大型半潛式平臺船體分段履帶吊合攏工藝

2021-02-24 00:55:06劉俊斐田旺生馮英磊

海洋工程裝備與技術 2021年2期

連鑫，劉俊斐，田旺生，郭寧，馮英磊

(海洋石油工程(青島)有限公司，青島 266520)

0 引言

隨著油氣開發(fā)加速向深水、超深水延伸，深水浮式平臺這些年來也在快速發(fā)展，未來深水浮式平臺將成為國內(nèi)外海洋石油工程裝備制造領域最主要的一種形式，建造訂單也會日益增多。半潛式生產(chǎn)平臺(semi-submersible production platform)是深水浮式平臺的主要裝備之一，即大部分浮體沒于水面以下的一種小水線面的浮式生產(chǎn)平臺，它是從坐底式平臺演變而來的，具有運動性能好、抗風浪能力強、造價相對較低等優(yōu)點[1]。半潛式生產(chǎn)平臺主要分成兩大部分，由下部的船體和上部的組塊構成，上部的組塊和海洋工程其他組塊差別不大，而半潛式平臺下部船體的結構形式比較復雜，吊裝難度比較大，如何更高效地合攏、集成組塊一直是深水半潛式平臺建造的難題之一。

國外建造半潛式平臺的歷史很長，自1961年世界首座半潛式平臺誕生到現(xiàn)在已經(jīng)有60余年，世界上只有少數(shù)幾家公司有能力承接建造。目前國際上能夠承建半潛式平臺的主要公司有新加坡的吉寶公司，韓國的三星重工公司、大宇造船海洋工程公司和挪威的AKER集團等。圖1所示是在韓國大宇造船海洋工程公司建造的半潛式平臺，其在船塢內(nèi)建造，使用大型龍門吊來實現(xiàn)船體分段合攏、集成。圖2所示是在美國某公司建造的半潛式平臺，其在陸地建造，使用兩臺大型龍門吊來合攏、集成。

圖1 半潛式平臺船塢內(nèi)建造Fig.1 Construction of semi-submersible platform in dock

圖2 半潛式平臺船塢外建造Fig.2 Construction of semi-submersible platform outside dock

國內(nèi)建造半潛式平臺的歷史較短，自1984年國內(nèi)首座半潛式平臺——勘探3號誕生至今，已經(jīng)快40年，目前我國能夠承建半潛式平臺的主要公司有煙臺中集來福士、上海外高橋船廠和大連新船重工公司等[2]。無論是國外還是國內(nèi)公司，主流的建造方法都是在船塢內(nèi)，依靠大型龍門吊設備來實現(xiàn)船體分段合攏。

“深海一號”將船體建造安排在無龍門吊的滑道區(qū)域上進行，屬于國內(nèi)首次使用履帶吊來合攏大型半潛式平臺船體分段。這種工藝面臨諸多挑戰(zhàn)，其中最主要的挑戰(zhàn)在于船體分段艙臂薄，每個吊點周圍結構無法承受太大的力，因此需要采用多吊點的方式來進行吊裝，而履帶吊不像龍門吊那樣有多鉤頭，要使用履帶吊必須克服這個挑戰(zhàn)。本文將結合“深海一號”半潛式平臺項目建造施工實踐，詳細闡述在不使用龍門吊的條件下，通過使用履帶吊來實現(xiàn)大型半潛式平臺船體的吊裝合攏作業(yè)。

1 吊裝方案設計

1.1 吊裝方案設計流程

吊裝設計的第一步是核算分段重量、重心，通過建立3D模型得到重量、重心，與圖紙、料單進行對比，從而得到最終的理論重量、重心。接下來要進行吊點布設、計算強度、選取吊機、吊機能力校核和碰撞校核等，總的來說船體分段吊裝設計是一個復雜的逐步尋優(yōu)的過程[3]，吊裝設計流程圖如圖3所示。

圖3 船體分段吊裝設計流程圖Fig.3 Flowchart of hull lifting

1.2 船體分段分類

“深海一號”船體分段示意圖如圖4所示，其中需要吊裝合攏的是立柱分段，共有4條，每條立柱分為7個船體分段，按照吊裝類型又可分成4類，由于每條立柱的結構相似，因此僅以二號立柱為例，具體船體分段分類信息如表1所示，下面將對每種船體分段類型進行吊裝設計。

表1 船體分段分類信息Tab.1 Information of hull section

圖4 船體分段示意圖Fig.4 Schematic diagram of hull section

1.3 Ⅰ型船體分段吊裝設計

1.3.1 吊點布設

Ⅰ型船體分段外形尺寸較大，在長度方向結構不夠完整，重量不均勻，屬于半敞口船體分段，經(jīng)過計算共需要16個吊耳，4個吊耳一組豎直平行分布在船體分段上[4]，吊耳布置圖如圖5所示。

1.3.2 吊索具布置

Ⅰ型船體分段吊裝需要4個400 t吊排(后面簡稱吊排)和2根撐桿，將2個吊排與撐桿垂直成“工”字形的狀態(tài)，每個吊排連接4個吊耳，此外還需要16根鋼絲繩和32個卸扣(鋼絲繩不包含吊排系統(tǒng))，具體連接方式如圖6所示。

圖6 Ⅰ型船體分段索具連接圖Fig.6 Rigging connection diagram for type Ⅰ hull section

1.3.3 吊裝強度校核

吊裝強度校核建模采用Sesam GeniE模塊有限元分析軟件，船體分段模型用SHELL單元和BEAM單元進行模擬，吊繩采用BEAM單元進行模擬，模型網(wǎng)格尺寸為300 mm×300 mm，吊點處結構采用細化網(wǎng)格處理，網(wǎng)格尺寸為50 mm×50 mm。

船體分段結構和吊耳均為最小屈服強度為355 MPa的高強鋼，材料特性如下：

(1) 楊氏模量：2.1×1011N/m2。

(2) 剪切模量： 8.0×1011N/m2。

(3) 密度：7 850 kg/m3。

(4) 泊松比：0.3。

強度校核采用DNV GL-ST-N001規(guī)范，根據(jù)規(guī)范要求，模擬工況LC如下：

LC=K1×K2×DAF×G

式中：K1是重量不確定系數(shù)，當結構物重量100 t以下時取1.1， 100 t以上時為1.05，船體分段的重量都大于100 t，所以這里K1取1.05。K2是傾斜載荷系數(shù)，由于吊索具制作公差會產(chǎn)生偏心荷載，根據(jù)DNV GL指導文件，對于使用一個吊梁或不用吊梁的靜定吊裝，傾斜載荷系數(shù)取1.0；對于使用2個吊梁或2個以上吊梁并使用匹配索具的吊裝，傾斜載荷系數(shù)取1.1；對于4吊點超靜定吊裝，傾斜載荷系數(shù)取1.25。船體分段使用2個吊梁，傾斜載荷系數(shù)K2保守選取1.1。DAF是動態(tài)放大系數(shù)，被吊物在吊裝過程搖晃擺動會產(chǎn)生額外荷載，動態(tài)放大系數(shù)與鉤頭支反力大小有關，詳細對應關系如表2所示，根據(jù)船體分段吊裝類型DAF選取1.05。

表2 船體分段信息一覽表Tab.2 Information of hull section

結果系數(shù)保守取1.3，許用應力=最小屈服強度/結果系數(shù)，可得許用應力為273 MPa[5]。后面的船體分段強度校核都是按照上述計算要求進行的，不再贅述。

對模型施加模擬工況LC，經(jīng)過軟件計算，最大應力為58.7 MPa,小于許用應力，結構強度滿足要求；最大變形量為10 mm，結構變形滿足要求。最大應力分布云圖如圖7所示，最大變形分布云圖如圖8所示。

圖7 最大應力分布云圖Fig.7 Cloud diagram of maximum stress distribution

圖8 最大變形分布云圖Fig.8 Cloud diagram of maximum deformation distribution

1.4 Ⅱ型船體分段吊裝設計

1.4.1 吊點布設

Ⅱ型船體分段外形較為方正，尺寸較大，且結構完整性較高，共需16個吊耳，8個吊耳一組平行排列，吊耳布置如圖9所示。

圖9 Ⅱ型船體分段吊耳布置圖Fig.9 Layout of lifting lugs for type Ⅱ hull section

1.4.2 吊索具布置

Ⅱ型船體分段吊裝需要4個吊排和2根撐桿，將吊排系統(tǒng)中的兩個吊排與撐桿安裝在同一平面內(nèi)，形成一條直線，每個吊排連接4個吊耳，此外還需要16根鋼絲繩和32個卸扣(鋼絲繩不包含吊排系統(tǒng))，具體連接方式如圖10所示。

圖10 Ⅱ型船體分段索具連接圖Fig.10 Rigging connection diagram for type Ⅱ hull section

1.4.3 吊裝強度校核

經(jīng)過軟件計算，得出Ⅱ型船體分段最大應力為61.8 MPa,小于許用應力，結構強度滿足要求；最大變形量為26.9 mm，結構變形滿足要求。最大應力分布云圖如圖11所示，最大變形分布云圖如圖12所示。

圖11 最大應力分布云圖Fig.11 Cloud diagram of maximum stress distribution

圖12 最大變形分布云圖Fig.12 Cloud diagram of maximum deformation distribution

1.5 Ⅲ型船體分段吊裝設計

1.5.1 吊點布設

Ⅲ型船體分段外形尺寸較小，重量偏心嚴重，共需10個吊耳。耳布設方法為3組固定，即10個吊耳分成3組，2組4個吊耳，1組2個吊耳，吊耳布置圖如圖13所示[6]。

圖13 Ⅲ型船體分段吊耳布置圖Fig.13 Layout of lifting lugs for type Ⅲ hull section

1.5.2 吊索具布置

Ⅲ型船體分段吊裝需要2個吊排，不需要吊排系統(tǒng)的橫梁，吊排單獨裝配到履帶吊的鉤頭上，每個吊排連接一組4個吊點，剩下2個吊耳直接連接到750 t吊機掛鉤上，此外還需要6根鋼絲繩和10個卸扣(鋼絲繩不包含吊排系統(tǒng))，具體連接方式如圖14所示。

圖14 Ⅲ型船體分段索具連接圖Fig.14 Rigging connection diagram for type Ⅲ hull section

1.5.3 吊裝強度校核

經(jīng)過軟件計算，得出Ⅲ型船體分段最大應力為70.9 MPa,小于許用應力，結構強度滿足要求；最大變形量為49.9 mm，結構變形滿足要求。最大應力分布云圖如圖15所示，最大變形分布云圖如圖16所示。

圖15 最大應力分布云圖Fig.15 Cloud diagram of maximum stress distribution

圖16 最大變形分布云圖Fig.16 Cloud diagram of maximum deformation distribution

1.6 Ⅳ型船體分段吊裝設計

1.6.1 吊點布設

Ⅳ型船體分段外形尺寸較小，噸位較小，重量分布相對均勻，共需8個吊耳，分為2組，1組4個吊耳，2組上下平行排列，吊耳布置圖如圖17所示。

圖17 Ⅳ型船體分段吊耳布置圖Fig.17 Layout of lifting lugs for type Ⅳ hull section

圖18 Ⅳ型船體分段索具連接圖Fig.18 Rigging connection diagram for type Ⅳ hull section

1.6.2 吊索具布置

Ⅳ型船體分段吊裝需要2個吊排，將吊排系統(tǒng)中的吊排拆分單個吊排使用，單個400 t吊排可以裝配到履帶式吊車上，每個吊排連接4個吊耳，具體連接方式如圖18所示。

1.6.3 吊裝強度校核

經(jīng)過軟件計算，得出Ⅳ型船體分段最大應力為58.8 MPa,小于許用應力，結構強度滿足要求；最大變形量為29 mm，結構變形滿足要求。最大應力分布云圖如圖19所示，最大變形分布云圖如圖20所示。

圖19 最大應力分布云圖Fig.19 Cloud diagram of maximum stress distribution

圖20 最大變形分布云圖Fig.20 Cloud diagram of maximum deformation distribution

1.7 吊機能力校核

各履帶吊的最大鉤頭支反力、額定起重能力和利用率如表3所示，利用率均小于85%，吊機的能力滿足要求。

表3 履帶吊利用率表Tab.3 Utilization rate of crawler crane

2 吊裝作業(yè)

2.1 吊裝工藝流程

船體分段預制完成后，進入吊裝準備階段，這個階段包括準備吊機、準備吊索具、安裝吊點、安裝導向筋板和安全性分析等。等吊裝準備階段完成后，進行吊裝階段，這個階段包括試吊、切除臨時支墩、吊裝就位和摘扣撤車等，履帶吊吊裝大型船體分段工藝流程如圖21所示。

圖21 船體分段吊裝工藝流程圖Fig.21 Flowchart of hull section lifting process

2.2 準備吊排系統(tǒng)及吊索具

履帶吊需要搭配特制的吊排系統(tǒng)來實現(xiàn)船體分段的吊裝，吊排系統(tǒng)連接圖如圖22所示，實物如圖23所示。該吊排系統(tǒng)包含一個可調(diào)長度的800 t撐桿，撐桿兩端下部各連接2個400 t的吊排，吊排可以與撐桿保持平行，也可以通過轉接件使之與撐桿垂直，成工字形的狀態(tài)。吊排包含2個小平衡梁，每個平衡梁兩端各有1個定滑輪，每個定滑輪繞1根壓制鋼絲繩索具，用于連接船體分段的吊耳[7]。根據(jù)不同形式的船體分段吊裝要求，連接吊排系統(tǒng)及吊索具。