LNG船液艙圍護系統(tǒng)安裝平臺強度衡準(zhǔn)研究

王慶豐, 韓純強, 李永正

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

液艙圍護系統(tǒng)安裝平臺是一種特殊的平臺,它的設(shè)計與制造是一項難度極大的工程,滬東中華LNG船液艙圍護系統(tǒng)安裝平臺的設(shè)計與制造采取的是進口招投標(biāo)形式[1]．由于液艙圍護系統(tǒng)安裝平臺每艘的專利使用費大約需要100萬歐元,加上高昂的電梯和材料進口費用,無論從經(jīng)濟性還是從實用性上考慮,都需要規(guī)避開國外專利保護點,早日設(shè)計出一套更加安全、實用、具有自主產(chǎn)權(quán)的新型液艙圍護系統(tǒng)安裝平臺．而判斷新型液艙圍護系統(tǒng)安裝平臺的強度能否滿足實際工程的需求,具有一定的安全裕度,并滿足經(jīng)濟性的要求,需要一套強度衡量標(biāo)準(zhǔn)．LNG船是國內(nèi)首次建造,對于此類平臺,國內(nèi)沒有專門的強度衡量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,結(jié)構(gòu)強度方面的研究比較少[2-5]．文中運用通用軟件Msc.patran/nastran,建立液艙圍護系統(tǒng)安裝平臺的三維有限元模型,并進行強度分析,參考國外此類安裝平臺強度、建筑腳手架的一些標(biāo)準(zhǔn)及進口安裝平臺使用經(jīng)驗,最終提出一套此類安裝平臺的建議強度衡準(zhǔn)．

1 結(jié)構(gòu)強度計算分析

結(jié)構(gòu)計算是安裝平臺的設(shè)計基礎(chǔ)．目前,國外在安裝平臺的設(shè)計計算中主要還是通過建立二維模型選取剖面框架進行計算校核,其中載荷的處理是難點,也對二維模型的計算產(chǎn)生很大影響,會導(dǎo)致每層的最大位移有一定偏差,通常需要再進行修正[2],因而需要建立一種更好的設(shè)計計算方法．文中采用有限元方法對LNG 船圍護系統(tǒng)安裝平臺進行強度和整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力分析,應(yīng)用MSC.PATRAN 軟件對已建147 000 m3LNG船舶液艙圍護系統(tǒng)的安裝平臺建立三維立體仿真模型,利用MSC.NASTRAN軟件對平臺荷載工況進行分析,對應(yīng)力應(yīng)變進行計算,為我國自行設(shè)計貨艙圍護系統(tǒng)安裝平臺建立基礎(chǔ)．

1.1 液艙圍護系統(tǒng)安裝平臺三維模型

1.1.1 建立模型

依據(jù)滬東中華造船集團有限公司的技術(shù)資料和技術(shù)數(shù)據(jù),利用MSC.PATRAN軟件對一艘147 000 m3LNG船的典型艙室圍護系統(tǒng)安裝平臺建立結(jié)構(gòu)有限元模型．該安裝平臺有10層,除第3層與第10層滿鋪外,其他各層為中空結(jié)構(gòu)．建模時采用分組技術(shù),共85組(Groups)，56 548個節(jié)點(Nodes)，81 002個單元(Elements),圖1為LNG船圍護系統(tǒng)安裝平臺有限元模型及坐標(biāo)系．

圖1 LNG船圍護系統(tǒng)安裝平臺有限元模型及坐標(biāo)系Fig.1 3D finite element model of the scaffolding platform and the coordinate system

1.1.2 載荷工況

選取27種載荷工況,安裝平臺上的作業(yè)類型主要有3種[3]:

1) 所有支撐腿均正常使用;

2) 部分支撐腿抬起(縱向A,O排;縱向B,N排;縱向C,M排;縱向D,F,H,J,L排);

3) 橫向有5°傾角(非正常作業(yè),計算假設(shè)),并且部分支撐腿抬起(縱向A,O排;縱向B,N排;縱向C,M排;縱向D,F,H,J,L排)．

每種作業(yè)類型分別對應(yīng)3種工況載荷[3]:

1) 無人作業(yè)狀況:LB0=LC1+LC2;

2) 第1,2,3,4，10層同時作業(yè)狀況:

LB1=LC1+LC2+LC3+LC4;

3) 第3,5,6,8，10層同時作業(yè)狀況:

LB2=LC1+LC2+LC5+LC6

式中：LC1為安裝平臺自重,LC2為鋼條板和膠合板重量；LC3～LC6為安裝平臺工作加載,根據(jù)實際狀況選取如表1．LC3和LC5為施加了全部可能外載的30%情況;LC4和LC6為施加了全部可能外載70%的情況．支撐腿的分布情況如圖2．

表1 工作載荷分布Table 1 Distribution of the working load N/m2

1.2 計算結(jié)果及分析

圍護系統(tǒng)安裝平臺的桿件數(shù)量多、種類多,為方便起見,劃分為3類：即垂向支撐構(gòu)件、斜支撐構(gòu)件和水平支撐構(gòu)件，其中垂向支撐件有方鋼和圓鋼,材料類型主要有Q235鋼和Q345鋼2種.斜支撐件、水平支撐構(gòu)件和垂向支撐件也一樣,有方鋼和圓鋼,材料類型主要有Q235鋼和Q345鋼2種，在分析中都采用Q235鋼(只要Q235鋼滿足,Q345鋼也肯定滿足)．支撐腿是垂向支撐件的一部分,支撐支撐腿的絕緣箱自身的承載能力有一定的局限性,所以支撐腿的承重能力也作為結(jié)果分析的一部分．

圖2 支撐腿的分布情況Fig.2 Distribution of supporting legs of the scaffolding platform

1.2.1 屈服安全系數(shù)計算

長期以來,結(jié)構(gòu)的安全性衡準(zhǔn)普遍采用確定性的許用應(yīng)力法,各種工況下的應(yīng)力,其強度條件為：

σ≤[σ]

(1)

式中:σ為結(jié)構(gòu)的計算應(yīng)力(N/mm2);[σ]為結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力(N/mm2)，由結(jié)構(gòu)的失效類型決定．

對所建有限元模型進行簡單分組：垂向支撐構(gòu)件組、斜向支撐構(gòu)件組和水平支撐構(gòu)件組．選取每組中的最大應(yīng)力,利用安全系數(shù)公式:

(2)

計算最小屈服安全系數(shù),得出每種工況下的最小屈服安全系數(shù)(圖3).式中:K1為屈服安全系數(shù);σ為構(gòu)件的計算應(yīng)力(N/mm2);[σ]為結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力(N/mm2).其中,垂向支撐構(gòu)件的最小安全系數(shù)最大為5.37，最小為2.81；斜支撐構(gòu)件的最小安全系數(shù)最大為6.56，最小為2.98；水平支撐構(gòu)件的最小安全系數(shù)最大為8.97，最小為2.48.

圖3 各工況下最小屈服安全系數(shù)Fig.3 Minimum of the critical yield safety factor in each working condition

1.2.2 支撐腿的應(yīng)力計算分析

對支撐腿應(yīng)力分析時,直接從計算結(jié)果中讀出各工況下支撐腿最大應(yīng)力,然后根據(jù)支撐腿材料進行承載力的計算,利用結(jié)構(gòu)力學(xué)公式:

F=σ×A

(3)

式中:F為支撐腿承載力(N);σ為應(yīng)力(N/mm2);A為面積(mm2)．

通過計算,得到每種工況下支撐腿最大荷載,支撐腿最大承載力安全系數(shù)K3計算公式為:

(4)

[F]=Q*S

(5)

式中:K3為支撐腿最大承載力安全系數(shù)；F為支撐腿承載力(N);[F]為支撐腿最大允許承載力(N)(支撐腿底部與絕緣箱的接觸面積為0.5 m2,而絕緣箱每平方米的承重能力有具體規(guī)定,即長時間承重25 t/m2，短時間承重50 t/m2);Q為絕緣箱每平方米的承載能力(N/m2);S為支撐腿底部與絕緣箱的接觸面積(m2)．

圖4為各工況下支撐腿最大承載力安全系數(shù)．

圖4 各工況下支撐腿最大承載安全系數(shù)Fig.4 Safety factor of the maximum load-bearing capacity in each working condition

計算結(jié)果表明：各種工況下各支撐腿最大承載力安全系數(shù)為1.07．

1.2.3 屈曲安全系數(shù)計算分析

若構(gòu)件承受壓縮或剪切時,除校核構(gòu)件的屈服強度外,還要校核其屈曲強度．

通過對LNG船圍護系統(tǒng)安裝平臺屈曲強度分析,列出了各個剖面中最大的單元應(yīng)力,安裝平臺立、橫、斜桿組成的節(jié)點視為“鉸接”,并根據(jù)兩端自由支持端等斷面壓桿的屈曲安全系數(shù)計算公式:

(6)

式中：K2為屈曲安全系數(shù)；I為慣性矩(mm4);E為彈性模數(shù);l為桿件長度(mm);A為截面積(mm2);σ為實際應(yīng)力大小(N/mm2)．得出構(gòu)件單元的屈曲安全系數(shù).經(jīng)過比較,選出了各種工況中承受應(yīng)力最大的單元,并進行了匯總,圖5為各工況下最小屈曲安全系數(shù)．

圖5 各工況下最小屈曲安全系數(shù)Fig.5 Minimum of the critical buckling safety factor in each working condition

從圖5可以得到,各種工況下最小屈曲安全系數(shù)為1.86．

2 強度衡準(zhǔn)的確立

針對薄膜型LNG船圍護系統(tǒng)安裝平臺,國內(nèi)沒有專門的強度標(biāo)準(zhǔn)．與平臺類似的建筑腳手架,國內(nèi)已建立了諸多規(guī)范,發(fā)展相對成熟.最早,建筑腳手架的結(jié)構(gòu)安全度是按以往的容許應(yīng)力法計算的,采用的經(jīng)驗安全系數(shù)K校準(zhǔn)，K為臨界屈服安全系數(shù)，K1≥1.5,臨界屈曲安全系數(shù)[8]K2≥2.0.此標(biāo)準(zhǔn)安全裕度大,相對比較安全,但材料浪費較嚴(yán)重.隨著國家鋼材生產(chǎn)質(zhì)量水平的提高,考慮到經(jīng)濟型要求,強度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)越來越精確,針對不同類型的腳手架制定出了具體規(guī)范,例如，《建筑施工碗扣式腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ166-2008)[7],《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130-2011)[8]等．

在諸多規(guī)范中,《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130-2011)中的滿堂支撐架和文中安裝平臺的基本結(jié)構(gòu)類似[10],它針對立桿的穩(wěn)定性、縱向和橫向水平桿的抗彎強度以及立桿基礎(chǔ)底面的平均壓力都做出了具體的設(shè)計規(guī)定．但是建筑規(guī)范中的腳手架規(guī)范并不適用于此類安裝平臺,它是針對單排、雙排或者三排腳手架而言的,結(jié)構(gòu)比較簡單,計算也相對簡單[9-10],而文中的安裝平臺共有15排、20列,有10層,除第3與第10層滿鋪外,其他各層為中空,四周有可伸縮的伸縮梁,可調(diào)節(jié)高低的支撐腿,有電梯,功能強大,而且載荷工況較復(fù)雜,支撐腿可以部分抬起,平臺整體還要求能傾斜一定角度．

目前國內(nèi)已順利建造完的6艘147 000 m3薄膜型LNG船,采用的液艙圍護系統(tǒng)安裝平臺全是購買的意大利PD公司專利技術(shù),此類安裝平臺的強度標(biāo)準(zhǔn)為:屈曲安全系數(shù)大于1，屈服安全系數(shù)大于1，支撐腿最大承載安全系數(shù)為1．

實現(xiàn)LNG船設(shè)計建造全部國產(chǎn)化,必須自行設(shè)計出一套有別于國外安裝平臺的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)強度衡準(zhǔn),并保證液艙圍護系統(tǒng)安裝平臺的絕對安全性．依據(jù)三維模型強度分析結(jié)果:最小屈服安全系數(shù)為2.48,最小屈曲安全系數(shù)為1.86,支撐腿最小的最大承載力安全系數(shù)為1.07.結(jié)合國內(nèi)鋼材制造技術(shù)水平和制造工藝現(xiàn)狀,建議此類圍護系統(tǒng)安裝平臺的強度衡準(zhǔn)為:

1) 臨界屈服安全系數(shù)為2;

2) 臨界屈曲安全系數(shù)為1;

3) 支撐腿最大承載力安全系數(shù)為1(其中絕緣箱的承載力由絕緣箱自身強度決定)．

3 結(jié)束語

文中提出了一套薄膜型LNG船液艙圍護系統(tǒng)安裝平臺的建議強度衡準(zhǔn),為我國的LNG船液艙圍護系統(tǒng)安裝平臺的設(shè)計和制造提供了一定參考,也為將來制定此類安裝平臺的強度標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范奠定了一定的基礎(chǔ)．

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