重型海洋工程起重機(jī)吊重試驗的技術(shù)支持及其應(yīng)用

深水鋪管起重船“海洋石油201”由海洋石油工程股份有限公司全額投資，是全球**艘同時具備3000米級深水S型鋪管能力、DP-3+DP-2級動力定位能力和4000噸級大型起重能力的船型深水海洋工程船舶，船長204.65m，型寬39.2m，型深14m，安裝在船艉的重型海洋工程起重機(jī)備在全回轉(zhuǎn)模式下具備3500t的起重能力，在艉固定后背繩模式下具備4000t的起重能力。該主起重機(jī)在2012年4月中旬順利完成多項大型吊重試驗，并得到深水鋪管起重船工程項目組、接船組、CCS和ABS等單位的驗收。是主起重機(jī)吊重試驗的示意圖。  

為配合主起重機(jī)制造廠順利開展大型吊重試驗，深水鋪管起重船工程項目組組織設(shè)計院、研究所、接船組和船廠等有關(guān)單位人員共同完成了與船舶相關(guān)的多項技術(shù)支持工作，包括大型吊重試驗的壓調(diào)載方案設(shè)計和程序準(zhǔn)備、穩(wěn)性和強(qiáng)度校核、浮態(tài)分析、傾斜試驗（起重工況的初穩(wěn)性高驗證）和實時應(yīng)力監(jiān)測等。  

吊重試驗手冊由主起重機(jī)制造廠編制，并得到船級社和工程項目組批準(zhǔn)。按照該試驗手冊，主起重機(jī)功能和吊重試驗項目多達(dá)56項。根據(jù)相關(guān)計算分析，與船舶性能密切相關(guān)的主要有1686t60m吊重試驗、3000t41.25m回轉(zhuǎn)試驗、3850t3325m超負(fù)荷變幅試驗、4000t4325m變幅試驗和4400t43m超負(fù)荷艉固定后背繩吊重試驗。這些試驗工況對于新建船舶的完整穩(wěn)性、船體總縱強(qiáng)度、壓載系統(tǒng)的可靠性乃至主起重機(jī)自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都是極大的考驗。  

技術(shù)人員和作業(yè)人員經(jīng)多次研究和討論，編制出一整套應(yīng)用于本船吊重試驗的方案和措施，經(jīng)實踐證明，這些方案和措施是有效可行的，確保了各項大型吊重試驗安全、順利地完成。  

1壓調(diào)載方案設(shè)計在設(shè)計船舶壓調(diào)載方案時，首先應(yīng)在滿足船體總縱強(qiáng)度的前提下，盡可能提高船舶的穩(wěn)性。在起吊吊重試驗用水箱后使得船舶的重心篼度大幅增加，而初穩(wěn)性高相應(yīng)降低。為避免初穩(wěn)性高下降過多，應(yīng)盡可能使預(yù)壓載水量較大且重心較低，同時又要避免起吊后超出10.6m這個船舶*大起重吃水。這個原則適用于3850t3325m超負(fù)荷變幅試驗、4000t43~25m變幅試驗和4400t43m超負(fù)荷艉固定后背繩吊重試驗，由于這些吊重試驗沒有涉及主起重機(jī)旋轉(zhuǎn)，船舶在試驗過程中不需調(diào)載配合。  

但在3000t41.25m回轉(zhuǎn)試驗中，除考慮提高船舶穩(wěn)性外，在壓調(diào)載方案設(shè)計時要考慮預(yù)留出部分壓載艙空間用于壓載水調(diào)撥。此外還要考慮以下4項原則：**，壓載水只能在壓載艙內(nèi)流動，既不能往舷外打，也不能將海水打入壓載艙內(nèi)，也就是說，任何時刻，船上壓載水總量應(yīng)保持不變。第二，應(yīng)考慮壓載泵和壓載艙的實際情況。比如有些壓載艙內(nèi)的艙底水無法在短時間內(nèi)完全抽干，在設(shè)計上就應(yīng)給予這些艙5%至10%余量的考慮；通常注水艙由于壓載艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)和船舶縱橫傾等原因也很難打滿，在設(shè)計上建議按95%容量考慮，即認(rèn)為這些艙是打不滿的。第三，盡可能考慮對艙調(diào)撥，例如主起重機(jī)往左炫旋轉(zhuǎn)，左戒壓載艙就應(yīng)依次向右舷對稱艙調(diào)撥；在對艙調(diào)撥后，如果還需要繼續(xù)調(diào)載，可以采用對角調(diào)撥，如從No.6P艙撥到No.17S艙（No.6S艙在預(yù)壓載時已經(jīng)注滿）。第四、充分利用燃油艙和淡水艙進(jìn)行合理配置，可以有效降低船體梁*大彎矩和提高船舶穩(wěn)性。  

參與回轉(zhuǎn)試驗的調(diào)載工作。另有2對淡水艙和3對燃油艙。  

經(jīng)多次分析研究，*終將3000t41.25m回轉(zhuǎn)試驗的調(diào)載順序確定為：在吊臂從0.轉(zhuǎn)到15.時，No.llP->No.llS，No.lOP―No.lOS；在吊臂從在試驗期間，要求壓載系統(tǒng)操作人員保持沉著冷靜的心態(tài)，熟練掌握壓載系統(tǒng)的操作和調(diào)撥壓載水的流程，時刻與試驗指揮和主起重機(jī)操作人員保持良好的通話和協(xié)作。根據(jù)經(jīng)驗，在主起重機(jī)旋轉(zhuǎn)初期，調(diào)撥壓載水通常是跟不上主起重機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的，船舶總是向主起重機(jī)旋轉(zhuǎn)方向傾斜。為此，一旦當(dāng)船舶向旋轉(zhuǎn)方向傾斜接近1°時，應(yīng)立即要求主起重機(jī)停止動作，待船舶調(diào)平后才允許繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。  

在主起重機(jī)旋轉(zhuǎn)到左艇90°后，試驗基本上可以結(jié)束。此時，可以將試驗水箱慢慢放入海中，并配合反撥壓載水使船舶保持水平。  

圖；2液艙布置圖表13000t41.25m回轉(zhuǎn)試驗調(diào)載調(diào)載艙調(diào)載艙水量占比/%編號艙容/t預(yù)起吊工況注：（1）預(yù)起吊工況，即主起重機(jī)鉤頭加載前的準(zhǔn)備工況；0°、15°、45°和90°為回轉(zhuǎn)試驗過程中吊臂角度；調(diào)載艙水量占比，即調(diào)載艙中實際水量與艙容的比例；調(diào)載艙水量占比10%視為該艙無法在短時間內(nèi)完全抽干。  

2穩(wěn)性和強(qiáng)度校核按照裝載手冊列出的穩(wěn)性衡準(zhǔn)、船體許用彎矩和許用剪力的要求，本船1686t60m吊重試驗、回轉(zhuǎn)試驗、3850t33ir25m超負(fù)荷變幅試驗、4000t43m~25m變幅試驗和4400t43m超負(fù)荷艉固定后背繩吊重試驗工況的穩(wěn)性和強(qiáng)度校核均滿足CCS和ABS要求。  

3浮態(tài)分析大型吊重試驗的初穩(wěn)性高通常較低，一些極端的工況甚至可能出現(xiàn)小于lm的情況。假定船舶排水量不變，附加橫傾力矩很可能引起較大的橫傾。以下列出幾個實用分析公式，有助于提前了解環(huán)境條件變化和起重機(jī)操作對船舶浮態(tài)的影響。  

3.1環(huán)境風(fēng)速大型吊重試驗通常安排在天氣狀態(tài)良好的遮蔽碼頭進(jìn)行，會對船舶浮態(tài)造成明顯影響的環(huán)境因素主要是陣風(fēng)，而波浪和流可以忽略不計。假設(shè)環(huán)境風(fēng)速造成船舶1°的初始橫傾，則對于所有吊重工況都可以通過公，等10分鐘后讀取N0.15P和N0.15S壓載艙測深，計算實際調(diào)撥壓載水量和橫傾力矩；讀取油槽擺錘刻度，計算橫傾角；將N0.15S壓載艙約350t海水打到：N0.15P壓載艙，等10分鐘后讀取N0.15P和N0.15S壓載艙測深，計算實際調(diào)撥壓載水量和橫傾力矩；讀取油槽擺錘刻度，計算橫傾角；計算預(yù)起吊工況初穩(wěn)性高推算起吊后初穩(wěn)性高GM，并與設(shè)計值進(jìn)行比較。  

試驗方案中有兩點需要提醒，一是橫傾角的測量，不采用船上運動單元（MRU）或吃水傳感器等設(shè)備讀取橫傾角，建議采用油槽和擺錘；二是特別注意壓載艙自由液面對初穩(wěn)性高的影響。以No.l壓載艙為例，該艙位于船首底部，*大自由液面慣性矩為33503m4，通常要求將該艙裝滿。假設(shè)由于疏忽，只裝了98%，自由液面修正將使得初穩(wěn)性高下降約0.55m.也就說，如果設(shè)計初穩(wěn)性高僅為lm，由于1壓載艙自由液面的影響，實際初穩(wěn)性高將下降到0.45m.如果此時進(jìn)行試驗，將是非常危險的。所以在試驗開始前應(yīng)認(rèn)真檢查壓載艙狀態(tài)，尤其是那些自由液面慣性矩較大的壓載艙。  

在計算得到預(yù)起吊工況初穩(wěn)性篼GMo后，可根據(jù)靜水力學(xué)基本原理推算起吊工況初穩(wěn)性高GM.因步驟較為繁瑣，篇幅所限，這里不再展開。  

從表2可以看出，從試驗得到的實際初穩(wěn)性高略低于NAPA軟件計算值，但總體偏差控制在5%以內(nèi)，基本上可以接受。  

表2傾斜試驗（初穩(wěn)性高驗證）工況NAPA計算值/m傾斜試驗/m差異/m百分比/%預(yù)起吊注：“NAPA計算”欄中各工況的初穩(wěn)性高是在傾斜試驗現(xiàn)場根據(jù)實際壓載狀況計算得到的。  

5實時應(yīng)力監(jiān)測在大型吊重試驗期間，超大負(fù)荷會對主起重機(jī)和船體的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相當(dāng)大的應(yīng)力。為了解主起重機(jī)和船體結(jié)構(gòu)的受力狀況，選取14個測量點，采用粘貼式應(yīng)變片方式進(jìn)行定點實時應(yīng)力監(jiān)測。  

S.1測量點布置根據(jù)對主起重機(jī)和船體結(jié)構(gòu)受力分析，共選取了14處作為測量點。其中，船體梁（No.14應(yīng)力測1應(yīng)力測量點No.122應(yīng)力測量點No.13.13「點5.2應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果在主起重機(jī)吊重試驗期間，14個監(jiān)測點測得的*大應(yīng)力列于表3.表3應(yīng)力監(jiān)測測點編號屈服強(qiáng)度/MPa*大應(yīng)力/MPa百分比/%注：“*大應(yīng)力”欄中正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力。個別測量點（Na9、No.10）應(yīng)變片出現(xiàn)問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，因此不在表中列出。所有測量點均未考慮初始應(yīng)力。  

6結(jié)語本文對深水鋪管起重船主起重機(jī)吊重試驗的技術(shù)支持應(yīng)用情況進(jìn)行了總結(jié)，并提出若干實用性很強(qiáng)的壓調(diào)載方案設(shè)計、穩(wěn)性強(qiáng)度校核、浮態(tài)分析、初穩(wěn)性高驗證和實時應(yīng)力監(jiān)測等經(jīng)驗和做法，將為今后類似重型海洋工程起重機(jī)的吊重試驗提供重要的技術(shù)。