半潛式起重拆解平臺(tái)重吊作業(yè)可行性分析

顏長(zhǎng)青，布 臣，嚴(yán) 柳，陳伶翔

(招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226100)

本文基于2017年工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目——半潛式起重拆解平臺(tái)開發(fā)，此專項(xiàng)課題是以招商局重工(江蘇)有限公司為荷蘭某公司設(shè)計(jì)制造的半潛式起重拆解平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱平臺(tái))為基礎(chǔ)開展的。平臺(tái)主要針對(duì)海上老舊平臺(tái)拆解作業(yè)設(shè)計(jì)的，兼具進(jìn)行海上風(fēng)電等結(jié)構(gòu)物安裝作業(yè)功能，以及為海上油田提供居住服務(wù)的功能[1]。平臺(tái)型長(zhǎng)137.75 m，型寬81.00 m，主甲板高42.80 m；采用DP-3動(dòng)力定位系統(tǒng)；配有2座起重能力達(dá)2 200 t的全回轉(zhuǎn)吊機(jī)。圖1為半潛式起重拆解平臺(tái)外觀效果圖。

圖1 半潛式起重拆解平臺(tái)外觀效果圖

1 平臺(tái)極限重吊作業(yè)工況

平臺(tái)配備的吊機(jī)最大安全工作載荷為2 200 t，但是吊機(jī)的起重能力與起吊半徑以及作業(yè)海況密切相關(guān)。圖2為主吊機(jī)負(fù)載曲線圖。從圖2可知，吊機(jī)起吊半徑越大，安全工作載荷越低；吊機(jī)作業(yè)海況等級(jí)越高，吊機(jī)的安全工作載荷越低。

圖2 主吊機(jī)負(fù)載曲線圖

重吊作業(yè)除了吊機(jī)本身的限制外還受到平臺(tái)穩(wěn)性的限制，根據(jù)船級(jí)社規(guī)范要求，在重吊作業(yè)工況下應(yīng)綜合考慮平臺(tái)完整穩(wěn)性、破艙穩(wěn)性、以及重物脫鉤后的穩(wěn)性衡準(zhǔn)。最終得出不同起吊工況下的限制要求，見表1。

表1 不同起吊工況下的限制要求

對(duì)于單機(jī)作業(yè)，在吊機(jī)將負(fù)載吊起之后，還需要利用吊機(jī)將負(fù)載進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況，轉(zhuǎn)角在360°方向上均有可能。對(duì)于雙機(jī)聯(lián)吊作業(yè)，在2座吊機(jī)將負(fù)載完全吊起后，不可能實(shí)現(xiàn)360°的回轉(zhuǎn)操作，僅能將被吊貨物移動(dòng)至平臺(tái)甲板面上。在雙機(jī)聯(lián)合將被吊負(fù)載向平臺(tái)舷內(nèi)轉(zhuǎn)移的過程中，負(fù)載及吊機(jī)旋轉(zhuǎn)部分對(duì)平臺(tái)造成的向右舷的橫傾力矩是在逐漸減少的。這表明只要平臺(tái)壓載系統(tǒng)可以保證平臺(tái)以正浮狀態(tài)從舷外將負(fù)載吊起，負(fù)載向舷內(nèi)移動(dòng)導(dǎo)致平臺(tái)整體質(zhì)心的變化，完全可以通過平臺(tái)壓載系統(tǒng)進(jìn)行平衡。

根據(jù)上述作業(yè)限定條件以及實(shí)際作業(yè)特性，對(duì)單個(gè)吊機(jī)作業(yè)選擇22.1 m半徑(單個(gè)吊機(jī)起吊2 200 t的極限半徑)起吊最大負(fù)載2 200 t的工況進(jìn)行分析，同時(shí)考慮起吊后帶載旋轉(zhuǎn)的工況(單個(gè)吊機(jī)作業(yè)主要對(duì)艉吊機(jī)進(jìn)行分析)。對(duì)雙機(jī)聯(lián)吊作業(yè)，選擇23.1 m半徑(單個(gè)吊機(jī)起吊2 100 t的極限半徑)起吊最大負(fù)載4 200 t的工況進(jìn)行分析。

2 平臺(tái)壓載系統(tǒng)布置

平臺(tái)壓載系統(tǒng)由30個(gè)壓載艙(包括20個(gè)普通壓載艙，6個(gè)快速壓載艙，4個(gè)立柱壓載艙)以及相關(guān)管路系統(tǒng)、遙控閥門等組成[2]。平臺(tái)輔浮箱與主浮箱(左右兩舷)壓載環(huán)路相互獨(dú)立，左右舷各設(shè)有4臺(tái)壓載泵，所有壓載艙均通過壓載泵對(duì)壓艙內(nèi)進(jìn)行壓排載[3-4]。此外浮箱內(nèi)的6個(gè)快速壓載艙均設(shè)有一根通海管，直徑約1 m，與外板直通，打開閥門后，海水可以在重力作用下直接經(jīng)由通海管快速進(jìn)入壓載艙內(nèi)，實(shí)現(xiàn)快速壓載的功能。

4個(gè)立柱內(nèi)各設(shè)有1個(gè)立柱壓載艙，可通過重力實(shí)現(xiàn)快速壓載的功能。除此之外，立柱壓載艙還可以通過壓縮空氣實(shí)現(xiàn)快速排載功能。平臺(tái)艉部2個(gè)立柱內(nèi)共設(shè)有4臺(tái)空氣壓縮機(jī)，最大輸出壓力0.26 MPa。4臺(tái)空壓機(jī)共同組成一個(gè)環(huán)路，可以同時(shí)向4個(gè)立柱壓載艙或者對(duì)指定的立柱壓載艙充填壓縮空氣，對(duì)艙內(nèi)增壓。在立柱壓載艙完成加壓后，打開其排舷外閥門，艙內(nèi)壓載水可以在空氣壓力及自身重力的雙重作用下經(jīng)由通海閥門快速排出實(shí)現(xiàn)快速排載功能。

3 平臺(tái)重吊作業(yè)壓載配合

3.1 舷外起吊工況

舷外起吊初始狀態(tài)指的是吊臂已經(jīng)旋轉(zhuǎn)至被吊物的正上方，吊臂調(diào)整至設(shè)計(jì)仰角，平臺(tái)壓載調(diào)整到位，隨時(shí)可以開始起吊作業(yè)。起吊初始工況吃水應(yīng)略小于重物完全被吊起后的吃水。起吊之前平臺(tái)應(yīng)當(dāng)向被吊貨物相反方向傾斜，此傾斜角度應(yīng)在吊機(jī)允許的限度之內(nèi)。例如被吊貨物位于平臺(tái)右舷艉部，則平臺(tái)初始狀態(tài)應(yīng)當(dāng)左傾艏傾，這樣有利于起吊作業(yè)的平穩(wěn)開始[5]。舷外起吊結(jié)束工況指的是吊機(jī)將目標(biāo)載荷完全提起，同時(shí)平臺(tái)調(diào)整至正浮狀態(tài)?？紤]到起吊過程的快速性，吊機(jī)起吊過程中主要利用4個(gè)立柱壓載艙快速壓排載的功能調(diào)整平臺(tái)的浮態(tài)，壓載泵用于微調(diào)，確保平臺(tái)不會(huì)因吊機(jī)逐步加載而產(chǎn)生過大的傾斜角度。

在舷外起吊過程中，應(yīng)當(dāng)通過壓載系統(tǒng)確保平臺(tái)的傾角應(yīng)隨著吊機(jī)載荷的逐漸增加從初始傾角變?yōu)檎顟B(tài)，平臺(tái)的吃水也應(yīng)逐漸增加至最終的吃水狀態(tài)。整個(gè)過程中應(yīng)當(dāng)避免平臺(tái)傾角及吃水發(fā)生快速變化的情況，快速的傾角或吃水變化對(duì)于平臺(tái)本身結(jié)構(gòu)以及吊機(jī)都是不利的。吊機(jī)負(fù)載較大的情況下尤其需要注意避免上述情況。

除了起吊的首末2個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，中間壓載水調(diào)配過程也需要關(guān)注，為便于過程分析，簡(jiǎn)化計(jì)算流程，可以采取如下的計(jì)算方案。

首先依據(jù)重吊作業(yè)需求，配置出平臺(tái)完全吊起目標(biāo)載荷后的裝載狀態(tài)。然后在此基礎(chǔ)上通過調(diào)節(jié)立柱壓載艙內(nèi)的壓載量，配置出滿足要求的舷外起吊初始工況。對(duì)于吊機(jī)起吊的中間過程，可以默認(rèn)4個(gè)立柱壓載艙的壓載水量隨著吊機(jī)負(fù)載變化呈線性關(guān)系。經(jīng)過對(duì)大量起吊工況的分析計(jì)算，這樣的簡(jiǎn)化方式可以保證平臺(tái)的傾角以及平臺(tái)吃水可以隨著吊機(jī)負(fù)載穩(wěn)步變化，有效避免突變。

吊機(jī)舷外卸載工況可以視為吊機(jī)舷外起吊工況的逆向過程。舷外起吊的結(jié)束狀態(tài)即為舷外卸載的初始狀態(tài)，舷外起吊的初始狀態(tài)即為舷外卸載的結(jié)束狀態(tài)。對(duì)于舷內(nèi)起吊或者下放作業(yè)，即吊機(jī)旋轉(zhuǎn)到平臺(tái)甲板面上進(jìn)行起吊或者下放載荷。由于這2種作業(yè)工況下吊機(jī)負(fù)載對(duì)平臺(tái)并不會(huì)產(chǎn)生傾斜力矩，可以直接作業(yè)，無需壓載配合[6]。

3.2 單吊旋轉(zhuǎn)工況

在吊機(jī)帶著負(fù)載進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的過程中，仍舊需要保持平臺(tái)的傾角不超過吊機(jī)作業(yè)所允許的限定范圍，同時(shí)也要保證平臺(tái)的穩(wěn)性滿足各類穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求。重吊作業(yè)吃水在立柱區(qū)域，水線面較小，平臺(tái)對(duì)于各個(gè)方向的傾斜力矩都極為敏感。因此為保證平臺(tái)的浮態(tài)穩(wěn)定以及人員設(shè)備安全，在吊機(jī)旋轉(zhuǎn)作業(yè)過程中不宜采用快速壓排載的方式，而因依靠壓載泵進(jìn)行調(diào)整。

針對(duì)吊機(jī)旋轉(zhuǎn)作業(yè)，指定壓載艙組分別用于橫傾及縱傾的調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)縱傾的液艙僅調(diào)節(jié)縱傾，調(diào)節(jié)橫傾的液艙僅調(diào)節(jié)橫傾。這樣實(shí)際平臺(tái)作業(yè)時(shí)，作業(yè)邏輯更加清晰，避免發(fā)生混亂。

根據(jù)壓載平臺(tái)壓載艙的布置特點(diǎn)，考慮艏艉端，通過最少的調(diào)整量獲得最佳的調(diào)整效果，單吊旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)縱傾用壓載艙見圖3。平臺(tái)左舷：1#和4#壓載艙；平臺(tái)右舷：2#、3#、5#和6#壓載艙。單吊旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)橫傾用壓載艙見圖4，主要考慮對(duì)稱性，調(diào)節(jié)橫傾時(shí)不要產(chǎn)生額外的縱傾。平臺(tái)左舷：7#和9#壓載艙；平臺(tái)右舷：8#和10#壓載艙。

圖3 單吊旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)縱傾用壓載艙

圖4 單吊旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)橫傾用壓載艙

選定吊機(jī)在舷外將吊物全部吊起作為初始分析狀態(tài)，主要分析吊臂帶著負(fù)載從初始位置(0°)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°這3個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。在吊機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中，調(diào)節(jié)橫傾和縱傾的壓載艙相互獨(dú)立，故而吊機(jī)旋轉(zhuǎn)到任意位置時(shí)，平臺(tái)調(diào)平方案可以視為吊機(jī)旋轉(zhuǎn)到初始狀態(tài)(0°)、90°、180°、270°這4個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處壓載狀態(tài)的線性組合。即當(dāng)4個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)可以滿足要求，則可以確保整個(gè)旋轉(zhuǎn)中間狀態(tài)的平穩(wěn)過渡。

4 實(shí)際工況分析

4.1 分析工具

通過收集吊機(jī)供應(yīng)商提供的吊機(jī)各個(gè)部分的質(zhì)量質(zhì)心數(shù)據(jù)，平臺(tái)空船質(zhì)量質(zhì)心數(shù)據(jù)，平臺(tái)各個(gè)液艙的艙容、測(cè)深、靜水力等原始數(shù)據(jù)，匯入EXCEL電子表格中。采用EXCEL表格公式化語言對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，實(shí)現(xiàn)以下功能。

1)通過控制吊機(jī)仰角及轉(zhuǎn)角，獲得吊機(jī)不同姿態(tài)下相對(duì)平臺(tái)的質(zhì)心位置。

2)將負(fù)載的質(zhì)量質(zhì)心與吊機(jī)吊鉤的位置綁定，吊機(jī)姿態(tài)改變，負(fù)載質(zhì)心隨之變化。

3)通過控制液艙裝載率，計(jì)算出各個(gè)液艙的質(zhì)量質(zhì)心以及自由液面修正量等數(shù)據(jù)。

4)通過匯總計(jì)算各個(gè)分項(xiàng)包括吊機(jī)，負(fù)載，液艙等的質(zhì)量質(zhì)心，獲得整個(gè)平臺(tái)的質(zhì)量質(zhì)心。

5)通過整個(gè)平臺(tái)的質(zhì)量質(zhì)心參數(shù)，利用船舶靜力學(xué)原理計(jì)算平臺(tái)吃水，橫縱傾角等浮態(tài)參數(shù)。

在EXCEL電子表格中實(shí)現(xiàn)上述功能后，依據(jù)實(shí)際吊機(jī)作業(yè)特點(diǎn)，可以快捷的調(diào)整吊機(jī)姿態(tài)信息，并實(shí)時(shí)生成平臺(tái)浮態(tài)信息，從而輔助生成平臺(tái)壓載調(diào)配方案。

4.2 起吊工況分析

艉吊機(jī)起吊2 200 t工況如表2所示，根據(jù)裝載計(jì)算得出7#～10#壓載艙裝載率變化情況，平臺(tái)從初始起吊狀態(tài)左傾0.37°，艏傾0.40°逐漸回到正浮狀態(tài)。平臺(tái)平均吃水逐漸從21.03 m增加至22.00 m。

表2 艉吊機(jī)起吊2 200 t工況

雙機(jī)聯(lián)吊起吊4 200 t工況如表3所示，根據(jù)裝載計(jì)算得出7#～10#壓載艙裝載率變化情況。平臺(tái)從初始起吊狀態(tài)左傾0.4°，縱傾0°逐漸回到正浮狀態(tài)。平臺(tái)平均吃水逐漸從24.3 m增加至26.4 m。

表3 雙機(jī)聯(lián)吊起吊4 200 t工況

4.3 單機(jī)帶載旋轉(zhuǎn)工況分析

表4為艉吊機(jī)帶載2 200 t旋轉(zhuǎn)工況,由表4知1#～10#壓載艙裝載率變化情況。在吊機(jī)帶載旋轉(zhuǎn)過程中，通過調(diào)節(jié)壓載艙的裝載率，即可保證平臺(tái)吃水恒定、橫縱傾保持為0。其他中間狀態(tài)各壓載艙的裝載率為這4個(gè)節(jié)點(diǎn)裝載率的線性組合。

表4 艉吊機(jī)帶載2 200 t旋轉(zhuǎn)工況

5 結(jié)束語

本文根據(jù)平臺(tái)的實(shí)際艙室布置、吊機(jī)能力以及平臺(tái)本身對(duì)重吊作業(yè)的限定性條件，對(duì)該平臺(tái)重吊作業(yè)可行性進(jìn)行分析。依據(jù)壓載系統(tǒng)特性以及吊機(jī)不同作業(yè)狀態(tài)的特點(diǎn)，對(duì)吊機(jī)作業(yè)與壓載系統(tǒng)配合方案進(jìn)行定性分析，確定吊機(jī)在不同作業(yè)狀態(tài)下壓載系統(tǒng)的配合邏輯。最后通過對(duì)吊機(jī)作業(yè)過程中可能出現(xiàn)的極限工況進(jìn)行定量分析，通過嚴(yán)密的數(shù)學(xué)計(jì)算,驗(yàn)證了平臺(tái)配備的壓載系統(tǒng)可以滿足平臺(tái)吊機(jī)以下極限作業(yè)需求：?jiǎn)闻_(tái)吊機(jī)在22.1 m半徑起吊2 200 t，并帶載旋轉(zhuǎn)360°；23.1 m半徑雙機(jī)聯(lián)合起吊4 200 t。確保平臺(tái)在各種重吊作業(yè)工況下，可以通過自身的壓載系統(tǒng)調(diào)配壓載水，保證平臺(tái)在重吊作業(yè)過程中保持合理的浮態(tài)，避免出現(xiàn)過大的傾角[7]。