劉建峰，王彥多，張勝強

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

在海洋平臺安裝過程中，上部組塊吊裝作業(yè)是海洋工程施工中風險最大的環(huán)節(jié)之一。隨著我國海上油氣開發(fā)和海洋工程的日益發(fā)展，海洋平臺的數(shù)量不斷增加，單個海洋平臺上部組塊的吊裝重量也在不斷增大，如何保證上部組塊吊裝安全是海洋平臺設計中必須面對和解決的技術難題。

當上部組塊吊點所在的頂層甲板上設備較大較多時，如果將浮吊吊鉤上的吊繩直接連接到上部組塊吊點上，就會出現(xiàn)吊繩與設備相互干涉的情況，因此需要使用吊裝框架使吊繩避開設備，然后進行吊裝。在常規(guī)吊裝框架的設計中，吊裝框架吊點及上部組塊吊點均采用吊點板（Padeye）的形式，該類型的吊點通常與卡環(huán)和吊繩配套使用，以實現(xiàn)吊裝框架吊點與上部組塊吊點之間的軟連接，海上作業(yè)時需要先進行安裝卡環(huán)的掛扣作業(yè)，待上部組塊吊裝完成后再進行拆卸卡環(huán)的摘扣作業(yè)。對于小型上部組塊的吊裝作業(yè)，其單根吊繩力較小，所采用的卡環(huán)重量也較小，在海上進行人工裝卸卡環(huán)作業(yè)并不太困難；但對于大型上部組塊的吊裝作業(yè)，其單根吊繩力很大，所采用卡環(huán)的重量也很大，在海上以人工方式進行裝卸卡環(huán)作業(yè)不但施工困難而且風險大，還會大大增加施工船舶的施工天數(shù)。

本文針對常規(guī)吊裝框架應用于海洋平臺上部組塊吊裝的局限性，研究出一種新型的一體化吊裝框架，成功解決了因使用常規(guī)吊裝框架需在海上裝卸卡環(huán)而造成的施工困難、風險大等技術問題，不但省去了對上部組塊吊點板等的預制和安裝，而且將吊裝框架上的吊點由以往的吊點板（Padeye）形式優(yōu)化成了耳軸（Trunnion）形式，成功取消了卡環(huán)。該技術不但可以實現(xiàn)海上快速掛扣和摘扣作業(yè)，便于海上施工，而且可以降低施工風險，減少施工船天，為項目節(jié)省大量成本。

1 常規(guī)吊裝框架的局限性

1.1 常規(guī)吊裝框架的結構形式

常規(guī)吊裝框架的結構形式如圖1 所示，其主桿件和斜撐等多采用鋼管，結構尺寸大小一般與上部組塊吊點間距的尺寸一致。常規(guī)吊裝框架的吊點通常采用Padeye 的形式，吊裝框架下方吊點與上部組塊吊點之間采用吊繩連接，其上方吊點與浮吊吊鉤之間也采用吊繩連接，這樣基本保證常規(guī)吊裝框架下方吊點與上部組塊吊點之間的吊繩是豎直的，從而可以避免吊繩與大型設備相互干涉的情況。

圖1 常規(guī)吊裝框架結構示意

1.2 常規(guī)吊裝框架的局限性

常規(guī)吊裝框架的局限性主要表現(xiàn)在4個方面：

（1）使用常規(guī)吊裝框架時，其自身吊點和上部組塊吊點均為Padeye 形式，而Padeye 形式吊點需要與卡環(huán)配套使用，因此其吊裝能力受卡環(huán)規(guī)格限制。目前國內在海洋工程方面使用的最大卡環(huán)規(guī)格為1 250 t（相應吊裝能力12 500 kN），當單根最大吊繩力大于此數(shù)值時，則Padeye 形式吊點就不適用，所以常規(guī)吊裝框架只適用于上部組塊吊裝重量不是很大的情況（一般不超過3 500 kN）。

（2）常規(guī)吊裝框架需要的卡環(huán)和吊繩數(shù)量相對較多，通常情況下每次吊裝作業(yè)至少配12個卡環(huán)和8 根吊繩，而這些卡環(huán)和吊繩都需要從廠家采購，費用相對較高。以某品牌的1 250 t 卡環(huán)為例，每個卡環(huán)價格近30 萬元，一個上部組塊采用常規(guī)吊裝框架進行吊裝，共需要12個卡環(huán)，其費用近360 萬元。一根長10 m、直徑276 mm 的吊繩，費用近10 萬元，8 根吊繩近80 萬元。因此，這一組吊裝索具的總費用近440 萬元。

（3）對于大型上部組塊吊裝，當單根吊繩力為10 000 kN 時，與其配套的單個卡環(huán)的質量將達到2 t 左右。如此大的卡環(huán)在陸地進行人工裝卸都不容易實施（圖2 為工人安裝卡環(huán)時的情況），而海上施工環(huán)境復雜多變，不但耗時長、風險大，而且會增加施工船舶的船天數(shù)。如海上突遇惡劣天氣，因卡環(huán)的拆卸困難還會造成施工船舶無法及時解脫撤離。

圖2 工人安裝卡環(huán)

（4）在上部組塊運輸期間，需要單獨考慮常規(guī)吊裝框架和吊索具的擺放與運輸。一些項目的常規(guī)吊裝框架及其吊索具的尺寸和質量都比較大，無法直接放置在上部組塊的頂層甲板上進行運輸，需要額外提供運輸駁船甲板面積對它們進行擺放，這樣就會增加項目的運輸成本。

2 上部組塊一體化吊裝框架技術研究

2.1 一體化吊裝框架的結構形式及創(chuàng)新點

針對上述常規(guī)吊裝框架的局限性，經過對常規(guī)吊裝框架進行結構優(yōu)化和技術創(chuàng)新，研究出了一種新型的一體化吊裝框架。該一體化吊裝框架是在保留常規(guī)吊裝框架結構形式和尺寸不變的基礎上，將上部組塊吊點位置的立柱向上延伸出頂層甲板，通過這些延伸出來的立柱將常規(guī)吊裝框架與上部組塊連接在一起，實現(xiàn)吊裝框架與上部組塊的一體化，其結構示意如圖3 所示。

圖3 一體化吊裝框架結構示意

該一體化吊裝框架有以下幾點技術創(chuàng)新：

（1）通過延伸上來的立柱替代常規(guī)吊裝框架與上部組塊之間的吊繩，以實現(xiàn)吊裝框架與上部組塊間的剛性連接，不但可有效解決常規(guī)吊裝框架的運輸和存放問題，而且可以減少吊繩、吊點和卡環(huán)等的使用。

（2）針對常規(guī)吊裝框架與上部組塊間因柔性連接而抗偏心穩(wěn)定性差的問題，在該一體化吊裝框架的立柱之間增加了斜撐，從而避免上部組塊因重量偏心而對一體化吊裝框架產生的扭轉破壞。

（3）針對Padeye 吊點的局限性和所使用大型卡環(huán)費用較高的問題，將一體化吊裝框架的吊耳優(yōu)化成Trunnion 形式，這樣不但可以取消對卡環(huán)的使用，直接在一體化吊裝框架上掛吊繩，而且海上掛扣和摘扣都十分方便快捷。圖4 為某項目Trunnion 形式吊點的實物照片。

圖4 Trunnion 形式吊點實物照片

2.2 一體化吊裝框架結構強度校核

一體化吊裝框架的結構強度校核包括兩部分，一是延伸立柱及吊裝框架本身的強度校核，采用SACS 軟件進行整體強度分析；二是吊點結構的強度校核，采用ANSYS 軟件進行局部強度分析。

一體化吊裝框架的結構強度校核一般是將其與上部組塊結構放在一起進行整體吊裝分析，其強度校核標準采用API 規(guī)范[1]和AISC[2]規(guī)范。根據API規(guī)范，在開敞暴露海域進行的吊裝，設計吊點及吊點連接的主要傳力桿件時，應使用最小2.00 倍吊裝重量的動荷載系數(shù)，對于其他所有傳遞吊裝力的桿件，應使用最小1.35 倍的動荷載系數(shù)。吊裝框架屬于與吊點連接的主要傳力桿件，因此其強度校核應滿足2.00 倍的動荷載系數(shù)的要求。

考慮到實際吊裝工況與設計時重力控制統(tǒng)計的重心存在偏差，還應在吊裝分析中考慮±0.5 m 的重心偏差；另外，在考慮重心偏差的基礎上，所有吊繩與水平面的夾角α 都要不小于60°[3-4]。

以埕北油田設備設施整體升級改造項目新建上部組塊的一體化吊裝框架結構強度校核為例，圖5為其結構及吊繩示意，表1 為上部組塊整體吊裝分析所得最大吊繩力（包含2.00 倍動荷載系數(shù)）及吊繩角度，數(shù)據可供吊點結構強度校核使用。

圖5 吊繩編號及角度示意

表1 最大吊繩力及角度的計算結果

2.3 吊點結構強度校核

對于Trunnion 形式吊點的強度校核，一般采用ANSYS 有限元軟件進行局部強度分析，整個分析過程可分為建模、加載和結果3個部分。其中，在建模分析時計算單元選取8 節(jié)點6 自由度的Solid 45（高版本ANSYS 計算可選取Solid 185 單元代替），并在與吊點相連的桿件上取其直徑的3～5 倍長度處施加固支邊界條件。在加載時，吊點所受的荷載從表1 中提取，采用有限元線性靜力分析模塊進行計算。

在后處理中應查看吊點及相關區(qū)域Mises 應力，根據ABS 規(guī)范[5]，計算結果中的最大應力應小于0.9倍屈服強度。計算結果的應力云圖如圖6 所示，強度滿足規(guī)范要求。

圖6 吊點校核的應力云圖/MPa

2.4 吊裝完成后處理

上部組塊吊裝完成后，一體化吊裝框架可以根據實際工程需要選擇保留或拆除。如果一體化吊裝框架不影響平臺安全通道及設備正常運行和維修，并且滿足平臺結構強度及樁基承載力的要求，則在吊裝完成后可以保留；如果一體化吊裝框架影響平臺安全通道或設備正常運行和維修，則需要對其進行拆除。一體化吊裝框架的拆除工作比較簡單，由于該框架與上部組塊之間只有立柱連接，當上部組塊吊裝完成后，在頂層甲板位置對立柱進行切割，然后將框架整體移除即可。

3 上部組塊一體化吊裝框架技術應用

上部組塊一體化吊裝框架技術已在埕北油田設備設施整體升級改造項目得到了成功應用，與常規(guī)吊裝框架技術比較，采用上部組塊一體化吊裝技術后，共節(jié)省吊繩4 根、卡環(huán)12個，浮吊船海上掛扣和摘扣作業(yè)減少了2個船天數(shù)，大大降低了項目成本。根據現(xiàn)場反饋，上部組塊一體化吊裝框架技術的應用效果良好，創(chuàng)造了藍鯨號浮吊船海上安裝組塊用時最短的新紀錄。

4 結束語

上部組塊一體化吊裝框架技術的成功開發(fā)，解決了常規(guī)吊裝框架需要海上進行掛扣和摘扣的技術難題，為今后大型上部組塊吊裝設計提供了新思路。該技術在埕北油田設備設施整體升級改造項目中的成功應用，可為今后類似項目提供參考。