托管架前部運(yùn)輸機(jī)整體吊裝方法

張文耀，張少雄

(1.交通運(yùn)輸部廣州打撈局 海洋工程處，廣州 510260；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063)

托管架前部運(yùn)輸機(jī)整體吊裝方法

張文耀1，張少雄2

(1.交通運(yùn)輸部廣州打撈局 海洋工程處，廣州 510260；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063)

摘要：針對(duì)需要在空中完成傾斜7°的特定用途大型結(jié)構(gòu)物吊裝作業(yè)，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的索具形式，選取合適的浮吊船，制定可行的吊裝方案；著重考慮傾斜前后2種工況，對(duì)吊點(diǎn)及主鉤載荷進(jìn)行計(jì)算和分析評(píng)估，確定吊裝方案是安全可靠的。

關(guān)鍵詞：重件吊裝；浮吊船；安全系數(shù)；索具布置

隨著海洋裝備制造業(yè)快速發(fā)展，海上結(jié)構(gòu)物逐漸趨向大型化。在海洋工程施工中，越來(lái)越多的使用大噸位浮吊船對(duì)海上結(jié)構(gòu)物進(jìn)行整體吊裝。考慮海上風(fēng)浪環(huán)境因素的影響，海上大型結(jié)構(gòu)物吊裝通常按照GL Noble Denton的相關(guān)規(guī)范[1]，考慮足夠的安全系數(shù)，這樣對(duì)浮吊船起重能力、索具布置形式提出了較高的要求。

對(duì)于被吊物需要在空中完成傾斜或翻轉(zhuǎn)的吊裝作業(yè)，以往多采用多臺(tái)起重機(jī)進(jìn)行聯(lián)合起吊作業(yè)。但是，通過(guò)采取合理的索具布置，可實(shí)現(xiàn)單艘浮吊船對(duì)大型結(jié)構(gòu)物進(jìn)行空中翻轉(zhuǎn)作業(yè)。本文以某大型模塊海上吊裝工程為實(shí)例，介紹吊裝方案的選取，并分析吊裝過(guò)程中的受力情況，對(duì)整個(gè)吊裝體系進(jìn)行評(píng)估，確保吊裝施工的安全。

1工程概況

托管架前部運(yùn)輸機(jī)(stinger transition frame，STF)為國(guó)外某大型起重鋪管船的分段模塊。該分段模塊在國(guó)內(nèi)船廠(chǎng)陸地碼頭建造，需要整體吊裝至駁船，并由駁船運(yùn)輸至母船安裝。

該鋼結(jié)構(gòu)分段重量約1 583 t，長(zhǎng)×寬×高為67 m×42 m×22 m。分段在陸地胎架上水平建造，結(jié)構(gòu)物重心距離地面12.5 m，需尾傾7°后方能放置于運(yùn)輸駁船。施工中使用3 200 t浮吊船將模塊整體吊裝至運(yùn)輸駁船。STF在陸地胎架上建造示意見(jiàn)圖1，STF吊裝至運(yùn)輸駁船最終位置示意見(jiàn)圖2。

圖1　STF 陸地胎架建造示意

圖2　STF吊裝至運(yùn)輸駁船最終位置示意

2吊裝難點(diǎn)

2.1浮吊船選取

STF為海洋工程船因特定用途而制作的分段模塊，結(jié)構(gòu)特殊，外形細(xì)長(zhǎng)，內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)。船體外殼鋼板厚度僅10 mm，船體骨材較小，未設(shè)置橫艙壁，而分段內(nèi)部舾裝件較多，使得分段自身重量較大。

分段整體吊裝對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有較高要求。為盡可能地減少STF吊裝過(guò)程中的變形，在其頂部甲板40 m×12 m矩形范圍內(nèi)布置共16個(gè)吊點(diǎn)，其中左右兩舷各8個(gè)吊點(diǎn)，STF吊點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。

本次吊點(diǎn)布置數(shù)量較多，縱向跨度較大，使得吊裝難度增大。同時(shí)，STF艏艉、左右均為非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，重心并未在幾何中心，偏向于左舷、船尾。

圖3　STF吊點(diǎn)布置(單位：m)

對(duì)于浮吊船的選取，若選用單鉤或多鉤單扒桿浮吊船，因STF艏艉吊點(diǎn)跨度較大，需要制作大型專(zhuān)用吊梁，這樣吊裝費(fèi)用將大幅增加，并延誤施工工期。若選用雙鉤或多鉤雙扒桿浮吊船，因STF重心偏于左舷及船艉，需要校核其單鉤的起吊能力是否滿(mǎn)足要求。另外，對(duì)于被吊物需要進(jìn)行空中傾斜的吊裝作業(yè)，雙扒桿浮吊船扒桿間距離與STF艏艉中心吊點(diǎn)間距的匹配程度也成為本次吊裝的考慮因素。

同時(shí)，STF陸地建造位置距離碼頭為37 m，所選用浮吊船需要核算其跨距是否滿(mǎn)足本次吊裝作業(yè)。同時(shí)考慮港口碼頭吊裝由于風(fēng)、浪、流等不確定因素影響而附加的動(dòng)載荷因數(shù)，且被吊物自身重量較大，因此需要選用起吊能力大于被吊物自身重量的大噸位浮吊船。

如上所述，對(duì)于本次STF吊裝作業(yè)，由于諸多限制，浮吊船的可供選擇范圍大幅縮小?？紤]本著就近原則，避免高額的調(diào)遣費(fèi)用，但周邊地區(qū)該類(lèi)型浮吊船作業(yè)窗口緊張，使得選擇合適的浮吊船并按期完成本次吊裝作業(yè)難度增大。

2.2空中傾斜7°

STF在陸地水平建造，由于首部向下延伸出兩條支撐腿，STF水平起吊后，需要在空中完成7°的傾斜后方能平穩(wěn)放置于運(yùn)輸駁船。對(duì)于重大型結(jié)構(gòu)物吊裝，在空中完成指定旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，需要對(duì)浮吊船自身吊重能力、吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式、索具布置形式等多方面進(jìn)行嚴(yán)格的考核。同時(shí)，對(duì)起重機(jī)操作人員的操控能力也提出較高要求。

3吊裝方案

3.1主要設(shè)計(jì)思路

根據(jù)STF自身重量，在考慮安全系數(shù)后，初步選定具備足夠起重能力的浮吊船?？疾霺TF吊點(diǎn)布置，即吊點(diǎn)數(shù)量、吊點(diǎn)間距，以及浮吊船的吊鉤間距以確定索具布置形式。根據(jù)索具的布置形式，計(jì)算出每條索具的受力值，從而確定需要選取的索具規(guī)格。由于STF起吊后需要在空中進(jìn)行傾斜，索具的布置應(yīng)確保STF可完成指定的動(dòng)作，同時(shí)相應(yīng)的安全系數(shù)將增加。這幾者之間為相輔相承的關(guān)系，其中一項(xiàng)的變動(dòng)往往引起吊裝系統(tǒng)全局的變動(dòng)。因此浮吊船的選取，安全系數(shù)的選取，索具以及索具布置形式均需要反復(fù)修改驗(yàn)證，進(jìn)而確定最終方案。

3.2吊裝方案制定

對(duì)于本次吊裝方案的選取，重點(diǎn)考慮STF起吊后能于空中順利完成指定的傾斜動(dòng)作。相較于以往大型重件吊裝，被吊物在起吊后直至安裝過(guò)程中姿態(tài)維持不變，本次吊裝屬于較為特殊情況，因此對(duì)于索具的布置形式提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

本次吊裝中共采用12個(gè)350 t雙輪平衡滑車(chē)將吊點(diǎn)與主鉤間的鋼絲繩上下走通，使各鋼絲繩受力均勻，并確保STF起吊后在空中順利完成傾斜。每個(gè)主鉤下布置3個(gè)350 t平衡滑車(chē)，吊點(diǎn)之間兩兩走通，滑輪與滑輪之間互相走通。索具的布置形式見(jiàn)圖4。

圖4　索具布置形式

4安全系數(shù)

對(duì)于海上起吊作業(yè)，參照GL Noble Denton Guidelines for Marine Lifting Operations, Rev.10, 22 Jun 13(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》)選取相應(yīng)的安全系數(shù)。

4.1重量風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)

在海洋工程施工中，重量控制等級(jí)分為A、B、C三類(lèi)。A類(lèi)結(jié)構(gòu)物需要對(duì)主要組件進(jìn)行詳細(xì)的物理稱(chēng)重確定其重量、重心。B類(lèi)及C類(lèi)結(jié)構(gòu)物主要組件可根據(jù)構(gòu)件的尺寸計(jì)算或者使用計(jì)算機(jī)軟件估算其重量、重心。

依據(jù)規(guī)范，對(duì)于A類(lèi)結(jié)構(gòu)物吊裝，最小重量風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)應(yīng)取1.03，對(duì)于B類(lèi)及C類(lèi)結(jié)構(gòu)物吊裝，其對(duì)應(yīng)的最小風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)應(yīng)取1.1。

由于STF重量依據(jù)其構(gòu)件尺寸計(jì)算所得，未進(jìn)行物理稱(chēng)重，因此，本次吊裝重量風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)取1.1。

4.2重心非精確系數(shù)

STF重心位置可依據(jù)STF各構(gòu)件的尺寸及位置估算得出。STF重心位置并未在結(jié)構(gòu)物的幾何中心，且本次吊裝過(guò)程中，STF需要傾斜7°，造成吊點(diǎn)在不同的高度上。

依據(jù)規(guī)范，對(duì)于吊點(diǎn)位于不同水平面上的情形，吊裝重量應(yīng)當(dāng)考慮重心包絡(luò)線(xiàn)。若采用重心包絡(luò)線(xiàn)，則應(yīng)增加附加系數(shù)1.03來(lái)考慮重心位置的最終偏差。如果不采用重心包絡(luò)線(xiàn)，則須把重心非精確系數(shù)1.1用于重量計(jì)算。

本次吊裝重心非精確系數(shù)取1.1。

4.3動(dòng)力放大系數(shù)

依據(jù)規(guī)范，對(duì)于單臺(tái)起重機(jī)在空氣中的起吊作業(yè)而言，動(dòng)力放大系數(shù)(DAF)見(jiàn)表1。

表1　空氣中的動(dòng)力放大系數(shù)

本次吊裝重量在1 000～2 500 t之間，采用單浮吊船吊裝，且為近岸浮式、移動(dòng)作業(yè)，因此本次吊裝動(dòng)力放大系數(shù)取1.05。

4.4不匹配荷載系數(shù)

不匹配載荷系數(shù)(SKL)是一種載荷分配系數(shù)，依據(jù)吊索長(zhǎng)度制造公差、索具布置和幾何形態(tài)、起吊點(diǎn)的裝配公差及吊索伸長(zhǎng)率，對(duì)于非100%完全靜定的所有索具布置和起吊物都應(yīng)考慮。

依據(jù)規(guī)范，如果吊索長(zhǎng)度誤差并不會(huì)明顯影響到載荷空間方位角或起吊系統(tǒng)的幾何形態(tài)的話(huà)，對(duì)于靜定起吊作業(yè)，SKL系數(shù)可為1.0。根據(jù)STF的索具布置可知，每條吊索均通過(guò)滑輪走通，即吊索通過(guò)滑輪的轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到受力均衡，整個(gè)吊裝系統(tǒng)組成為靜定體系，吊索的長(zhǎng)度誤差并不會(huì)明顯影響到吊索系統(tǒng)的幾何形態(tài)。

由于STF吊裝為4鉤起吊作業(yè)，根據(jù)《規(guī)范》，對(duì)于多鉤起吊作業(yè)，若吊鉤高度為分別給予控制，而且對(duì)吊索長(zhǎng)度公差、索具的布置和起重作業(yè)程序進(jìn)行綜合評(píng)估后，可以取較低的SKL系數(shù)。

因執(zhí)行本次起重作業(yè)的浮吊船為4鉤獨(dú)立控制，而且起重作業(yè)嚴(yán)格按照規(guī)定程序施工，本次吊裝索具長(zhǎng)度公差在許用范圍內(nèi)，索具布置合理，因此本次吊裝SKL系數(shù)取1.0。

4.5雙鉤起吊系數(shù)

根據(jù)《規(guī)范》，對(duì)于多鉤起吊作業(yè)，且起吊作業(yè)在固定起重臂(非回轉(zhuǎn))作業(yè)形式下時(shí)，每一吊鉤的單一總重量須乘以下述系數(shù)，以顧及因起重機(jī)吊鉤高度公差所增加的載荷。

重心偏移系數(shù)=1.015。

傾角系數(shù)=1.015。

艏搖系數(shù)=1.0。

本次吊裝符合上述情形，雙鉤起吊系數(shù)選取上述值。

綜上所述，對(duì)于本次STF吊裝，所選取安全系數(shù)見(jiàn)表2。

表2　安全系數(shù)(Safety Factors)

由表2所述，本次吊裝最終安全系數(shù)=1.1×1.1×1.05×1.0×1.015×1.0×1.015=1.31。因此在計(jì)及各安全系數(shù)情況下，本次吊裝總重量計(jì)算如下。

吊裝總重量=(1 583+76)×1.31=2 173 t，其中索具重量76 t。

5吊裝分析

5.1吊裝工況

本次吊裝分析主要考慮2種吊裝工況，即水平起吊狀態(tài)和傾斜7°狀態(tài)。

STF由水平狀態(tài)旋轉(zhuǎn)至傾斜7°后，吊索具的形態(tài)產(chǎn)生變化，相應(yīng)索具受力會(huì)發(fā)生改變，各吊點(diǎn)的受力也隨著變化。STF在傾斜過(guò)程中，浮吊船各主鉤載荷將隨著STF的旋轉(zhuǎn)而逐漸改變，處于上升狀態(tài)的主鉤的載荷將逐漸上升，而相對(duì)處于下降狀態(tài)的主鉤的載荷逐漸下降，直至STF轉(zhuǎn)動(dòng)至最終狀態(tài)，浮吊船各主鉤載荷穩(wěn)定下來(lái)。因此本次吊裝著重考慮STF旋轉(zhuǎn)初始及結(jié)束2種狀態(tài)下各吊點(diǎn)、各主鉤的受力狀況。

STF結(jié)構(gòu)物的重心并未在幾何中心，浮吊船各個(gè)主鉤的受力在單一工況下并不相同，同時(shí)STF非走通吊點(diǎn)間的受力也會(huì)不同。選取上述2種工況分別進(jìn)行載荷計(jì)算，并對(duì)2種工況下STF吊點(diǎn)和浮吊船主鉤載荷進(jìn)行評(píng)估。

5.2載荷分析

STF在水平及傾斜7° 2種情況下，依據(jù)重心的相對(duì)位置、鋼絲繩與水平面間的夾角，根據(jù)力的平衡方程計(jì)算出各吊點(diǎn)及主鉤的載荷[2]。2種狀況下各吊點(diǎn)處鋼絲繩與水平面的夾角見(jiàn)圖5。

在計(jì)及各安全系數(shù)情況下，計(jì)算出各吊點(diǎn)的受力值，具體見(jiàn)圖6。

由圖6可見(jiàn)，2種工況下，吊點(diǎn)受力最大為1 717 kN，受力較大的吊點(diǎn)位于船體左舷。STF的吊點(diǎn)設(shè)計(jì)額定載荷為2 000 kN，上述各吊點(diǎn)受力值均在允許范圍內(nèi)。根據(jù)吊點(diǎn)受力情況可合理布置卸扣，在相應(yīng)4個(gè)吊點(diǎn)(編號(hào)為3、4、5、6)布置175 t卸扣，而其余吊點(diǎn)布置150 t卸扣[3]。

圖5　鋼絲繩夾角

圖6　2 STF各吊點(diǎn)受力

在計(jì)及各安全系數(shù)情況下，浮吊船各主鉤受力見(jiàn)圖7。

圖7　浮吊船各主鉤受力

本次吊裝使用的浮吊船在指定的跨距下每個(gè)主鉤額定吊力為6 700 kN。由圖7可知，在計(jì)及各安全系數(shù)情況下，各主鉤吊力仍有部分富裕，浮吊船在設(shè)計(jì)的安全作業(yè)工況下施工[4]。因此本次吊裝方案設(shè)計(jì)是安全可行的。

STF吊裝現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖8。

圖8　現(xiàn)場(chǎng)吊裝

在實(shí)際施工中，起重作業(yè)嚴(yán)格按照施工方案實(shí)施，浮吊船各動(dòng)作指令均由經(jīng)驗(yàn)豐富的指揮人員發(fā)出，并嚴(yán)格執(zhí)行，安排專(zhuān)人監(jiān)督?，F(xiàn)場(chǎng)吊裝過(guò)程中，各主鉤吊重較上述計(jì)算值偏小，整個(gè)吊裝系統(tǒng)偏于安全。

6結(jié)論

STF整體吊裝的索具布置通過(guò)使用雙輪平衡滑車(chē)將吊鉤下的各鋼絲繩走通，使得每個(gè)吊鉤下索具形成獨(dú)立的力平衡體系，這樣整個(gè)吊裝系統(tǒng)受索具長(zhǎng)度公差及吊點(diǎn)高度差的影響較小，這種索具布置形式適合多吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)物的吊裝；同時(shí)，這種索具布置形式也解決了結(jié)構(gòu)物需在空中旋轉(zhuǎn)的難題。STF吊裝計(jì)算中關(guān)于安全系數(shù)的選取可為海上大型吊裝工程的安全施工提供有力的技術(shù)支持。在實(shí)際施工中，STF的索具布置操作簡(jiǎn)易，施工效率高，節(jié)省了工期，減少了吊裝成本。STF經(jīng)濟(jì)、高效、安全可行的吊裝方案，可為今后類(lèi)似的大型吊裝提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

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[4] 張少雄，任思楊.起重船有限元直接計(jì)算實(shí)例[J].船海工程，2009,38(4)：5-8

On the Integral Lifting Method for Stinger Transition Frame

ZHANG Wen-yao1, ZHANG Shao-xiong2

(1 Guangzhou Salvage Bureau of the Ministry of Communications, Guangzhou 510260, China;2 School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Abstract:For the installation of large structure of specific use, which should be inclined by 7 degrees, a feasible lifting proposal is performed by deploying a reasonable rigging arrangement, selecting an applicable floating crane. The loads acting upon lifting points and main hooks are calculated and analyzed in details during two situations before and after inclined, so as to ensure the safety of the lifting.

Key words:heavy lift; floating crane; safety factors; rigging arrangement

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.023

收稿日期：2016-01-06

第一作者簡(jiǎn)介：張文耀(1985—)，男，碩士，工程師 E-mail:zwy0401@sina.com

中圖分類(lèi)號(hào)：U671.99

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)03-0099-05

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶與海洋工程