馮英磊， 宮 晨， 連 鑫， 尚繼飛， 劉凌云

(海洋石油工程(青島)有限公司，青島 266520)

0 引 言

隨著海洋石油開發(fā)向深海的不斷進(jìn)軍，傳統(tǒng)的固定式平臺(tái)難以勝任深海作業(yè)需求，半潛式平臺(tái)將成為未來(lái)深水油氣開采的重要工具，其建造數(shù)量也將越來(lái)越多，部分半潛式平臺(tái)船體將會(huì)在滑道建造并使用履帶吊總裝集成。半潛式平臺(tái)船體結(jié)構(gòu)一般由立柱、節(jié)點(diǎn)和浮筒三部分組成，如圖1所示，總段為環(huán)形板殼結(jié)構(gòu)，履帶吊的吊裝集成將成為一個(gè)建造難點(diǎn)。

圖1 半潛式平臺(tái)船體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of hull structure of semi-submersible platform

1 吊排系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景

對(duì)于半潛式平臺(tái)船體，國(guó)內(nèi)外船廠大都采用塢內(nèi)或滑道建造并使用龍門吊搭載的方式集成，龍門吊吊裝集成船體總段是目前較為成熟的作業(yè)方式。但陵水17-2半潛式平臺(tái)船體因場(chǎng)地限制，無(wú)法使用龍門吊，須使用兩臺(tái)1 600 t履帶吊吊裝[1]集成。相較于龍門吊，履帶吊吊裝船體總段有諸多限制，尤其在吊索具的選擇方面有一定的困難。考慮到吊機(jī)起重能力以及項(xiàng)目工期，將船體總段的噸位劃分地較大，總段重量大多控制在500～1 100 t之間。履帶吊鉤頭為“山”字鉤，按照履帶吊的傳統(tǒng)索具連接方式，每個(gè)鉤頭下方最多可連接4根鋼絲繩，如圖2所示，因此吊裝過(guò)程中單個(gè)吊點(diǎn)受力將達(dá)到150 t，并且水平方向有較大分力。船體總段的艙壁板及外板厚度一般不超過(guò)25 mm，艙壁板之間幾乎沒有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，如使用該種傳統(tǒng)吊裝索具，船體結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大變形甚至破壞，吊裝風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖2 履帶吊傳統(tǒng)吊裝索具示意圖Fig.2 Schematic diagram of traditional lifting method of crawler crane

對(duì)陵水17-2項(xiàng)目某船體總段的傳統(tǒng)吊裝進(jìn)行了受力分析，使用ANSYS軟件建模，模型選取單元類型為SHELL63，密度設(shè)置為7 850 kg/m3，泊松比為0.3，楊氏模量為2.06×1011，船體結(jié)構(gòu)鋼材的屈服極限為355 MPa，許用應(yīng)力為355 MPa×0.66=234.3 MPa。

建立模型后對(duì)船體下端進(jìn)行全約束，在吊點(diǎn)位置的節(jié)點(diǎn)上施加150 t豎直向上載荷，按照吊點(diǎn)受到30°斜拉考慮，水平方向施加86.6 t橫向載荷，有限元計(jì)算結(jié)果如圖3所示。可見此時(shí)船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力較為集中，最大應(yīng)力值達(dá)到1 886.74 MPa，遠(yuǎn)大于材料的許用應(yīng)力。

圖3 傳統(tǒng)吊裝受力云圖Fig.3 Force analysis of traditional lifting

為均勻分散吊裝受力，使船體艙壁及外板僅受到豎直方向上的拉力，確保船體結(jié)構(gòu)不被破壞，采用履帶吊鉤頭連接一種新型吊排系統(tǒng)[2]的方式進(jìn)行吊裝[3]，如圖4所示。采用吊排系統(tǒng)后，因吊排中設(shè)有滑輪及平衡梁，保證了每個(gè)吊點(diǎn)受力相同，同時(shí)吊點(diǎn)也可以均勻布置在一條直線上，避免了吊點(diǎn)面外力的出現(xiàn)。每個(gè)鉤頭下方可均勻布置至少8個(gè)吊點(diǎn)，吊點(diǎn)最大受力為75 t，有效減少了船體結(jié)構(gòu)及鋼絲繩索具的受力。

圖4 履帶吊配合吊排系統(tǒng)吊裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of lifting by lifting row system

同樣應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)該船體總段采用吊排系統(tǒng)吊裝進(jìn)行受力分析，建立模型后對(duì)船體下端進(jìn)行全約束，在吊點(diǎn)位置的節(jié)點(diǎn)上施加75 t豎直向上載荷，有限元計(jì)算結(jié)果如圖5所示?？梢姶藭r(shí)船體結(jié)構(gòu)受力較為均勻，最大應(yīng)力值只有68.79 MPa，小于材料許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)安全。

圖5 應(yīng)用吊排系統(tǒng)吊裝受力云圖Fig.5 Force analysis of lifting by lifting row system

2 吊排系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

與龍門吊不同，履帶吊基本沒有配套的吊排系統(tǒng)，本項(xiàng)目中所設(shè)計(jì)的新型吊排系統(tǒng)可與1 600 t履帶吊配合使用，同時(shí)根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)設(shè)計(jì)了不同的作業(yè)工況[4]。該吊排系統(tǒng)主要由2個(gè)400 t吊排、1個(gè)800 t橫梁撐桿、2個(gè)500 t特制扁平卸扣、2根高性能無(wú)接頭繩圈以及銷軸等配件構(gòu)成，橫梁撐桿兩端設(shè)有吊耳，通過(guò)無(wú)接頭繩圈將其與履帶吊鉤頭連接。主要構(gòu)成如圖6所示。設(shè)計(jì)安全載荷為800 t。使用2臺(tái)1 600 t履帶吊配合2套吊排系統(tǒng)即可完成陵水17-2半潛式平臺(tái)船體立柱最大總段的吊裝[5]。

圖6 吊排系統(tǒng)主要構(gòu)成部分Fig.6 Main components of lifting row system

3 吊排系統(tǒng)的使用方法

3.1 拆分

該吊排系統(tǒng)可以方便地拆分為單個(gè)吊排使用，銷軸配穿軸器，通過(guò)人工旋轉(zhuǎn)可以快速地穿軸、拔軸，在不使用外部機(jī)械輔助的情況下，實(shí)現(xiàn)吊排的快速拆卸。拆分為單個(gè)吊排后，通過(guò)銷軸直接將其與履帶吊鉤頭下方的吊裝孔連接，此種吊裝方式適用于陵水17-2半潛式平臺(tái)船體立柱上端較小總段[6]，如圖7所示。

圖7 拆分為單個(gè)吊排Fig.7 Spliting into a single lifting row

3.2 轉(zhuǎn)向

800 t橫梁撐桿下方可增加一個(gè)轉(zhuǎn)向連接件，實(shí)現(xiàn)吊排90°旋轉(zhuǎn)，并且橫梁撐桿上設(shè)有調(diào)節(jié)吊排間距的螺栓孔，使吊排間距與總段艙壁板間距匹配，避免出現(xiàn)大角度斜拉的情況。橫梁撐桿上的螺栓孔間距為1 800 mm和1 200 mm，因此吊排間距可以調(diào)整為7 500 mm、 8 700 mm和10 500 mm三種，如圖8所示。此種吊裝方式適用于陵水17-2半潛式平臺(tái)船體立柱有開口的總段。

圖8 吊排旋轉(zhuǎn)90°及撐桿長(zhǎng)度調(diào)節(jié)Fig.8 Rotation of lifting row at 90° and adjustment of spreader bar length

4 吊排系統(tǒng)應(yīng)用效果

吊排系統(tǒng)組裝完成后，對(duì)其各項(xiàng)設(shè)計(jì)性能進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，隨后應(yīng)用于陵水17-2半潛式平臺(tái)船體總段的吊裝。

4.1 常規(guī)用法實(shí)際應(yīng)用

陵水17-2半潛式平臺(tái)船體立柱的C4總段重量約為764 t，最大外形尺寸為21 m×21 m×8.5 m。采用2臺(tái)履帶吊配合2套吊排系統(tǒng)進(jìn)行吊裝，吊排平行于撐桿方向，共設(shè)置16個(gè)吊點(diǎn)，如圖9所示。因吊點(diǎn)僅受豎直方向拉力，船體結(jié)構(gòu)無(wú)須加強(qiáng)。

圖9 常規(guī)用法實(shí)際應(yīng)用Fig.9 Lifting operation of general application

4.2 吊排拆分實(shí)際應(yīng)用

陵水17-2半潛式平臺(tái)船體立柱的C7總段重量約為550 t，最大外形尺寸為21 m×11 m×13.9 m。該總段寬度小、重量輕，吊排系統(tǒng)的常規(guī)用法不適用于該總段。通過(guò)將其拆分為單個(gè)吊排后與履帶吊鉤頭配合，實(shí)現(xiàn)了該總段的吊裝集成，如圖10所示。

圖10 吊排拆分實(shí)際應(yīng)用Fig.10 Practical application after lifting row disassembled

4.3 吊排旋轉(zhuǎn)實(shí)際應(yīng)用

陵水17-2半潛式平臺(tái)船體立柱的C1總段重量約為761 t，最大外形尺寸為21 m×9 m×16.2 m。該總段有一面開口，須將吊排旋轉(zhuǎn)90°吊裝。同時(shí)因艙壁板間距不一致，吊排系統(tǒng)的撐桿長(zhǎng)度也根據(jù)艙壁板間距進(jìn)行了調(diào)節(jié)，避免了吊點(diǎn)斜拉，如圖11所示。

圖11 吊排旋轉(zhuǎn)實(shí)際應(yīng)用Fig.11 Practical application after lifting row rotated

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以陵水17-2項(xiàng)目為依托，介紹了一種應(yīng)用于半潛式平臺(tái)船體總段吊裝的新型吊排系統(tǒng)。吊排系統(tǒng)通常為龍門吊的常用配套索具，但幾乎沒有一種吊排系統(tǒng)可配套應(yīng)用于履帶吊，本文所述的新型吊排系統(tǒng)根據(jù)履帶吊及陵水17-2項(xiàng)目特點(diǎn)設(shè)計(jì)。相較于履帶吊的傳統(tǒng)吊裝方式，使用該吊排系統(tǒng)能夠有效降低船體結(jié)構(gòu)受力，避免應(yīng)力集中的情況發(fā)生。吊排系統(tǒng)結(jié)構(gòu)新穎，工況可調(diào)，可拆分或轉(zhuǎn)向以及調(diào)整吊排間距，理論上可以完成陵水17-2半潛式平臺(tái)船體的不同類型總段吊裝。經(jīng)過(guò)實(shí)際吊裝驗(yàn)證，應(yīng)用效果與理論設(shè)計(jì)相吻合。為今后同樣采用履帶吊吊裝集成的大型半潛式平臺(tái)船體的吊索具設(shè)計(jì)提供參考。