400吨级航标布设船吊机改造方案探析
朱志红
摘要：海事系统现有的400t级定型航标布设船大多建于20世纪80年代，功能定位为起吊和布设2.5t、直径1.8m浮标。随着港口经济的快速发展和进出港船舶的日渐大型化，港口航道和水深也在不断增大，8t、直径2.4m的中型浮标已成为沿海各航标处的主力型航标，而现有的400t级航标布设船因船型与技术设施落后，无法满足该型浮标的作业要求。本文结合某航标处实际，就400t级航标布设船吊机改造方案进行了探讨，为各兄弟单位升级改造现有航标船、缓解当前用船紧张局面提供了借鉴。
关键词：航标船 吊机 改造 改装
0 项目背景
某航标处400t级航标布设船因船龄较长、吊机故障无法使用等原因于2008年1月至2012年4月搁置保养，其余3艘船舶均没有起吊能力。鉴于新造船舶项目短期内难以实现，为缓解捉襟见肘的用船紧张局面，某航标处经申报审批于2013年对该船进行吊机技术改造，改造目标是满足起吊和布设直径2.4m浮标的作业要求。经过4年的使用，该船达到改造预期目标，成为某航标处的主力作业船。
1 改造设计方案
1.1 将原迴转式起重机更换为经济实用型的吊杆装置
受甲板作业面积限制，吊机采用复式滑车组的轻型吊杆典型装置，此装置适用于起货量10t左右的吊货杆。具体安装如下：起吊作业区设置在36#～59#甲板面上，在36#处设置一高度9m，Φ402×12cm起重柱，配Φ273×8cm长10.5m的吊杆、8t吊重绞车一台、8t变幅绞车一台、3t横移绞车左右各一台，满足起重10t、舷外跨2m、横向力臂7.06m的浮标要求。起吊控制台设在起重柱下，主甲板上留有三个直径2.4m浮标（包括锚链及沉块）的位置，正常出航可装载两只浮标，留有一个位置用来放置起吊后的浮标。
1.2 主甲板两舷增加浮体结构
在船体两侧满载水线至主甲板位置各增加一个舷侧附体，按《钢质海船建造规范》（2006）进行设计，长33m，宽1.25m，深1.25m，壳板δ=8，甲板板δ=8，内隔板δ=6，内结构L75×50×6 角钢，浮体总重量约18t，并与原船焊接，以此增大储备浮力、初稳性和甲板作业面积，使甲板作业面能同时放置三座直径2.4m灯浮标。
1.3 舱室布置
原船舱底33～41#甲板下为船员舱，现改装为绞车设备间，安装8t起货绞车、8t千斤索绞车和3t稳索绞车，绞车钢丝绳从船中穿过上甲板时用升高套管密封。其余舱室、船体构件、机电设备等基本没有改变。
2 改造性能评估
2.1 船体结构评估
根据CCS颁布的现行《国内航行海船建造规范》（2006）计算船体结构构件尺寸，根据计算结果经比对外板测厚数据和现有可查看到的资料，该船现存船体结构情况尚可，基本能够满足现行规范要求的结构构件局部强度要求。另外本船改造时已更换船体主甲板、一层甲板，并对船体外板进行修补，对于锈蚀严重的其它部位，也已更换新板，使本船总纵强度满足规范要求。
2.2 起吊设备评估
2.2.1 吊杆强度校核
吊杆按CCS《船舶与海上设施起重设备规范》（2007）2.3.1校核，吊杆长KL=9m，选用φ273x8无缝管，壁厚外径比：8/273=1/34.12<1/30，φ273x8剖面惯性矩Jo=5851.71cm4，惯性半径r=93.7mm，细长比λ= KL/r= 9000/93.7=96.05<150，构件轴向压力 P= mEJ0/ nL2×10-5 kN。式中： m-系数，查表3.3（b） m=10，E-钢材弹模量2.06×105Mpa，L-吊杆长度L=9m，n-安全系数n=5，J0-惯性矩J0=5851.71cm4，算得P=10×2.06×105×5851.71/（5×9×9×105）=297.6kN=29.76t，前述计算实用轴压力Q=17.60t<构件轴向压力P=29.76t，满足规范要求。
2.2.2 起重柱强度校核
起重柱按CCS《船舶与海上设施起重设备规范》（2007）2.4.8校核，顶桅选用φ450X16 无缝管，桅伸出顶甲板1.4m，伸出部分受力最大， φ450X16剖面积s=218.15cm2， 惯性矩J0=51432.65cm4， 剖面模数2285.9cm3.计算得出：
（1）最大弯矩加上偏心压力得Mb=10.07×1.4+11.83×0.5=21.413t· m，弯曲应力σb=214130/2285.9=93.67MPa；
（2）压缩应力σc= 1183/218.15=5.42MPa；
（3）扭矩引起剪应力τ=9.59×0.5×104/2/2285.9=10.49MPa。
按规范2.4.8，σt=[（σb+σc）2+3τ2]1/2=[（93.67+5.42）2+3x（10.49）2]1/2=100.74MPa，材料为Q235，查表得n=2，许用应力[σt]= 235/2=117.5>100.74（MPa），满足规范要求。
2.3 稳性评估
由于起吊重量10t，舷外跨2m，距中7m，吊重倾侧力矩M=56t·m，按现有船舶初稳性h=0.918m，排水量W=396+8=404t，起吊橫倾角tg= M/Wh=56/404/0.918=0.151，=8.6°。参照起重船的要求，在吊重时船舶局限静倾角不超过3°，所以必须增加舷侧浮体，浮体长33m，宽1.25m，深1.25m，水线面惯性矩增加 △Ix=1455m4，改装后排水量增加26t，初稳性增加△h=△Ix/W =1455/430=3.38m，初稳性达到h=0.918+3.38=4.3m，横倾角tg=56/430/4.3=0.0303，=1.73°，大幅提高了船舶水线以上的储备浮力、初稳性和大倾角稳性，而且横倾角基本都在18°左右，作业时吊重10.2t，横倾力臂7.06 m时各种装载情况下船舶横倾角最大3.1°，满足起重船极限静倾角小于5 度的要求。
2.4 电力负荷评估
海标1508船现有两台发电机组，单机功率64Kw，有并车功能。按新增设备功率进行计算，考虑5%电网损失时所需总功率78Kw，小于并机总功率128 Kw，发电机负载率仅有56.52%，所有的电机同时工作，对船舶电站容量也不会有影响。
2.5 机电设备工况评估
该船改造前配有6名船员负责日常的设备检修及维护管理，每月至少离岸航行2次，每次不低于1小时，主辅机等机电设备均能正常运转。改造过程中对主机、副机、轴系、舵系、管系、锚系、电气设备、通导设备等进行全面检修，对不合要求的设备将进行了维修或更换。改造后已安全服役4年，目前船龄32年，超出最低服役年限7年。该船每年进厂维修，定期邀请CCS检验，确保全船机电设备工况良好，满足相关规范要求。
2.6 改造后使用情况
该船于2013年6月完工出厂，经过4年多的使用，基本满足日常业务需要，每年作业航标150余座，有效缓解了用船紧张局面。由于加装舷侧附体后，增加了摩擦阻力和形状阻力，船舶航速减少约1.5kn。轻型吊杆装置有4条钢丝绳，甲板作业人员需加强安全防范意识，避免发生意外。另外，由于船宽加大后船舶初稳性的提高，船舶自摇及横摇周期将缩短，对舒适性有一定影响。
3 结束语
目前，我国沿海各航标处普遍存在着航标数量急剧增加、航标船配置不足的供需矛盾，由于海事系统体制因素限制，建造航标船从申请立项到交付使用最快也需4～5年时间，短期内配置新船的可能性较小。通过升级改造现有的航标船，可以大幅提升船舶的技术性能，满足日益增长的业务需求，有效缓解当前的用船紧张局面，促进航标事业的科学发展。
摘要：海事系统现有的400t级定型航标布设船大多建于20世纪80年代，功能定位为起吊和布设2.5t、直径1.8m浮标。随着港口经济的快速发展和进出港船舶的日渐大型化，港口航道和水深也在不断增大，8t、直径2.4m的中型浮标已成为沿海各航标处的主力型航标，而现有的400t级航标布设船因船型与技术设施落后，无法满足该型浮标的作业要求。本文结合某航标处实际，就400t级航标布设船吊机改造方案进行了探讨，为各兄弟单位升级改造现有航标船、缓解当前用船紧张局面提供了借鉴。
关键词：航标船 吊机 改造 改装
0 项目背景
某航标处400t级航标布设船因船龄较长、吊机故障无法使用等原因于2008年1月至2012年4月搁置保养，其余3艘船舶均没有起吊能力。鉴于新造船舶项目短期内难以实现，为缓解捉襟见肘的用船紧张局面，某航标处经申报审批于2013年对该船进行吊机技术改造，改造目标是满足起吊和布设直径2.4m浮标的作业要求。经过4年的使用，该船达到改造预期目标，成为某航标处的主力作业船。
1 改造设计方案
1.1 将原迴转式起重机更换为经济实用型的吊杆装置
受甲板作业面积限制，吊机采用复式滑车组的轻型吊杆典型装置，此装置适用于起货量10t左右的吊货杆。具体安装如下：起吊作业区设置在36#～59#甲板面上，在36#处设置一高度9m，Φ402×12cm起重柱，配Φ273×8cm长10.5m的吊杆、8t吊重绞车一台、8t变幅绞车一台、3t横移绞车左右各一台，满足起重10t、舷外跨2m、横向力臂7.06m的浮标要求。起吊控制台设在起重柱下，主甲板上留有三个直径2.4m浮标（包括锚链及沉块）的位置，正常出航可装载两只浮标，留有一个位置用来放置起吊后的浮标。
1.2 主甲板两舷增加浮体结构
在船体两侧满载水线至主甲板位置各增加一个舷侧附体，按《钢质海船建造规范》（2006）进行设计，长33m，宽1.25m，深1.25m，壳板δ=8，甲板板δ=8，内隔板δ=6，内结构L75×50×6 角钢，浮体总重量约18t，并与原船焊接，以此增大储备浮力、初稳性和甲板作业面积，使甲板作业面能同时放置三座直径2.4m灯浮标。
1.3 舱室布置
原船舱底33～41#甲板下为船员舱，现改装为绞车设备间，安装8t起货绞车、8t千斤索绞车和3t稳索绞车，绞车钢丝绳从船中穿过上甲板时用升高套管密封。其余舱室、船体构件、机电设备等基本没有改变。
2 改造性能评估
2.1 船体结构评估
根据CCS颁布的现行《国内航行海船建造规范》（2006）计算船体结构构件尺寸，根据计算结果经比对外板测厚数据和现有可查看到的资料，该船现存船体结构情况尚可，基本能够满足现行规范要求的结构构件局部强度要求。另外本船改造时已更换船体主甲板、一层甲板，并对船体外板进行修补，对于锈蚀严重的其它部位，也已更换新板，使本船总纵强度满足规范要求。
2.2 起吊设备评估
2.2.1 吊杆强度校核
吊杆按CCS《船舶与海上设施起重设备规范》（2007）2.3.1校核，吊杆长KL=9m，选用φ273x8无缝管，壁厚外径比：8/273=1/34.12<1/30，φ273x8剖面惯性矩Jo=5851.71cm4，惯性半径r=93.7mm，细长比λ= KL/r= 9000/93.7=96.05<150，构件轴向压力 P= mEJ0/ nL2×10-5 kN。式中： m-系数，查表3.3（b） m=10，E-钢材弹模量2.06×105Mpa，L-吊杆长度L=9m，n-安全系数n=5，J0-惯性矩J0=5851.71cm4，算得P=10×2.06×105×5851.71/（5×9×9×105）=297.6kN=29.76t，前述计算实用轴压力Q=17.60t<构件轴向压力P=29.76t，满足规范要求。
2.2.2 起重柱强度校核
起重柱按CCS《船舶与海上设施起重设备规范》（2007）2.4.8校核，顶桅选用φ450X16 无缝管，桅伸出顶甲板1.4m，伸出部分受力最大， φ450X16剖面积s=218.15cm2， 惯性矩J0=51432.65cm4， 剖面模数2285.9cm3.计算得出：
（1）最大弯矩加上偏心压力得Mb=10.07×1.4+11.83×0.5=21.413t· m，弯曲应力σb=214130/2285.9=93.67MPa；
（2）压缩应力σc= 1183/218.15=5.42MPa；
（3）扭矩引起剪应力τ=9.59×0.5×104/2/2285.9=10.49MPa。
按规范2.4.8，σt=[（σb+σc）2+3τ2]1/2=[（93.67+5.42）2+3x（10.49）2]1/2=100.74MPa，材料为Q235，查表得n=2，许用应力[σt]= 235/2=117.5>100.74（MPa），满足规范要求。
2.3 稳性评估
由于起吊重量10t，舷外跨2m，距中7m，吊重倾侧力矩M=56t·m，按现有船舶初稳性h=0.918m，排水量W=396+8=404t，起吊橫倾角tg= M/Wh=56/404/0.918=0.151，=8.6°。参照起重船的要求，在吊重时船舶局限静倾角不超过3°，所以必须增加舷侧浮体，浮体长33m，宽1.25m，深1.25m，水线面惯性矩增加 △Ix=1455m4，改装后排水量增加26t，初稳性增加△h=△Ix/W =1455/430=3.38m，初稳性达到h=0.918+3.38=4.3m，横倾角tg=56/430/4.3=0.0303，=1.73°，大幅提高了船舶水线以上的储备浮力、初稳性和大倾角稳性，而且横倾角基本都在18°左右，作业时吊重10.2t，横倾力臂7.06 m时各种装载情况下船舶横倾角最大3.1°，满足起重船极限静倾角小于5 度的要求。
2.4 电力负荷评估
海标1508船现有两台发电机组，单机功率64Kw，有并车功能。按新增设备功率进行计算，考虑5%电网损失时所需总功率78Kw，小于并机总功率128 Kw，发电机负载率仅有56.52%，所有的电机同时工作，对船舶电站容量也不会有影响。
2.5 机电设备工况评估
该船改造前配有6名船员负责日常的设备检修及维护管理，每月至少离岸航行2次，每次不低于1小时，主辅机等机电设备均能正常运转。改造过程中对主机、副机、轴系、舵系、管系、锚系、电气设备、通导设备等进行全面检修，对不合要求的设备将进行了维修或更换。改造后已安全服役4年，目前船龄32年，超出最低服役年限7年。该船每年进厂维修，定期邀请CCS检验，确保全船机电设备工况良好，满足相关规范要求。
2.6 改造后使用情况
该船于2013年6月完工出厂，经过4年多的使用，基本满足日常业务需要，每年作业航标150余座，有效缓解了用船紧张局面。由于加装舷侧附体后，增加了摩擦阻力和形状阻力，船舶航速减少约1.5kn。轻型吊杆装置有4条钢丝绳，甲板作业人员需加强安全防范意识，避免发生意外。另外，由于船宽加大后船舶初稳性的提高，船舶自摇及横摇周期将缩短，对舒适性有一定影响。
3 结束语
目前，我国沿海各航标处普遍存在着航标数量急剧增加、航标船配置不足的供需矛盾，由于海事系统体制因素限制，建造航标船从申请立项到交付使用最快也需4～5年时间，短期内配置新船的可能性较小。通过升级改造现有的航标船，可以大幅提升船舶的技术性能，满足日益增长的业务需求，有效缓解当前的用船紧张局面，促进航标事业的科学发展。
