海工电气设备基座的优化设计

于栋亮，田庆明，陈 霖，赵日升

（上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

海洋平台是人类用于开发海洋资源的基础化设施，集各种先进的设计与制造技术于一体，结构复杂，造价昂贵。如何在降低造价的同时提高结构的可靠性，是海工项目设计、建造的一个永恒命题。为提高平台的性能和可靠性，需要研究新的设计理论和技术，通过科学的计算方法，以获得优化的设计方案。

通过对传统基座的分析，开发出一些新形式设备基座，并综合考虑设备定位、安装时所遇到的难题，设计出一个专用安装工具。并对新旧形式基座作了综合分析。

1 基座分类

根据平台建造的阶段，可以把基座的种类分为3类：

1)预舾装：分段组立结束、冲砂涂装前阶段，由预舾装部施工的所有需烧焊的基座。

2)总段舾装：分段总段（分段与分段拼接）结束、搭载之前安装的基座。

3)最终舾装：搭载结束后，安装于总段与总段之间的基座（不便在预舾装阶段施工的基座）。

2 基座选用标准

2.1 材料验算

举例：一个 20kg的电气设备，基座腿长 D=150 mm ，按传统经验，选择50mm×50mm×5mm 的角钢。根据型钢表（热轧等边角钢（GB700-79））查得，50mm×50mm×5mm 的角钢参考数值为：y=1.42cm ，Iz=11.21cm4。

根据材料力学[1]最大正应力公式σ=My/ Iz。式中：M——横截面的弯矩；y——需求应力的点对中性轴的坐标；I——惯性矩。由于设备底座有4个脚，分摊到每个脚M=M/4，σ=20×0.15× 1.42× 10-2/

z总(4×11.21×10-8)=95(MPa)。一般角钢材料选用Q235-A，即屈服应力σ0=235 MPa[2]。根据ABS规范要求，σ≤[σ]；[σ]=σ0×η。式中：[σ]——许用应力；η——有效利用因子，ABS规范要求船体结构材料的有效利用因子选0.8，验算得σ=95 ＜[σ]=0.8×235=188 MPa[2]；虽此材料符合要求，但规格偏大。重新选取40 mm×40 mm×5 mm 角钢。重复以上步骤算得σ=159MPa，既满足要求，又减少了重量和制造成本。

综上分析，影响角钢选型的参数为：设备的质量M、基座的脚高D，因此在角钢选型时可适当缩短角钢脚高来降低角钢的规格，以达到减轻重量的目的。

2.2 根据设备重量选型

表1的数据是根据以上公式计算所得，其规格数据较传统经验数据有所降低。

表1 设备基座所用角钢选用表

3 注意事项

1)小型设备尽可能选用形状类似的基座。

2)考虑到空间和振动，基座的脚高尽可能短一点（尽量控制在 300mm以内）。小型设备的基座适合采用70～100mm的脚高（务必确认是否包绝缘）。

3)包有白铁皮的房间，设备基座的脚高应等于钢围壁离白铁皮表面的距离。

4)围壁内安装的基座，基座面与木围壁内侧平齐并在基座的内侧烧焊螺母。

5)考虑到安全，落地设备的基座尽可能采用角钢，同时将角钢的面朝外设计。

6)设计时机舱、舵机舱等层高较高区域的灯架尽可能利用舱壁或柱子。

7)为节省物资、工时成本，同一区域安装多个设备时，尽量采用组合基座。

4 基座优化设计

4.1 设备基座形式的优化

对侧烧设备而言，传统设计的基座形式如图1所示，设备安装在基座上，主要应力集中在4个腿上，中间的横撑主要有两个用途：1)保持基座的整体性，方便定位；2)产生横向或纵向拉力。

图1 传统基座形式

优化后的基座如图2所示，基座可由4个独立的腿组成，设备的所有重量由4个腿承受，每个腿上留一个孔，以便设备接地，另外，考虑到在基座安装时，较难规定设备尺寸，因此，设计了一个专用的安装工具，见图3。设计步骤如下：

图2 优化后的设备基座形式

图3 基座安装专用工具

1)制作2套设备安装专用工具和4套螺丝螺帽；

2)现场施工人员用这两套安装工具交叉固定在设备上，测量出设备安装孔的孔距，并在安装工具上画上刻度（用可擦笔写）；

3)卸下安装工具，把4个基座固定在安装工具上，并根据刚刚记录的数据调整好4个基座之间的孔距；

4)把安装工具看成设备并定位，点焊4个基座，卸下安装工具，满焊。

4.2 设备基座个性化设计

考虑到设备上必须贴有设备铭牌，在设计基座时就考虑一体化设计。即将铭牌位置预留好，给设备进线的扁钢准备好，避免这些附件安装时所带来的麻烦，见图4所示。

图4 个性化设计后的基座形式

5 基座优化效果分析

经综合比较，新的设备基座有如下优点：

1)体积轻巧，大型侧烧设备的基座可以不作为封舱件处理；

2)基座结构比较简单，可以通用；

3)设备孔距现场可以调节，免去设备实物与到手图纸不一致的困扰；

4)节省材料，节约成本。

当然，新的设备基座也有缺点，如现场工作人员无法根据设备安装图对基座直接定位安装，必须现场测量。从建造方角度看，设计时最重要的两个指标为实用性、经济性。下面从经济性角度来分析新旧基座的优劣。

优化前结构见图1。设角钢理论重量密度u（kg/m），优化前基座重量M1=[2(W+L)+4D]×u 。优化后结构见图2优化后基座重量M2=4D×M；

减重重量：M减=M1-M2=[2(W+L)+4D]×u-[2(W+L)+4D]×u=2(W+L)×u ；

节省率η=2(W+L)×u/{[2(W+L)+4D]×u}=(W+L)/[(W+L)=2D]；

若一设备D=100mm，W=700mm，L=800mm，η=（700mm+800mm）/[(700mm+800mm)+2×100mm]=88%。根据型钢表（热轧等边角钢（GB700-79））查得，型号为63mm×63mm×6mm的角钢，重量密度u=5.7kg/m，则减重M减=17.1kg。平台上此类壁挂设备大约有200个，总减重 M总=17.1× 200=3.42 t。

6 结 语

控制设备基座重量是海工产品重量控制的一个重要措施。从本文分析数据可以看出，只要从实用性和经济性两大要素出发，采用合适的设计方法和理论分析，打破经验设计的禁锢，将会对平台的设计优化和成本控制提供更大的帮助。

[1] 欧贵宝，朱加铭.《材料力学》[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1997.

[2] 陈铁云，陈伯真.《船舶结构力学》[M].上海：上海交通大学出版社，1992.