坐底风电安装船600 t吊机吊重试验与有限元分析应用

黄俊宏

(上海华景智云海洋科技有限公司，上海 201306)

我国提出2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和的目标。为响应国家能源战略思想，我公司采购了一条无动力半潜驳船，改造成一艘无动力坐底风电安装船，该船坐底深度最大可达25 m。改造后，船上增加1台600 t全回转海工吊，可以安装3～12 MW风机[1]。根据中国船级社《船舶与海上设施起重设备规范》(以下简称《规范》)要求，加装的吊机需要在船上做100%负荷全回转试验和110%负荷静态试验[2]。该船应满足坐底工况下进行试验，但由于改造工期非常紧、船厂附近码头资源和地质条件有限，无法等全船改造全部完成后再拉到试验海域进行坐底试验。因此，选择在坞内坐坞墩进行吊重试验。

1 坐底安装船概况

“蓝鲸鱼”船原是一艘5 000 t无动力半潜驳船，由主船体和4个塔楼组成，主要承运重型钢结构，沿海航行。改造前，船长60 m，型宽38.0 m，型深4.8 m，塔楼顶甲板高度24.5 m。改造后，船长60 m，型宽45.2 m，型深4.8 m，塔楼顶甲板高度32.0 m，艏部中间安装1台600 t全回转吊机，改造后船体侧视示意图见图1[3]。

图1 改造后船体侧视示意图

该船吊机主要由吊机基座、回转台、A架、臂架以及其他附件组成。吊机基座高25 m，直径7.87 m；A架高33 m；吊臂长114.5 m；转台长18 m，宽14.4 m，高11 m。吊机主钩跨距29 m时起重能力600 t，甲板以上吊高132 m，副钩起重能力120 t[4]。

2 船坞内坐墩试验方案及有限元分析

为了在吊重试验时船体结构有足够强度的支撑，需要对坞墩进行合理的布置，由于吊机位于船首，整个船首质量会比较大，艏部坞墩布置密集一些。由于船底不是均匀受力，为避免产生局部破坏，需对底部的局部强度进行有限元分析。

结合该船全回转吊机吊重试验的特点和性能要求，确定典型计算工况，用有限元方法对吊机底座结构进行局部强度计算，主要校核屈曲强度。虽然吊机底座在FR84～FR98范围，为安全起见，本次对整船建立有限元模型。

1)计算典型工况。4种起吊作业工况分别为0°、180°、270°、330°时的起吊作业，起吊质量为600 t，考虑1.1的系数。这4种起吊作业工况对船体的作用力和力矩各不相同，其中0°起吊作业力矩最大、船体结构最危险。

2)有限元软件介绍。该项目中选用SESAM作为有限元分析的工具。该软件包含模块如下： ①GeniE(建立有限元模型)； ②SESTRA(求解器)； ③XTRACT(后处理模块)，对计算结果文件进行操作，合成、搜索静态动态应力。

3)有限元模型。因为甲板以上的船员舱室和驾驶室对横向强度的影响较小，所以在模型中忽略此部分，全船有限元计算模型示意图见图2，船板屈服强度为235 MPa。

图2 全船有限元计算模型示意图

(1)主要构件。包括船底板、主甲板、纵舱壁、横舱壁、桁材、横向强框架、纵骨等，它们在船体的整体结构中起到很重要的作用，影响整体变形和整体应力场的分布。在船体有限元计算模型中，必须按照真实情况进行模拟，以保证计算模型与真实结构的一致性，正确反映真实的船体结构。

(2)次要构件。这类构件只起到局部强度的作用，如连接节点处的肘板，肋板上附加的扶强材等，它们对结构的整体强度、变形和重力分布等影响不大，而且有限元软件在计算时自动认为未经特殊处理的节点处焊接强度是足够的，故这种构件在强度计算中作适当取舍，以减少计算量，对于忽略的构件也都是从偏于安全的角度来取舍。

4)约束和加载。坐标系定义：①取基线与艉垂线的交点为坐标原点；②X方向为船体的纵向，以船首方向为正；③Y方向为船体的横向，以船体左舷为正；④Z方向为船体的垂向，以基线向上为正。按照布墩图施加边界条件，底甲板约束Z向的位移，其他约束全部放开，边界条件示意图见图3。 在中纵舱壁和顶甲板相交的点，限制X方向位移，在FR60横舱壁和顶甲板相交的点限制Y方向位移，以确保模型不发生刚体位移。

图3 边界条件示意图

5)设计载荷为该船自身钢结构质量(含吊机、设备、管系、电缆、上层建筑等)和吊钩上600 t起吊货物的质量。

6)设计衡准。强度校核所采用的标准参照《规范》中起重机底座设计要求( 许用等效应力 = 材料的最小屈服强度/安全系数)。在静态工况、米塞斯应力、选用安全系数为1.43时，碳钢许用等效应力为164 MPa。

7)计算结果。各起吊工况的屈服强度校核结果见表1。由表1可知，选取4种典型工况的等效应力都满足衡准要求，其中270°起吊工况的等效应力最大。图4、图5分别是该工况下的塔楼等效应力云图和主船体等效应力云图。

表1 各起吊工况的屈服强度校核结果

图4 270°起吊工况下，塔楼等效应力云图

图5 270°起吊工况下，主船体等效应力云图

3 吊重试验

1)试验前准备。吊重试验包括主吊机主钩600 t全回转负荷试验、主钩660 t静态起吊试验、120 t副钩全回转负荷试验和静态起吊试验。试验前，最后根据坞墩布置图检查坞墩布置情况。为了安全起见，安排在坞内放水至船体吃水1.2 m处、船底面积2 000 m2左右，此时船受到2 400 t浮力(船起浮吃水3 m)，这样既能让船有一定的浮力，又能保证船体不会离开坞墩，对坞墩和船体结构都有一定保护作用。

2)试验工况。试验时风速大约为3级，无浪无流。为保证试验安全，清理和遣散试验范围内的设备和人员。

3)试验过程。采用吊重水袋的方法进行试验，首先把水袋加水至400 t，停止加水，观察吊臂、吊机底座、塔楼与主船体连接处、吊机底座下主船体内的肋板和纵桁等结构有无异响和变形。静置2 h后确认没有异样，继续加水至600 t，静置2 h，继续观察相关关键部位和构件，确认没有异样，开始起升、从0°(船首)开始回转直到360°，以及下降、急停等各项船级社规定的试验项目。整个试验过程非常顺利，所有关键部位结构没有发生异样，整个吊重试验过程得到了验船师的高度认可。

4 结束语

综上所述，常规吊机吊重试验都是在码头或者空旷水域进行，由于时间的紧迫性和硬件资源稀缺，首次尝试在坞内坞墩上做此类试验。为了试验的安全，首先需要充分论证、分析试验的方法和可行性；其次利用有限元直接计算对船体结构受力进行情况验证，为本次试验提供了数据支撑；最后，在试验过程中，由于坞内没有其他船，此有利条件下，在坞内放水对船体有一定的浮力支撑，降低了底部结构承受力。另外，根据试验程序严密组织人员精准操控也是保证这次试验成功的关键因素。

本次试验完成后，该船未完成的工作可以在坞内继续进行，大大缩短了项目改造周期，节省直接费用300万元。该船提前一个半月交付，为公司多创造了3 000万元的经济效益。本次吊重试验的成功经验，也为其他同类项目提供了参考依据。