龙门吊起重机近海整体迁移技术研究及应用
杜振东 吕志远
摘 要：对船坞水深不足、船宽不够的龙门式起重机整机搬迁技术进行系统研究，通过侧滑将龙门吊整机抬高2.5m，创新采用台车接载的方式实现了龙门吊整机的装卸船法。通过船舶稳性、总纵强度、结构有限元计算等分析计算，验证了装卸船及近海运输状态下的安全性。该技术已成功实施于大连大船重工大洋船厂龙门吊项目。
关键词：门式起重机；整机装卸船；整机抬高；台车接载；首创技术；
中图分类号：TH213.5 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）5-0044-03
随着国内海工造船市场合并重组的加剧，及产业升级和环保等要求的提高，一些位于城区的船厂开始逐步外移甚至外迁；而龙门式起重机（以下称龙门吊）作为船厂主力和重资产，被改造和迁移也成为势在必行的动作。龙门吊因其外形尺寸大、质量重、质心高的特性，迁移时若先拆分运输、再拼装则存在拆解的风险，旧结构再拼装的不可预知性以及时间、场地占用等种种风险，成本有时甚至接近或超过新机成本。上海振华重工凭借多年起重机整机远洋运输的软硬实力，为了协助用户解决上述困难，开拓新的市场，对龙门吊起重机近海整体迁移技术进行了专项研究。本文结合大连大船重工400t龙门吊整机迁移项目介绍一种新的龙门吊整机场内或近海迁移技术。
1 项目概述
本项目为大连船舶重工集团有限公司下属大洋场区龙门吊整机迁移，从2#船坞迁移至改造后的1#船坞侧指定轨道，且须整机转180度。如图1所示；运输船采用“振华31”，总布置图如图2。
2 基本参数
龙门吊门架结构主要由箱型单主梁、T字箱型刚性腿、人字型柔性腿和行走机构四大部分组成。
2.1 龙门吊主要参数
自重：2830 t
轨距：132 m
基距：32 m
大车宽度：49.33m
主梁下高度：85 m
2.2 运输船主要参数
总长：234.9m
型宽：43m
型深：13.5m
设计吃水：8.5m
甲板面积：165x43m2
载重吨：54000 t
3 项目特点及解决办法
3.1 运输船舶的选择
龙门吊轨距132m，大车宽度49.33m，要求整机装卸船：即运输船有效甲板面积至少要达到135m × 50m。另，船坞码头前沿水深经实测为-6m，且水下为混凝土半永久式建筑物，不能通过挖泥的方式增加水深；这意味着运输船装载龙门吊后，最大吃水要小于6m。同时，整机滚装装卸船的方式和码头5.5m的标高，要求运输船型是型深在11.5-12m之间甲板运输船。能同时满足上述要求的大型运输船或驳船凤毛麟角且成本极高。
通过分析码头、龙门吊及运输船参数，选择“振华31”作为运输船。但“振华31”型深13.5m，即使吃水控制在5.8m左右，甲板面仍然比船坞码头面高出2.2m；另外，“振华31”船宽比龙门吊大车宽度少约6.33m，也是需要解决的問题。
3.2 难点一：整机抬高
经过实际压载实验和反复计算论证，“振华31”在装载龙门吊后满足稳性要求的最小吃水为5.8m，意味着“振华31”甲板面比船坞码头面高出2.2m，加上船上分载轨道高，约为2.75m。滚装滚卸要求岸上轨道和船上轨道表面高低差不超过300mm，如何解决2.75m的高低差成为了项目最大的难点。
常规千斤顶顶升将龙门吊整机抬高的方式在考虑以下几个因素后被否决：①龙门吊建造时是现场总装的，坞墙强度不能满足顶升的要求；加之项目施工时，码头土建改造已经开始，龙门吊承轨梁两侧已经开挖，进一步降低了码头强度；②龙门吊因其柔性腿铰点连接的特殊性，顶升存在较大风险。经过反复考虑和论证，设计采用了斜坡轨的方式，将龙门吊整机侧滑至2.5m高的临时轨道上；世界范围内首次实现通过侧滑方式将龙门吊整机抬高2.5m的案例。
如图3，设计了单根总长约185m的斜坡轨道（共两组），采用卷扬机、滑车系统牵引的方式，利用龙门吊自己的大车行走，仅耗时约12小时，就将龙门吊从其轨道面侧滑上至2.5m高的临时轨道上；如图4为抬高2.5m后的龙门吊。
3.3 难点二：台车接载
龙门吊整机抬高2.5m后，可以达到整机装、卸船的技术要求；但 “振华31”船宽仅仅43m，意味着龙门吊大车有6.33m是悬在船舷外，船体需要加宽6.33m。另外，因龙门吊要求卸船后整机转向180°，即“振华31”左舷靠泊装船，右舷再次靠泊卸船，要求船体加宽部分在海运和靠泊2种状态下均满足强度要求，经估算，船体加宽部分至少用钢约300t，还须“振华31”进坞完成施工，而整个加宽从设计到施工还须全部报CCS审核，综合考虑发现成本高且费时费力。如何在不加宽的前提下实现整机装卸船，且转向180°成为了本项的另一个难点。
最终创新的采用过桥挑梁，台车接载的设计形式，巧妙解决船宽问题，节省了船体结构加宽的巨大时间和经济成本。
设计在龙门吊左舷侧（装船靠船侧）提前铺排3根轨道，在龙门吊左舷侧的刚、柔腿Ⅰ级平衡梁下安装挑梁，待龙门吊整机大部分上船后，在挑梁下安装400T液压顶升台车，然后将龙门吊左舷侧顶升，使得大车超宽部分脱离过桥梁；液压台车安装完成后，继续在其两侧安装600t千斤顶组件，以作保险，做好龙门吊大车防转措施后，移走刚性梁。如图5。
卸船时，保持台车顶升状态，使得龙门吊左舷侧大车部分悬空，利用台车车轮向陆侧（右舷侧）滚动约8m后，降下液压台车使得龙门吊大车全部坐落于“振华31”分载轨道上，然后拆除液压台车和挑梁，利用龙门吊大车本身继续完成卸船。如图6、图7。
4 相关计算
4.1 稳性与总纵强度计算
“振华31”轮于2#坞装载龙门吊后航行至坞外进行掉头，再靠回1#坞，途径航线为近海航区，根据《国内航行海船法定检验技术规则》2011，对“振华31”运输龙门吊进行了稳性校核，结果符合规范要求。图8为“振华31”装载龙门吊后，航行至坞外进行掉头作业。
4.2 “振华31”甲板强度计算
采用Patran和Nastran软件进行船体建模和有限元分析，分析龙门吊整机装、卸及运输过程中的各个工况下甲板强度。刚性腿下甲板模型如图9。
强度校核采用《中国船级社钢制海船入级规范（2015）》，经计算，刚性腿下甲板强度在2种极端工况下应力结果如表1。
除甲板计算为，还涉及到如轨道梁计算、挑梁计算、过桥梁，防转结构计算，甲板局部强度计算等一些列计算；另外，还对龙门吊的部分结构进行建模计算，结果全部满足规范要求，并经CCSI审核批准，本文不再一一赘述。
4.3 海运中船舶惯性力
船舶运动响应计算采用荷兰Amarcon BV公司开发的OCTOPUS-Office耐波性计算软件。软件在频域范围内进行运动响应分析，其中附加质量、阻尼系数以及船体上的波浪扰动力采用二维切片理论计算。计算采用的船舶表面模型由四边形平面单元组成。得到的船舶运动响应结果如表2、表3。
4.4 海运绑扎计算
考虑海运加速度及风载荷后，龙门吊在近海运输工况下，海绑力计算如图10、图11。
5 结语
针对水深不足，船宽不足的旧龙门吊迁移工作，本设计首创提出了整机抬高，台车接载的创新性龙门吊整机装卸船方法。通过理论计算和实际施工控制，最终实现了大船重工船厂龙门吊的整机迁移。虽然本项目运输航线仅在船厂附件水域，但所有计算是基于近海航区条件下的，对近海龙门吊迁移项目同样适用，为今后同类项目奠定了理论和实践的基础。
参考文献：
[1] 盛振邦，杨尚荣，陈雪深. 船舶静力学[M].上海：上海交通大学出版社，1992.
[2] 盛振邦，刘应中. 船舶原理[M].上海：上海交通大学出版社，2003.
[3] 中国海事局.国内航行海船法定检验技术规则[S].北京：人民交通出版社，2011.
[4] 中國船级社.钢质海船入级级规范[S].北京：人民交通出版社，2015.
[5] BMT. Global Wave Statistics Online.2015
摘 要：对船坞水深不足、船宽不够的龙门式起重机整机搬迁技术进行系统研究，通过侧滑将龙门吊整机抬高2.5m，创新采用台车接载的方式实现了龙门吊整机的装卸船法。通过船舶稳性、总纵强度、结构有限元计算等分析计算，验证了装卸船及近海运输状态下的安全性。该技术已成功实施于大连大船重工大洋船厂龙门吊项目。
关键词：门式起重机；整机装卸船；整机抬高；台车接载；首创技术；
中图分类号：TH213.5 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）5-0044-03
随着国内海工造船市场合并重组的加剧，及产业升级和环保等要求的提高，一些位于城区的船厂开始逐步外移甚至外迁；而龙门式起重机（以下称龙门吊）作为船厂主力和重资产，被改造和迁移也成为势在必行的动作。龙门吊因其外形尺寸大、质量重、质心高的特性，迁移时若先拆分运输、再拼装则存在拆解的风险，旧结构再拼装的不可预知性以及时间、场地占用等种种风险，成本有时甚至接近或超过新机成本。上海振华重工凭借多年起重机整机远洋运输的软硬实力，为了协助用户解决上述困难，开拓新的市场，对龙门吊起重机近海整体迁移技术进行了专项研究。本文结合大连大船重工400t龙门吊整机迁移项目介绍一种新的龙门吊整机场内或近海迁移技术。
1 项目概述
本项目为大连船舶重工集团有限公司下属大洋场区龙门吊整机迁移，从2#船坞迁移至改造后的1#船坞侧指定轨道，且须整机转180度。如图1所示；运输船采用“振华31”，总布置图如图2。
2 基本参数
龙门吊门架结构主要由箱型单主梁、T字箱型刚性腿、人字型柔性腿和行走机构四大部分组成。
2.1 龙门吊主要参数
自重：2830 t
轨距：132 m
基距：32 m
大车宽度：49.33m
主梁下高度：85 m
2.2 运输船主要参数
总长：234.9m
型宽：43m
型深：13.5m
设计吃水：8.5m
甲板面积：165x43m2
载重吨：54000 t
3 项目特点及解决办法
3.1 运输船舶的选择
龙门吊轨距132m，大车宽度49.33m，要求整机装卸船：即运输船有效甲板面积至少要达到135m × 50m。另，船坞码头前沿水深经实测为-6m，且水下为混凝土半永久式建筑物，不能通过挖泥的方式增加水深；这意味着运输船装载龙门吊后，最大吃水要小于6m。同时，整机滚装装卸船的方式和码头5.5m的标高，要求运输船型是型深在11.5-12m之间甲板运输船。能同时满足上述要求的大型运输船或驳船凤毛麟角且成本极高。
通过分析码头、龙门吊及运输船参数，选择“振华31”作为运输船。但“振华31”型深13.5m，即使吃水控制在5.8m左右，甲板面仍然比船坞码头面高出2.2m；另外，“振华31”船宽比龙门吊大车宽度少约6.33m，也是需要解决的問题。
3.2 难点一：整机抬高
经过实际压载实验和反复计算论证，“振华31”在装载龙门吊后满足稳性要求的最小吃水为5.8m，意味着“振华31”甲板面比船坞码头面高出2.2m，加上船上分载轨道高，约为2.75m。滚装滚卸要求岸上轨道和船上轨道表面高低差不超过300mm，如何解决2.75m的高低差成为了项目最大的难点。
常规千斤顶顶升将龙门吊整机抬高的方式在考虑以下几个因素后被否决：①龙门吊建造时是现场总装的，坞墙强度不能满足顶升的要求；加之项目施工时，码头土建改造已经开始，龙门吊承轨梁两侧已经开挖，进一步降低了码头强度；②龙门吊因其柔性腿铰点连接的特殊性，顶升存在较大风险。经过反复考虑和论证，设计采用了斜坡轨的方式，将龙门吊整机侧滑至2.5m高的临时轨道上；世界范围内首次实现通过侧滑方式将龙门吊整机抬高2.5m的案例。
如图3，设计了单根总长约185m的斜坡轨道（共两组），采用卷扬机、滑车系统牵引的方式，利用龙门吊自己的大车行走，仅耗时约12小时，就将龙门吊从其轨道面侧滑上至2.5m高的临时轨道上；如图4为抬高2.5m后的龙门吊。
3.3 难点二：台车接载
龙门吊整机抬高2.5m后，可以达到整机装、卸船的技术要求；但 “振华31”船宽仅仅43m，意味着龙门吊大车有6.33m是悬在船舷外，船体需要加宽6.33m。另外，因龙门吊要求卸船后整机转向180°，即“振华31”左舷靠泊装船，右舷再次靠泊卸船，要求船体加宽部分在海运和靠泊2种状态下均满足强度要求，经估算，船体加宽部分至少用钢约300t，还须“振华31”进坞完成施工，而整个加宽从设计到施工还须全部报CCS审核，综合考虑发现成本高且费时费力。如何在不加宽的前提下实现整机装卸船，且转向180°成为了本项的另一个难点。
最终创新的采用过桥挑梁，台车接载的设计形式，巧妙解决船宽问题，节省了船体结构加宽的巨大时间和经济成本。
设计在龙门吊左舷侧（装船靠船侧）提前铺排3根轨道，在龙门吊左舷侧的刚、柔腿Ⅰ级平衡梁下安装挑梁，待龙门吊整机大部分上船后，在挑梁下安装400T液压顶升台车，然后将龙门吊左舷侧顶升，使得大车超宽部分脱离过桥梁；液压台车安装完成后，继续在其两侧安装600t千斤顶组件，以作保险，做好龙门吊大车防转措施后，移走刚性梁。如图5。
卸船时，保持台车顶升状态，使得龙门吊左舷侧大车部分悬空，利用台车车轮向陆侧（右舷侧）滚动约8m后，降下液压台车使得龙门吊大车全部坐落于“振华31”分载轨道上，然后拆除液压台车和挑梁，利用龙门吊大车本身继续完成卸船。如图6、图7。
4 相关计算
4.1 稳性与总纵强度计算
“振华31”轮于2#坞装载龙门吊后航行至坞外进行掉头，再靠回1#坞，途径航线为近海航区，根据《国内航行海船法定检验技术规则》2011，对“振华31”运输龙门吊进行了稳性校核，结果符合规范要求。图8为“振华31”装载龙门吊后，航行至坞外进行掉头作业。
4.2 “振华31”甲板强度计算
采用Patran和Nastran软件进行船体建模和有限元分析，分析龙门吊整机装、卸及运输过程中的各个工况下甲板强度。刚性腿下甲板模型如图9。
强度校核采用《中国船级社钢制海船入级规范（2015）》，经计算，刚性腿下甲板强度在2种极端工况下应力结果如表1。
除甲板计算为，还涉及到如轨道梁计算、挑梁计算、过桥梁，防转结构计算，甲板局部强度计算等一些列计算；另外，还对龙门吊的部分结构进行建模计算，结果全部满足规范要求，并经CCSI审核批准，本文不再一一赘述。
4.3 海运中船舶惯性力
船舶运动响应计算采用荷兰Amarcon BV公司开发的OCTOPUS-Office耐波性计算软件。软件在频域范围内进行运动响应分析，其中附加质量、阻尼系数以及船体上的波浪扰动力采用二维切片理论计算。计算采用的船舶表面模型由四边形平面单元组成。得到的船舶运动响应结果如表2、表3。
4.4 海运绑扎计算
考虑海运加速度及风载荷后，龙门吊在近海运输工况下，海绑力计算如图10、图11。
5 结语
针对水深不足，船宽不足的旧龙门吊迁移工作，本设计首创提出了整机抬高，台车接载的创新性龙门吊整机装卸船方法。通过理论计算和实际施工控制，最终实现了大船重工船厂龙门吊的整机迁移。虽然本项目运输航线仅在船厂附件水域，但所有计算是基于近海航区条件下的，对近海龙门吊迁移项目同样适用，为今后同类项目奠定了理论和实践的基础。
参考文献：
[1] 盛振邦，杨尚荣，陈雪深. 船舶静力学[M].上海：上海交通大学出版社，1992.
[2] 盛振邦，刘应中. 船舶原理[M].上海：上海交通大学出版社，2003.
[3] 中国海事局.国内航行海船法定检验技术规则[S].北京：人民交通出版社，2011.
[4] 中國船级社.钢质海船入级级规范[S].北京：人民交通出版社，2015.
[5] BMT. Global Wave Statistics Online.2015
