强受力甲板机械环氧垫块实际应用

陆少杰， 徐忠辉， 黄曌宇

(上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125)

0 引 言

随着工程船使用海域由近海进入深海，工程设备的工况越来越恶劣，负载随之提高，因此设备越来越庞大。设备变大导致底脚安装用的垫块面积和重量随之增大。但船用设备安装均须遵循严格的安装精度，导致传统的钢垫片需要大量的机加工和现场打磨以实现调平。越来越多的项目开始考虑采用环氧树脂垫块。环氧树脂垫块具备良好的隔热、抗冲击、抗压缩、耐腐蚀、离火自熄等特性[1]。但在实际运用中船级社对环氧强度计算要求较高，采用的许用值保有较大的安全因数，表1为某品牌环氧树脂计算许用值与实验室值对比[2]。

表1 某品牌环氧树脂计算许用值与实验室值对比

环氧垫块的使用并非简单的采购及现场浇注即可轻易获得立竿见影的钢垫块等效作用，其在浇注前仍留有一系列的工程设计工作。结合某铺管船上的重型600 t弃置与回收(Abandonment and Recovery， A&R)绞车的环氧应用实例进行强受力甲板机械环氧垫块的应用分析。

1 600 t A&R绞车环氧垫块应用背景

A&R作业核心设备A&R绞车主要用于铺管船在铺管施工过程中海洋石油管道的弃置与回收，即在正常铺设海管的开始与结束阶段，遇到恶劣天气不允许作业阶段，或在卷铺设海管过程中，一个卷轴上的海管铺设完毕，需要更换新的带线卷轴等特殊情况下，将海管弃置于海底停止运作，其工作拉力随着铺管船作业海域不断步入深海而越来越大。某铺管船项目应用大拉力600 t A&R绞车，其安装的基座平面对精度要求高、对厚度要求大，因此相对于传统的钢垫块，采用环氧垫块在工艺性和重量上兼具优势。

绞车质量为240 t；依据绞车厂家要求，安装用M48规格的紧固件在安装时须预加430 kN的预紧力；在实际使用中，应考虑钢丝绳缠绕卷筒的附加重量作用。对于这样的核心系统重载设备，在环氧垫块应用前须对其强度进行有效的计算校核。

2 环氧垫块强度计算

依据《船用机座环氧浇注垫片》[3]的要求，须对安装用设备确认如下数据信息：(1)设备底脚面积；(2)设备安装紧固件选定的预紧力；(3)设备重量及在工作中是否带有其他附加重量。垫块浇注厚度不需要进行强度计算，但通常为15～70 mm，一般为25～45 mm(超过50 mm可分层浇注)。环氧强度计算须符合如下设计参数要求：(1)静压应力≤许用静压应力(0.70 N/mm2)；(2)总压应力≤许用总压应力(5.00 N/mm2，80 ℃以下)。环氧强度计算公式如下：

(1)

式中：P0为静压应力，N/mm2；W为设备总计算重量，N；A为垫块总有效面积，mm2。

(2)

式中：Pt为总压应力，N/mm2；T为螺栓总紧固力，N。

T=Tnn1

(3)

式中：Tn为单个螺栓紧固力，设备厂家给出，N；n1为螺栓总数，个。

3 环氧强度计算实例

以某深水铺管船上的大拉力600 t A&R绞车为例，计算甲板机械环氧垫块强度。

3.1 A&R设备及其底脚信息

A&R设备及其底脚信息如图1和图2所示。

图1 A&R绞车设备俯视图

根据设备厂商提供的A&R绞车图，电机侧紧固件仅为M24规格，用于安装重量较轻的6台电机，但卷筒侧不仅配备具有更大受力的M42规格紧固件用于安装作为设备核心的卷筒，而且增加钢丝绳缠绕的附加重量。由此可知：若环氧强度计算将设备卷筒侧与电机侧同时考虑，则计算并不可靠，而应将卷筒侧与电机侧分别进行环氧强度计算。在实际项目中，类似情况较为多见，是经常易被忽视的计算漏洞，其后果是增加轻载区域的受载面积导致计算结果偏小，但在实际应用时重载区域无法满足环氧强度而导致现场环氧垫块出现开裂。

3.2 电机侧环氧强度计算

根据厂家设备资料，设备质量为600 00 kg，无其他附加重量，按10 N/kg计，设备总计算重量W=600 000 N；安装螺栓规格为M24，直径为34 mm，数量为56个，预紧力为130 000 N；调平顶升螺栓规格为M24，直径为34 mm，数量为14个；电机侧共7块300 mm×950 mm的底脚。由上述已知条件，可进行静压应力P0与总压应力Pt的计算(π按3.14计)。

由式(1)可得：

(4)

由式(4)可知：P0符合≤许用静压应力[P0](0.70 N/mm2)的要求。

由式(2)和式(3)可得：

(5)

式中：螺栓总紧固力按56个安装螺栓计；14个调平顶升螺栓仅用于调平，设备安装完成其载荷被释放，因此不纳入计算。

由式(5)可知：Pt符合≤许用总压应力[Pt](5.00 N/mm2，80 ℃以下)的要求。

3.3 卷筒侧环氧强度计算

根据厂家设备资料，设备质量为180 000 kg，绞车在实际工作中会缠绕5圈钢丝绳，该附加质量为1 374.85 kg，按10 N/kg计，设备总计算重量W=1 813 748.5 N；安装螺栓规格为M42，直径为52 mm，数量为48个，预紧力为430 000 N；调平顶升螺栓规格为M42，数量为12个；卷筒侧共6块378 mm×1 220 mm及4块130 mm×1 325 mm的底脚。由上述已知条件，可进行静压应力P0与总压应力Pt的计算(π按3.14计)。

由式(1)可得：

(6)

由式(6)可知：P0符合≤许用静压应力[P0](0.70 N/mm2)的要求。

由式(2)和式(3)可得：

=6.75 N/mm2

(7)

式中：螺栓总紧固力按48个安装螺栓计；12个调平顶升螺栓仅用于调平，设备安装完成其载荷被释放，因此不纳入计算。

由式(7)可知：Pt不符合≤许用总压应力[Pt](5.00 N/mm2，80 ℃以下)的要求。

3.4 小 结

A&R绞车电机侧符合许用值要求；卷筒侧重力作用符合许用值要求，但螺栓预紧力过大导致计算不符合许用值要求。

计算结果证明，在设备环氧强度计算中直接将设备整体进行重量及预紧力合并计算未必符合实际，大型设备须根据重量和工况分布进行分析，在必要时应进行适当的单个设备分区域环氧强度计算。

4 环氧强度初步计算后的优化处理

4.1 优化方法选择

由第3节实例可知：A&R绞车卷筒侧存在不符合环氧强度计算要求的情况。根据已知信息，在环氧强度初步计算后有3种优化方法，如表2所示。

表2 环氧强度初步计算后的优化方法

在第3节A&R绞车环氧应用实例中，受制于送审船级社要求以5.00 N/mm2(80 ℃以下)为许用计算值及设备已到货，不具备底脚面积再扩大的现实条件，因此采用第3种方法——调整紧固件预紧力。

4.2 螺栓预紧力调整

根据已知环氧强度计算许用值[Pt]、有效作用面积A、螺栓数量n2及已锁定的静压应力P0进行单个螺栓最大预紧力Tn的倒推求解，即

(8)

根据设备受载情况分析设备安装用螺栓组连接受力形式，并进行最小预紧力计算比对。

图3为A&R绞车外力作用分析。钢丝绳产生的水平拉力由设备安装的抗剪块抵消，绞车通过紧固件传导至环氧和基座仅有拉力T产生倾覆力矩M和设备及附属件的重力G。作用在绞车底座上的螺栓组连接应归类于“受倾覆力矩的螺栓组连接”。

图3 A&R绞车外力作用分析

由机械手册可知：“受倾覆力矩的螺栓组连接”最小连接面压应力σpmin[5]的要求为

(9)

式中：F0为最小预紧力；Ae为接合面的有效面积，等同垫块总有效面积，Ae=3 328 601.6 mm2；M为钢丝绳拉力T作用的倾覆力矩，即M=Th，h为钢丝绳拉力T至倾覆面的距离，h=1 120 mm，因此M=600 000 N×1 120 mm=6.72×109N·mm；W′为接合面的有效抗弯截面模量，根据图3可求得实际卷筒侧有效区域关于重心对称轴上的抗弯截面模量为5.8×109mm3。

由式(9)可得最小预紧力为

(10)

由式(10)可知：在满足外载荷作用下，实际最小预紧力不得低于80.35 kN；由式(8)可知：为满足环氧强度计算许用值[Pt]，最大螺栓预紧力不得大于309.28 kN。根据上述计算分析，在实际项目中A&R绞车采用305.00 kN作为安装M48规格螺栓的预紧力，并未发生设备异常晃动或与底座分离等不良现象，并在实际浇注后环氧在多次使用中未发现开裂现象。

5 结 语

通过理论及实例计算证明，强受力甲板机械环氧垫块在强度计算中遇到不符合许用值要求时可进行的优化方法，并举例说明在优化方法中较为繁琐的安装紧固件预紧力调整方法。在实际设备使用中若先期确定应用环氧垫块，应在设备设计或设备厂商提供认可图阶段提前做好环氧强度计算，此举不仅可调整紧固件预紧力，而且可考虑调整向船级社报验的计算书中的环氧强度计算许用值或增大设备的底脚面积，这样可减少后期3种优化方法均无法符合许用值要求而导致重换钢垫片的风险。