域最大懸伸長(zhǎng)度為1 800 mm，可得伸縮梁容許撓度為9 mm，因此安裝平臺(tái)滿足安全要求。

5 結(jié)論

(1)本文設(shè)計(jì)出一種全新結(jié)構(gòu)形式的A型液艙次屏蔽安裝平臺(tái)。

(2)安裝平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式滿足了A型液艙次屏蔽Triplex材料的安裝要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了操作簡(jiǎn)便和平臺(tái)占用空間的節(jié)省。

(3)安裝平臺(tái)可根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行模塊劃分。各個(gè)分模塊分類組裝后再進(jìn)行吊裝裝配，最大程度減少了安裝平臺(tái)搭建對(duì)工期的影響。

(4)通過(guò)有限元建立模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度和剛度要求，同時(shí)發(fā)現(xiàn)安裝平臺(tái)強(qiáng)度上還有很大裕度，后續(xù)可以對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，減少鋼材使用量。

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