杜兴华，王守正，刘 凯

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

0 引言

单元模块化是现代造船推进中间产品完整性的一项重要手段。单元模块可以与船体平行或提前建造，保证了船台（船坞）舾装施工的完整性，缩短了船台（船坞）舾装周期，单元模块大量工作在室内施工。施工者可以充分利用室内设备手段，利用360°空间，施工质量易控制，提高了施工质量[1]。对化学品船来说，甲板区域存在大量管束，对其进行单元化区域划分，而后模块化在总组阶段开始制作，可以使甲板管系的开工节点大幅提前，工作效率显著提升，产品质量得到有效保障[2]。

单元模块设计的基本指导思想是，在详细设计所作的总体规划统筹下，依托分段总段科学、合理的划分，以中间产品为导向，在全船各个区域进行综合布置的过程中，可以选择设备、装置、管路、铁舾件及其它舾装件等综合布置相对比较密集的局部区域设计为单元组装乃至舾装模块，即将该局部区域的相关工程内容从总体综合布置中剥离出来，形成一个具有良好接口的独立完整体，它既便于制作，也方便吊运安装[3]。化学品船甲板管束众多，按照图1所示进行了区域划分，形成了19个主要模块区段，这些模块都具有重量较大，结构单薄，管束密集等特点，特别是管束固定点少、稳定性不良的问题，制约着模块化的发展，为了解决管束单元本身特点所带来的问题，控制好管系精度，开展了针对19个单元模块的专题研究工作，进行了大量计算和工法方案的调整，很大程度上促成了化学品船模块化方案的有效开展，最终为保证企业造船新模式的持续推进、保证化学品系列产品的高质量交付提供了支持。

图1 某型化学品船甲板管束单元模块划分图

1 典型模块吊装分析

甲板模块数量很多，在此仅以UD302单元为例，UD302单元布置图（见图2），长×宽19m×16m，管束密集。针对其结构形式特点，考虑到船台生产塔吊的技术参数，初步设计了双车联吊方案及相应的吊环布置图，见图3。

图2 UD302单元总图

图3 吊环布置图

通过MSC.Patran/Nastran 有限元软件进行建模，计算得到相应的吊装应力及变形数据。在没有进行任何辅助加强设计的情况下，该模块吊装应力最大值达675 MPa（见图4），最大变形达137mm（见图5），这显然是不可接受的。

图4 UD302单元无加强吊装应力云图

图5 UD302单元无加强吊装变形云图

进一步的，利用有限元软件对单元模块的典型剖面进行筛查，确认存在较大应力的单元节点，可以得到图6～图9中存在问题的位置。其中，X1剖面最大应力519 MPa，X2剖面最大应力为327MPa，X3剖面最大应力为543MPa，X4剖面最大应力为675 MPa。由此可见，每个剖面上都存在明显的应力集中现象，经分析，一方面是由模块管束相互间的连接方式导致的，另一方面也是由框架强度不足引起的。

图6 UD302 单元X1 剖面应力云图

图7 UD302 单元X2 剖面应力云图

图8 UD302 单元X3 剖面应力云图

图9 UD302 单元X4 剖面应力云图

2 工法方案研究

2.1 工法辅助加强方案设计

无辅助加强时，各剖面显示的应力集中点可分析出该模块需要进行全面加强而非局部。因此，使用20#槽钢制作其外围框架，使用H型钢及加强肘板制作局部点加强。细节上，应注意到加强件数量众多，在安装时避免干涉、拆除时要明确拆除阶段和拆除要求等。此外，在吊环所在位置，为了保证良好的应力传递，应进行加大焊脚、焊接状态检查等相关工艺和质量管理。

考虑到模块下口距离地面高度很低，增加加强件健将不便施工，因此设计了支撑脚将模块抬高，支撑脚相当于模块胎架的作用，用于提供施工空间的同时，也利于控制模块安装时的水平精度。支撑脚布置见图10。

其次，在支撑脚胎架建立好后，在管系单元各剖面对应位置安装槽钢加强，注意槽钢加强统一安装在单元立柱的艉侧防止相互干涉。结合前文所述应力集中位置，槽钢框架共安装在7个横纵主剖面上，以便将计算结果控制在可接受范围内。槽钢加强设计及安装图如图11～图17 所示。

图10 UD302单元支撑脚胎架布置图

图11 FR105剖面加强方案

图12 FR100剖面加强方案

图13 FR115剖面加强方案

图14 FR110 剖面加强方案

图15 L±4剖面加强方案

图16 FR120 剖面加强方案

图17 L±10剖面加强方案

2.2 改进方案有限元校核

经过上述工法辅助加强方案的改进，原UD302模块已经具备了一定的结构强度，形成了较好的整体性。为进一步验证改进方案的可行性，在原有限元模型基础上增加加强单元，重新校核模块吊装应力及变形状态，所得结果如图18、图19 所示。其中，该模块吊装应力最大值196MPa，满足小于普通船用钢许用应力（235 MPa）的要求；最大变形28mm 且仅存在于管束单元末端的局部区域，模块中部主结构变形普遍小于10mm。由此可见，上述工法辅助加强方案理论上是可接受的。在现场作业的实践环节，要注重焊接质量的控制，从而保证方案的实践效果。

专题组应用上述方法对19只化学品船甲板模块进行逐一研究，针对其各自的本体形态特点设计了多种加强方案，但始终以应力集中分析作为方案设计的核心技术。通过应力分析，细节微调，最终完成了全部19只单元模块的工法方案改进设计工作。

图18 UD302 单元加强后吊装应力云图

图19 UD302 单元加强后吊装变形云图

3 结论

综上所述，本文得出以下结论：

1）应力集中是管系单元模块吊装普遍存在的问题，有针对性地开展应力分析并制定对策是管系模块类工法辅助方案设计的合理思路。

2）经生产实践检验，实践结果与有限元预报值基本吻合，有限元预报的应用价值和准确性得以验证。

3）本文的研究是基于已划分成型的管系单元开展，考虑到模块化的发展，建议将模块划分和有限元研究同步进行，这样可以减轻甚至避免很大程度上的辅助加强施工作业量，节约时间和经济成本。