重型海洋工程起重機吊重試驗的技術支持及其應用

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備在全回轉模式下具備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。是主起重機吊重試驗的示意圖。  

為配合主起重機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計院、研究所、接船組和船廠等有關單位人員共同完成了與船舶相關的多項技術支持工作，包括大型吊重試驗的壓調載方案設計和程序準備、穩(wěn)性和強度校核、浮態(tài)分析、傾斜試驗（起重工況的初穩(wěn)性高驗證）和實時應力監(jiān)測等。  

吊重試驗手冊由主起重機制造廠編制，并得到船級社和工程項目組批準。按照該試驗手冊，主起重機功能和吊重試驗項目多達56項。根據相關計算分析，與船舶性能密切相關的主要有1686t60m吊重試驗、3000t41.25m回轉試驗、3850t3325m超負荷變幅試驗、4000t4325m變幅試驗和4400t43m超負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、船體總縱強度、壓載系統(tǒng)的可靠性乃至主起重機自身的結構強度都是極大的考驗。  

技術人員和作業(yè)人員經多次研究和討論，編制出一整套應用于本船吊重試驗的方案和措施，經實踐證明，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壓調載方案設計在設計船舶壓調載方案時，首先應在滿足船體總縱強度的前提下，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)性高相應降低。為避免初穩(wěn)性高下降過多，應盡可能使預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超負荷變幅試驗、4000t43~25m變幅試驗和4400t43m超負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旋轉，船舶在試驗過程中不需調載配合。  

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

參與回轉試驗的調載工作。另有2對淡水艙和3對燃油艙。  

經多次分析研究，*終將3000t41.25m回轉試驗的調載順序確定為：在吊臂從0.轉到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)的操作和調撥壓載水的流程，時刻與試驗指揮和主起重機操作人員保持良好的通話和協(xié)作。根據經驗，在主起重機旋轉初期，調撥壓載水通常是跟不上主起重機旋轉速度的，船舶總是向主起重機旋轉方向傾斜。為此，一旦當船舶向旋轉方向傾斜接近1°時，應立即要求主起重機停止動作，待船舶調平后才允許繼續(xù)旋轉。  

在主起重機旋轉到左艇90°后，試驗基本上可以結束。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回轉試驗調載調載艙調載艙水量占比/%編號艙容/t預起吊工況注：（1）預起吊工況，即主起重機鉤頭加載前的準備工況；0°、15°、45°和90°為回轉試驗過程中吊臂角度；調載艙水量占比，即調載艙中實際水量與艙容的比例；調載艙水量占比10%視為該艙無法在短時間內完全抽干。  

2穩(wěn)性和強度校核按照裝載手冊列出的穩(wěn)性衡準、船體許用彎矩和許用剪力的要求，本船1686t60m吊重試驗、回轉試驗、3850t33ir25m超負荷變幅試驗、4000t43m~25m變幅試驗和4400t43m超負荷艉固定后背繩吊重試驗工況的穩(wěn)性和強度校核均滿足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操作對船舶浮態(tài)的影響。  

3.1環(huán)境風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，而波浪和流可以忽略不計。假設環(huán)境風速造成船舶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；計算預起吊工況初穩(wěn)性高推算起吊后初穩(wěn)性高GM，并與設計值進行比較。  

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.如果此時進行試驗，將是非常危險的。所以在試驗開始前應認真檢查壓載艙狀態(tài)，尤其是那些自由液面慣性矩較大的壓載艙。  

在計算得到預起吊工況初穩(wěn)性篼GMo后，可根據靜水力學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，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/%預起吊注：“NAPA計算”欄中各工況的初穩(wěn)性高是在傾斜試驗現場根據實際壓載狀況計算得到的。  

5實時應力監(jiān)測在大型吊重試驗期間，超大負荷會對主起重機和船體的結構產生相當大的應力。為了解主起重機和船體結構的受力狀況，選取14個測量點，采用粘貼式應變片方式進行定點實時應力監(jiān)測。  

S.1測量點布置根據對主起重機和船體結構受力分析，共選取了14處作為測量點。其中，船體梁（No.14應力測1應力測量點No.122應力測量點No.13.13「點5.2應力監(jiān)測結果在主起重機吊重試驗期間，14個監(jiān)測點測得的*大應力列于表3.表3應力監(jiān)測測點編號屈服強度/MPa*大應力/MPa百分比/%注：“*大應力”欄中正值為拉應力，負值為壓應力。個別測量點（Na9、No.10）應變片出現問題導致數據不準，因此不在表中列出。所有測量點均未考慮初始應力。  

6結語本文對深水鋪管起重船主起重機吊重試驗的技術支持應用情況進行了總結，并提出若干實用性很強的壓調載方案設計、穩(wěn)性強度校核、浮態(tài)分析、初穩(wěn)性高驗證和實時應力監(jiān)測等經驗和做法，將為今后類似重型海洋工程起重機的吊重試驗提供重要的技術。