導管架下水搖臂千斤頂移位技術研究

崔廣亮，董振強，魏佳廣，陳凱超

海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

隨著我國油氣開采逐步走向深水，200～300 m水深海域油田的勘探和開發(fā)逐年增加，此水深海域的油氣開發(fā)使用樁基式平臺仍然是一種較為經(jīng)濟的選擇。大型樁基平臺導管架采用滑移下水方式安裝[1-2]，通常情況下下水搖臂的移位是借助大型浮吊船來完成的，這種作業(yè)不僅增加了船舶靠泊及施工的危險，同時也增加了大型浮吊船等資源的投入，成本較高[3]。

導管架下水搖臂千斤頂移位技術研究是利用千斤頂和輔助工裝來完成下水搖臂的移位，不需要投入大型浮吊資源，此工藝技術極大降低了施工成本和作業(yè)風險。

本項目以30 000 t級下水駁船HYSY229下水搖臂移位為依托，開展了相關技術的研究。

1 搖臂移位受力分析

搖臂與甲板相對位置示意如圖1所示。

1.1 搖臂靜態(tài)受力分析[4-5]

根據(jù)目前狀態(tài)，若考慮導槽失效，計算搖臂在自身重力G（5 880 kN）作用下的下滑力、搖臂對甲板的壓力以及摩擦力如下：

圖1 搖臂與甲板相對位置示意

下滑力F下滑=G×sin15°=5 880 kN×sin15°=1 522 kN。

搖臂對甲板的壓力N=G×cos15°=5 880 kN×cos15°=5 680 kN。

甲板與搖臂之間的靜摩擦力F靜=N×μ=5 680 kN×0.3=1 704 kN。

其中，μ為DNV規(guī)范中鋼與鋼接觸的靜摩擦系數(shù)最大值。

1.2 搖臂橫移力分析[4-5]

搖臂的重心位于導槽上方偏向甲板一端，在平衡狀態(tài)下，按導槽承受搖臂全部重力考慮，因此，搖臂移位的橫向力，即需要克服的最大靜摩擦力F橫=G×μ=5 880 kN×0.3=1 764 kN。

根據(jù)上述分析，主要摩擦部位為導槽與搖臂轉軸接觸面。由于搖臂與導槽接觸面存在銹蝕，根據(jù)經(jīng)驗，μ應為理論值的1.5～2倍。因此，實際F橫應按照1 764 kN×2=3 528 kN考慮。

2 方案設計與實施

2.1 搖臂移位方案流程

由于搖臂與導槽長期在海水中浸泡，接觸面因海水而銹蝕嚴重，因此在搖臂移位作業(yè)前，需要對此接觸面進行除銹處理。

搖臂移位作業(yè)流程如下：輔助工藝裝備設計、制作、安裝及焊接固定→拆解搖臂固定卡套→頂升搖臂→處理搖臂與導槽接觸面→搖臂回落→搖臂移位→安裝、焊接搖臂固定卡套→拆除輔助工藝裝備。

2.2 輔助工藝裝備設計

根據(jù)上述搖臂移位方案，設計相應的輔助工藝裝備，如圖2所示。

圖2 輔助工藝裝備布置示意

相關布置及用途如下[1]：

大龍門架：設置在搖臂橫移導槽上。主要承載搖臂脫離甲板的載荷，搖臂頂升反作用力通過大龍門架作用在導槽上。

頂升門架：數(shù)量2個，承載搖臂頂升載荷，并將載荷傳導在搖臂上。

防下滑和傾翻門架：與止滑裝置組合使用，防止搖臂下滑、翻轉。

止滑裝置：固定在搖臂上，防止在頂升過程中搖臂有可能出現(xiàn)的下滑傾向，與導槽共同起到防下滑作用。

反力座：作為搖臂移位千斤頂支撐點。

2.3 輔助工藝裝備受力分析

項目選用屈服強度345 MPa的鋼材設計輔助工藝裝備，主要受力分析如下。

2.3.1 大龍門架

因兩處千斤頂需要克服搖臂自重5 880 kN，所以形成2處集中載荷，間距為4 m，考慮動載荷系數(shù)1.1，每處載荷分別為3 234 kN，間距為4 m，方向豎直向下；同時考慮橫梁自重約132.3 kN，均布載荷，方向豎直向下。

計算結果如圖3所示，最大應力132 MPa，安全系數(shù)為2.6，大于許用安全系數(shù)（1.5），滿足設計強度要求。

圖3 大龍門架靜應力云圖

2.3.2 頂升門架

每個搖臂頂升門架中間位置有1處集中載荷，均為3 234 kN，方向豎直向上。

計算結果見圖4，最大應力108MPa，安全系數(shù)為3.2，大于許用安全系數(shù)（1.5），滿足設計要求。

圖4 頂升門架靜應力云圖

2.3.3 防下滑和傾翻門架

假設沒有導槽對搖臂的阻礙，不考慮甲板對搖臂的摩擦力，搖臂只受到1 522 kN下滑力的作用，方向為水平向艉方向。

計算結果如圖5所示，最大應力177 MPa，安全系數(shù)1.8，大于材料許用安全系數(shù)（1.5），滿足設計要求。

圖5 防下滑和傾翻門架靜應力云圖

2.3.4 止滑裝置

阻止下滑力為1522kN，方向為水平向艏方向。

計算結果如圖6所示，最大應力102 MPa，安全系數(shù)約為3.3，大于許用安全系數(shù)（1.5），滿足設計要求。

圖6 止滑裝置架靜應力應力云圖

2.3.5 反力座

反力座可布置在導槽中，集中載荷3 528 kN。計算的最大應力215 MPa，安全系數(shù)約為1.6，大于許用安全系數(shù)（1.5）；計算的位移云圖如圖7所示，應力和位移均滿足設計要求。

2.4 方案實施

搖臂移位主要操作步驟如下：

（1）頂升千斤頂緩慢加載，保持雙側千斤頂同步，并隨時觀察搖臂穩(wěn)定狀況。逐步加大千斤頂壓力，直至搖臂開始頂升。

圖7 反力座位移云圖

（2）繼續(xù)緩慢頂升，設置停止點再次檢查搖臂轉軸與卡套內(nèi)表面之間距離，確定與卡套是否接觸。確認搖臂在頂升千斤頂?shù)淖饔孟履軌蚱鹕欢ǜ叨?，并且對卡套沒有施加作用力。此時千斤頂緩慢泄壓，回落到初始狀態(tài)。

（3）待狀態(tài)穩(wěn)定后，脫焊卡套與甲板間連接。

（4）重新加載頂升千斤頂，使總頂升行程達到45 mm。在搖臂轉軸與卡套之間（艉部方向）設置合適厚度（40～45 mm） 的墊板，以防止意外下滑，起到阻滑的作用。

（5）滑移接觸面處理：在搖臂轉軸與導槽接觸范圍內(nèi)噴涂除銹劑，清理后涂抹潤滑油。

（6）頂升千斤頂步進式緩慢下降至初始狀態(tài)，動作過程中保持各部位接觸穩(wěn)定。

（7）拆除大龍門架、搖臂頂升門架。

（8）啟動橫向滑移油頂進行步進式推移，使搖臂移位到指定位置。

（9）拆除各類工裝、固定搖臂，達到船東要求。

3 工程應用及改進建議

下水搖臂千斤頂移位技術已經(jīng)在南海恩平項目中使用，該技術的可行性及可靠性得到了驗證，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益，也為后續(xù)項目在搖臂移位設計及方案實施積累了豐富的經(jīng)驗，總結如下：

（1） 橫向滑移油頂啟動后，由于單點受力，使搖臂橫向力不平衡，建議后續(xù) 項目增加橫向輔助油頂，確保滑移受力均衡。

（2）在拆除大龍門架和反力座過程中，搖臂導槽會有不同程度的損傷，建議后續(xù)項目在設計過程中將大龍門架和反力座適當偏移，避免其對導槽造成損傷，影響搖臂的正常使用。

4 結束語

下水搖臂千斤頂移位技術較傳統(tǒng)吊裝方式有明顯的優(yōu)勢。此項技術研究避免了搖臂移位過程中大型浮吊船的投入，克服了由于大型浮吊資源限制對深水導管架裝船準備階段的影響，同時降低了作業(yè)風險，大大降低了作業(yè)成本，為深水導管架安裝提供了技術積累。