ZhouJoe黃凱DattaIndra

(1. 招商局集團海洋工程技術中心， 江蘇 南通 226116；2. OOS International B.V., Serooskerke, Zeeland 4353ZG， Netherland)

0 引 言

據統(tǒng)計全球有超過7 000個海工平臺，其中約1 000個4 000 t以上的老舊平臺需拆解，預計至2040年歐洲北海海上平臺拆解的市場規(guī)模將達520億歐元。全球海上重型起重設備一直處于供不應求的狀態(tài)，目前運營的半潛式起重平臺(Semi-Submersible Crane Vessel, SSCV)大部分建造于20世紀90年代前并且數量稀少，其各自的工作計劃已經很飽滿，甚至超負荷運行。全球重要的海工運營方和供應商正瞄準老舊平臺拆解市場并積極制訂大型起重設備的制造計劃。國內外企業(yè)和院校對起重平臺吊裝作業(yè)進行了一系列研究：何強[1]和魏國[2]以南海荔灣3-1氣田Spar平臺為研究對象，分別對Spar平臺上部模塊在起吊就位過程中與起重船的耦合運動響應和就位對接碰撞過程進行分析研究；RAJASEKARAN等[3]運用假設最小力矩和最大固有頻率的方法研究上部模塊的最佳吊裝點的位置，通過與實際安裝結果的比較得出在兩種假設條件下吊點設置的影響；COZIJN等[4]和XU[5]開展與海上安裝相關的模型試驗和數值模擬；ACERD[6]對海上風機安裝作業(yè)的限制條件進行評估。本文針對新型SSCV的功能要求，設計適合此類小水線面平臺的起吊過程，并構建優(yōu)化程序確定雙吊聯(lián)動的具體方案，以將不同吊物轉移至甲板指定位置。

1 新型SSCV介紹及吊裝影響因素

受操作空間的限制，傳統(tǒng)SSCV[7]只能進行雙吊聯(lián)合起吊，無法實現雙吊聯(lián)合回轉，吊裝作業(yè)需依靠運輸駁船的輔助來完成，這會造成平臺使用效率下降和成本上升等問題。傳統(tǒng)起重平臺及其吊裝方式如圖 1所示。

圖1 傳統(tǒng)起重平臺和吊裝方式

新型SSCV配備2臺起重能力達12 500 t的桅式全回轉重吊，如圖 2所示。該新型平臺除具有較高的起吊能力外，其吊機布置于船體一側使得吊間距超過110 m，平臺甲板預留了充足空間用于大型貨物的調整和就位，雙吊聯(lián)合起吊和回轉作業(yè)可將重達2萬t的超大貨物轉移到平臺甲板指定承載區(qū)域，從而形成老舊平臺拆解、起吊和運輸的一條龍服務。新型SSCV吊裝影響因素[8]主要包括以下幾點：

(1) 吊機載荷特征。吊機主要技術參數包括起吊重量、提升高度、作業(yè)跨度和組塊運行速度等，通常使用載荷特征曲線來獲得吊機的起重荷重隨著作業(yè)半徑和提升高度變化的規(guī)律。吊機在溫和海況下的特征曲線如圖 3所示，海上吊裝時其主鉤吊繩傾角不大于3°(靜傾角與動傾角之和)。

圖2 新型SSCV采用側向雙吊

圖3 吊機載荷特征曲線

(2) 浮體穩(wěn)性[9]。起吊作業(yè)需校核不同工況下的完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性，計算時將吊物置于吊鉤懸掛點并將甲板負荷加載到最不利位置上。因吊機配備反向壓載系統(tǒng)，還需考慮吊物突然跌落對穩(wěn)性的影響。

(3) 壓載水調整。2萬t荷重對平臺浮態(tài)影響較大，為減小海上吊裝作業(yè)時吊繩傾角和不平衡力，在聯(lián)合起吊和回轉過程中需不斷調整壓載水以保證浮體始終處于或接近正浮狀態(tài)。

(4) 主機功率。吊裝作業(yè)時的平臺功率消耗主要來自于動力定位[9]、吊機運轉、壓載水調整，以及其他設備及生活設備用電。

(5) 不同結構物間距。大型結構物聯(lián)合回轉作業(yè)尤其應注意避免結構物之間碰撞與干涉[5-6]，典型的碰撞位置包括兩吊臂之間、吊物與吊機以及吊物與甲板建筑物之間等。為保障作業(yè)安全，一般依據作業(yè)周期、吊裝流程和海況條件設定間隙要求。對于荷重大于1 000 t或超過浮體排水量2%的海上重吊作業(yè)[10]，吊物提升后需迅速脫離支撐結構以避免浮體之間相對運動引起的碰撞，其脫離速度要求達到0.05 m/s。

2 雙吊聯(lián)合起吊流程

新型SSCV主尺度決定了其動力定位的功率消耗較高，聯(lián)合吊裝2萬t重物進一步加劇了電力負荷，因此盡管其配備了12臺超過7 MW的發(fā)電機，重物起吊時的最小脫離速度仍無法滿足要求。為解決這一問題，對平臺布置和起吊流程進行改進，在甲板盒內設置快速壓載艙并將起吊過程分為以下步驟：

圖4 快速壓載艙的布置和操作

(1) 在A、B和C等3個甲板艙內預先注入指定體積的壓載水。

(2) 緩慢收緊吊繩使吊點受力接近2萬t荷重的80%，同時微調浮筒內壓載水使浮體達到正浮狀態(tài)。

(3) 保持吊繩長度不變，向艙內加壓快速排出A、B和C艙內的壓載水并往D艙注入壓載水，平臺吃水在1 min內減小4.0 m，吃水的改變使吊機承受剩余20%的荷重，并使吊物脫離支撐結構的相對速度達0.05 m/s。

(4) 在吊物到達安全高度后，繼續(xù)緩慢回收吊繩將吊物提升到指定高度。

快速壓載艙的布置和操作如圖4所示。

3 雙吊聯(lián)合回轉流程

常規(guī)起重平臺的海上吊裝作業(yè)需要運輸駁船輔助完成，其吊裝過程相對簡單，主要考察吊機載荷特征以及平臺在極限工況下的穩(wěn)性、壓載水容量和電力消耗等。新型SSCV吊裝貨物的質量和尺寸更大，海上吊裝的最大挑戰(zhàn)來自于將大型貨物轉移到平臺甲板的雙吊聯(lián)合回轉過程，在該過程中兩吊機需相互配合、聯(lián)動作業(yè)，此外吊機和貨物運動的限制條件多、控制參數隨時間不斷變化，工程人員很難針對不同貨物給出合理的操作方案，因此需開發(fā)相應計算程序來確定吊臂的初始提升角、初始旋轉角、具體回轉過程等，以輔助建立完善的雙吊聯(lián)動作業(yè)流程。

雙吊聯(lián)合回轉過程的優(yōu)化程序在Matlab[11]中構建，其優(yōu)化目標為減小吊機旋轉的角度范圍以降低平臺功率消耗，約束條件包括：(1)起重平臺與貨物承載平臺的間距大于10 m；(2)初始條件下兩吊機對稱于平臺中橫剖面；(3)吊臂提升角度滿足起吊荷重要求；(4)吊繩靜傾角始終小于1°；(5)不同結構物間距始終大于3.0 m；(6)貨物最終就位于甲板指定承載區(qū)域內并且方向與平臺主方向保持一致。下文簡述約束條件4和5的控制方程。

如圖 5所示：起吊作業(yè)完成后吊繩長度為s；首尾吊機的主鉤位置分別為J(Jx,Jy,Jz)和K(Kx,Ky,Kz)，間距為d；吊臂底部鉸接點分別為A(Ax,Ay,Az)和P(Px,Py,Pz)；吊點分別為T1和T2，間距為l；輔吊臂的連接點分別為B(Bx,By,Bz)和Q(Qx,Qy,Qz)；吊臂回轉角分別為α和β，提升角均為φ。為保證靜態(tài)條件下吊繩傾角不大于1.0°，若首吊回轉角α已定，則尾吊回轉角β的范圍為

(1)

式中：

(2)

d≤l±2s·sin(1.0°)

(3)

假設主吊臂長度|AB|=|PQ|=R，主吊臂鉸接點至旋轉軸的水平距離|AO'|=|PO''|=r，以A、B、P和Q等4點為例，利用空間坐標轉換關系可確定各點矢徑以及矢量AB和PQ，如式(4)～式(11)所示。假設M(Mx,My,Mz)為線段AB上任意一點，N(Nx,Ny,Nz)為線段PQ上任意一點，根據空間距離公式的偏導數可求得M與N兩點間距的最小值，即主吊臂軸的最小間距，具體公式不在本文列出。同樣地，吊臂、基座、吊物和甲板結構物等均可使用多點或多線段模擬，采用相同方法可求得不同結構物之間的最小距離，其都在優(yōu)化程序中被限定。

OA={Ax,Ay,Az}=OO′+R1′×ηα

(4)

OB={Bx,By,Bz}=OO′+[(R2′-R1′)×ηφ+R1′]×ηα

(5)

OP={Px,Py,Pz}=O″O+R1″×ηβ

(6)

OQ={Qx,Qy,Qz}=OO″+[(R2″-R1″)×ηφ+R1″]×ηβ

(7)

AB=(R2′-R1′ )×ηφ×ηα

(8)

PQ=(R2″-R1″ )×ηφ×ηβ

(9)

圖5 平臺吊機示例

式(4)～式(9)中：ηα和ηβ為吊臂繞y軸旋轉α和β的旋轉矩陣；ηφ為吊臂繞z軸旋轉φ的旋轉矩陣；R1″=O″O+{r,0,0}；R2″=O″O+{R+r,0,0}。

4 雙吊聯(lián)合回轉案例分析

選取某Spar平臺上部模塊為研究對象，為減小外輪廓尺寸除了拆除火炬塔、救生艇和吊機等大型設備外還應盡可能多地切割次要構件。預處理后剩余部分位于模塊強梁上，其長寬高分別為70.0 m、67.0 m和38.8 m，兩個吊點之間的距離為41.7 m，質量為16 000 t。

利用優(yōu)化程序對該上部模塊的雙吊聯(lián)合回轉過程進行求解，得到吊臂的初始提升角為69.5°，既滿足該荷重下的角度要求，又保證了初始條件下兩吊機不發(fā)生干涉。兩吊機旋轉過程如圖 6所示。吊物三自由度運動如圖 7所示，吊物往平臺一側移動了98.0 m，最終位置距離甲板中線為3.8 m，并且方向與平臺縱向保持一致。

為進一步驗證優(yōu)化方案的合理性，應用OrcaFlex軟件對兩吊機旋轉過程進行時域模擬，以獲得整個回轉過程的具體參數和直觀視圖。模擬結果表明在優(yōu)化回轉過程中吊繩最大靜傾角為0.6°，各結構物最小間距為2.3 m，均滿足優(yōu)化程序給定的約束條件。圖 8給出了吊機關鍵節(jié)點的視圖：(1)兩吊機朝相反方向旋轉從而使上部模塊在空中旋轉并且窄邊靠近平臺；(2)吊物與尾吊間距最小，兩吊機同時向左舷旋轉，吊物逐漸進入平臺甲板上方；(3)上部模塊旋轉90°后位于兩吊正中間；(4)吊物與首吊間距最小，兩吊機繼續(xù)向左舷旋轉；(5)首吊開始逆時針旋轉，吊物與平臺駕駛室的距離最??；(6)吊物接近甲板中心并且方向角與平臺保持一致。從動態(tài)模擬視圖也可看出結構物之間不會發(fā)生碰撞。

圖6 吊機旋轉 圖7 吊物運動

圖8 聯(lián)合起吊作業(yè)

5 結 論

根據新型SSCV自身限制條件設計了使用快速壓載艙的起吊流程，該流程同樣適用于其他小水線面起重平臺。鑒于雙吊聯(lián)合回轉的復雜性，構建了用于確定吊臂初始提升角、初始旋轉角以及雙吊旋轉過程的數學模型和優(yōu)化算法。對某Spar上部模塊吊裝的優(yōu)化計算和時域模擬結果表明該方法具有較高的可靠性，也可為其他平臺的雙吊聯(lián)合回轉作業(yè)提供指導。目前的優(yōu)化程序假定兩吊機提升角相同且保持不變，以后將引入提升角的調整來進一步減小結構物間距。