海洋折臂吊在超深水海洋鉆井平臺上的應用與研究

郭學峰

（中遠船務工程集團有限公司技術中心 大連116600）

海洋折臂吊在超深水海洋鉆井平臺上的應用與研究

郭學峰

（中遠船務工程集團有限公司技術中心 大連116600）

根據(jù)美國API Spec 2C標準和DNV近海起重設備入級規(guī)范，結合實例對海洋折臂吊的設計基礎、系統(tǒng)組成、主要設備參數(shù)、設備布置、基座強度校核等有關問題進行詳細闡述，希望能為設計人員進行類似布置設計提供借鑒，也能給國內吊機的生產廠家提供一些參考，從而促進超深水海洋鉆井平臺上海洋折臂吊的制造與應用，使其更能適應國內海洋工程的發(fā)展新形勢。

海洋折臂吊；設計基礎；系統(tǒng)組成；海洋平臺上的布置；基座強度

引 言

超深水作業(yè)海洋折臂吊是近幾年逐漸發(fā)展成熟起來的，其在普通船用起貨吊機和臂架式海洋鉆井平臺吊機不能滿足浮式超深水鉆井平臺獨特的鉆井作業(yè)需求條件下產生。目前在超深水（作業(yè)水深大于1 500 m）的浮式海洋鉆井平臺上被普遍采用，其功能不再僅局限于傳統(tǒng)意義上在甲板和岸邊使用的船用起貨吊機，以及在淺海開敞水域海洋平臺上使用的臂架式海洋鉆井平臺吊機（滿足CCS《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》近海作業(yè)要求）。

超深水作業(yè)海洋折臂吊通常是雙折臂吊，安全工作載荷為50～600 t，采用電-液驅動方式，變幅系統(tǒng)由兩個液壓油缸進行操作，具有操作靈活、功能全面、大工作半徑、起吊工作載荷大、吊臂存放占用空間少、作業(yè)效率高的特點，其外形圖見下頁圖1。

超深水作業(yè)海洋折臂吊具備如下主要功能：

（1）水下設備ROV、水下管線鋪設等安裝、起吊作業(yè)；

圖1 典型海洋折臂吊外形圖

（2）開敞海域船對船海上輸送設備、材料等起吊作業(yè)；

（3）海上浮態(tài)下開敞海域的起吊操作（如：推進器的安裝及維修、作業(yè)海域內的甲板面設備起吊作業(yè)）；

（4）屏蔽海區(qū)港口及碼頭起吊作業(yè)；

（5）作業(yè)人員上下平臺人員吊運作業(yè)；

（6）鉆井過程中隔水套管起吊作業(yè)；

（7）鉆井過程中鉆桿起吊作業(yè)。

相比之下，船用起貨吊機僅有上述（2）、（4）的作業(yè)能力，而臂架式海洋鉆井平臺吊機無法滿足上述（1）、（6）、（7）的作業(yè)能力。

據(jù)了解，國內廠家還無法設計和制造超深水作業(yè)海洋折臂吊機，目前僅歐、美、日等極少數(shù)西方發(fā)達國家能夠設計和制造該類產品，擁有自主知識產權并壟斷了國際市場。國內制造的浮式超深水鉆井平臺上使用的海洋折臂吊主要依賴進口，同時海洋折臂吊的布置、基座加強設計也主要由國外設計公司完成。

下面結合設計實例及美國API Spec 2C標準和DNV近海起重設備入級規(guī)范，分別對海洋折臂吊的設計基礎、系統(tǒng)組成、主要設備參數(shù)、布置、基座強度等進行詳細地闡述，希望能夠為國內進行類似布置設計及吊機廠家提供參考，以早日實現(xiàn)超深水鉆井設備的國產化。

1 超深水作業(yè)海洋折臂吊的設計基礎

海洋折臂吊的設計、制造、試驗和檢驗除需要滿足美國API Spec 2C標準［1］外，還要滿足入級DNV近海起重設備入級規(guī)范［2］以及由其引申出來的規(guī)范或者規(guī)則的要求。海洋折臂吊與船用起貨吊機功能不同，滿足的標準或規(guī)范也不同，見表1。

表1 海洋折臂吊與船用起貨吊機滿足的標準或規(guī)范區(qū)別

海洋折臂吊主要技術參數(shù)：

（1）最大、最小工作半徑及安全工作載荷；

（2）最小提升速度；

（3）最小旋轉速度；

（4）起升高度；

（5）最低設計溫度-20℃；

（6）波浪補償參數(shù)；

海洋折臂吊根據(jù)工作使用頻率及載荷大小將其進行組群級別劃分，根據(jù)該劃分的組別等級作為折臂吊的設計基礎，見表2［3］。

表2 海洋平臺折臂的組群等級劃分

2 超深水作業(yè)海洋折臂吊的組成

海洋折臂吊由吊機基座、回轉裝置、主/應急油泵及HPU、吊臂變幅油缸、起升/折臂吊臂、主/輔提升卷筒、主動補償系統(tǒng)、防碰撞智能區(qū)域控制系統(tǒng)、橋樓中央集控系統(tǒng)、緊急控制釋放系統(tǒng)等組成。海洋折臂吊由主船體動力系統(tǒng)提供電力，參見圖2。

圖2 海洋折臂吊外形圖

海洋折臂吊的控制室是吊機自身的控制中樞，所有控制功能都可以由滿足人機工程設計的單人操作椅完成?？刂剖覟楠毩⒖傻跹b的模塊， 采用減震器將其安裝在吊機上，控制室配有手動門、全景側窗及地窗， 并帶有雨刮器及高壓水洗系統(tǒng)， 配有獨立的通風及空調系統(tǒng)。恒張力系統(tǒng)、主動波浪補償則可以根據(jù)負載的大小通過調節(jié)液壓絞車上的溢流閥溢流壓力來設定。

系統(tǒng)設備除了將應急停機作為系統(tǒng)保護的一種措施外，還有如下配置：吊機配備可隨吊機移動而啟動工作的聲光報警系統(tǒng)，不僅吊機控制室內的應急按鈕能控制吊機，吊機的就地應急按鈕也能夠控制吊機。上述的應急停機同樣遵循司鉆房的應急停機原則［4］。

防碰撞智能區(qū)域控制系統(tǒng)使用在多個吊機同時作業(yè)的工況下，以防止發(fā)生相互碰撞的安全事故。該功能對于鉆機機械和吊機在操作過程中尤為重要。

海洋折臂吊有正常操作和應急直接操作兩種工作模式， 兩種模式由轉換開關實現(xiàn)。在正常操作模式下， 所有的動作由相應的手柄和按鈕實現(xiàn)；在應急直接操作模式下，操作者可以通過手柄單獨控制某個動作，此種模式適用于傳感器失效、吊具失靈等應急工況。

3 超深水作業(yè)海洋折臂吊主要參數(shù)

3.1 提升卷筒系統(tǒng)

提升卷筒主要由滾筒、提升鋼絲繩、吊鉤滑輪組組成，配置有恒張力裝置、負荷探測閥、系統(tǒng)壓力截斷閥，恒張力裝置在限定的工作壓力下控制泵的排量，實際的驅動功率不會超過；負荷探測閥可以依照負載的壓力去調劑泵的排量。

恒張力裝置主要使用在海上浮態(tài)作業(yè)，海面波浪起伏作用下起吊操作鋼絲繩時而松懈時而緊繃，由兩個驅動裝置即主驅動裝置和恒張力裝置來控制，運動形式通過一個轉換開關來進行切換。當重物下降到位及鋼絲繩卸載后，主驅動裝置關閉，恒張力驅動裝置打開，絞車滾筒拉緊鋼絲繩，馬達不受運轉方向限制雙向供油，重物載波峰時被舉高，滾筒拉緊鋼絲繩；重物載波底時下降，馬達作為泵運轉，重物隨波浪下行。吊鉤上的重物在隨波浪運動時，操作人員可以在任何位置發(fā)出“提升”指令，驅動控制系統(tǒng)可以自動尋找最佳起升點，即當絞車滾筒運動在起升方向上轉速接近“零”時，恒張力裝置關閉，驅動裝置驅動滾筒進行提升工作。

3.2 操作控制和監(jiān)測系統(tǒng)

吊機的控制和檢測系統(tǒng)與其他的系統(tǒng)結合在一起，包括CCR主控制系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、火災和可燃氣體檢測系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、負載指示系統(tǒng)等，通常情況下，吊機的內部、外部為安全區(qū)域，吊臂的端部為一類危險區(qū)域；根據(jù)該劃分等級進行電氣系統(tǒng)的防護等級要求。

3.3 電氣系統(tǒng)

電滑環(huán)、進入電纜、油泵馬達、馬達啟動器以及其他用電設備構成吊機的電氣系統(tǒng)。吊機吊臂的最頂端障礙燈為直升機導航，旋轉機構配備用于甲板照明的泛光燈，吊臂頭部安裝貨物跟蹤強光燈，以確保工作安全，吊臂頭部安裝CCTV系統(tǒng)用于駕控室人員監(jiān)控操作。

3.4 主動補償系統(tǒng)

主動波浪補償系統(tǒng)在負載工作于深水環(huán)境下，水下作業(yè)要考慮水的浮力、水流、潮汐、波浪等對勾頭、繩索和重物的影響。當水深超過200 m 后，水下的負載運動與船舶的姿態(tài)運動存在明顯的偏差，負載運動會滯后于船舶的運動且有可能產生震蕩，此時就應該考慮到鋼絲繩的彈性影響。補償裝置能夠使繩索始終有張力，避免由于繩索發(fā)生松馳而產生沖擊，同時重物在波浪中要左右搖擺，主動波浪補償系統(tǒng)能產生恢復力矩，減小搖擺角。重物在海浪中產生六自由度運動，其中橫搖、縱搖和垂蕩運動對操作影響最大，而繩索向上的主動波浪補償系統(tǒng)則主要影響三者的恢復力（矩）。主動波浪補償系統(tǒng)能夠抵御的環(huán)境作業(yè)參數(shù)需要根據(jù)具體工作海況等級確定，也可參見表3。

表3 主動波浪補償環(huán)境參數(shù)

主動波浪補償系統(tǒng)主要使用在以下三個關鍵階段：飛濺區(qū)域附近重物與水面接觸的瞬間；接近海底階段防止重物撞擊海底以及重物落地后鋼絲繩上力的變化；摘除吊鉤階段，為了方便水下設備摘除吊鉤，需要使吊鉤與重物保持一定的張力。

3.5 隔水套管、鉆桿抓管器連接器系統(tǒng)

隔水套管的起吊采用的是一種液壓膨脹接頭型式的專用吊具，膨脹接頭在收縮狀態(tài)下伸到隔水管的內壁，通過膨脹壓緊隔水管內壁產生的摩擦力將隔水管吊起，并且此裝置在液壓動力失效后也可以保證吊具鎖緊。鉆桿的起吊采用的是一種抓管的專用吊具，利用抓管器的開合將鉆桿吊起，通過液壓鎖緊裝置可以保證吊具鎖緊，防止鉆桿松動。參見圖3。

圖3 海洋折臂吊鉆桿抓管器與隔水套管抓管器

4 超深水作業(yè)海洋折臂吊的布置

根據(jù)海洋鉆井平臺的總體布置，吊機的覆蓋面積要滿足工作需要，從而確定海洋鉆井平臺上面吊機的臺數(shù)、最大工作半徑以及在不同工作半徑處的起吊重量，根據(jù)相關標準及規(guī)范以及船東的要求確定吊機的起升和回轉速度，從而確定吊機的工作能力。鉆井平臺上面的吊機工作半徑必須能夠覆蓋平臺需要吊裝區(qū)域及井架、鉆井區(qū)域，必須避免出現(xiàn)工作死角。折臂吊作為船舶或平臺的一項重要裝備，其布置由總體設計方通盤考慮，設備制造方予以配合。

海洋折臂吊布置在露天甲板上，吊臂的高度要充分考慮到吊車的作業(yè)高度需要、設備進出及人員操作方便性，見圖4。

圖4 海洋折臂吊在鉆井船上的參考布置

5 超深水作業(yè)海洋折臂吊設計計算

海洋折臂吊的結構設計要按照美國API Spec 2C標準的要求，根據(jù)吊機的使用工況進行結構強度、機械設計。設計方法分為：特定船方法；通用方法；動態(tài)方法（僅限于座底平臺）［1］。

5.1 風環(huán)境載荷

風載荷是變化的，設計時需根據(jù)吊機不同工況分別選取。本實例中，經過修正后的最終風壓為：

式中：Cs為吊機構件的形狀系數(shù)；U為風速，m/s；SWLH為包括吊鉤在內的安全工作載荷 kN。

計算受風面積選取受風構件的正投影面積，風載荷還要根據(jù)風方向考慮對應的作用方向。

5.2 冰雪環(huán)境載荷

冰雪載荷在寒冷地區(qū)可能成為海洋平臺的控制載荷：

式中：D為吊機各構件的外徑；t為冰層的厚度；Pe為冰層的有效壓力。

5.3 吊筒結構計算

海洋折臂吊結構設計需要考慮載荷系數(shù)。海洋平臺設計狀態(tài)：橫傾5℃、縱傾2℃，其載荷系數(shù)

5.4 機械部件設計

海洋折臂吊機械零件的設計需要考慮吊機使用壽命周期（參見表4）。

表4 機械設計依據(jù)的吊機使用周期分類

6 超深水作業(yè)海洋折臂吊的基座及船體底座強度校核

根據(jù)海洋折臂吊安裝位置作用的載荷為：折臂吊及基座自重、折臂吊的支反力及彎矩、風載荷、冰雪載荷、上浪載荷、主船體波浪彎矩載荷引發(fā)的船體變形對基座的載荷、船舶運動加速度載荷、船舶的橫、縱傾影響等。海洋折臂吊及基座自重通常約500 t。采用FEMAP有限元結構計算軟件，依據(jù)實船入級DNV海工規(guī)范對其進行校核屈服強度、屈曲強度、疲勞強度。模型根據(jù)結構及承受載荷的特點，從力學上加以抽象化。實船實例計算結果見圖5。

7 結 論

本文詳細闡述了超深水作業(yè)的海洋折臂吊的設計基礎、系統(tǒng)組成、主要設備參數(shù)、布置、基座強度等有關問題，希望能夠為國內的相關設計人員與吊機生產廠家提供一些參考。

［1］ API Specification 2C Offshore Pedestal-Mounted Cranes［Z］.2012：41-104.

［2］ DNV Lifting Appliances［S］.2012：05-98.

［3］ FEM1.001Rule for the Design of Hoisting Appliances［S］.1998：01-202.

［4］ 趙建亭.隔水管垂直存放系統(tǒng)設計簡介［J］.船舶，2010（4）：25-27.

Application and investigation of knuckle boom crane on ultra deepwater off shore drilling platform

GUO Xue-Feng
(COSCO Shipyard Technical Center, Dalian 116600, China)

According to American API Spec 2C standards and classification rules of DNV offshore crane equipment, this paper presents design foundation, system component, main equipment parameter, equipment arrangement, pedestal strength and other relevant questions in detail. It is instructive for designers to design similar arrangement, and can provide reference for the domestic crane manufactures. It also prompts the manufacture and the application of knuckle boom crane on the ultra deepwater off shore drilling platform to become more suitable for the recent development of the national off shore engineering.

knuckle boom crane; design foundation; system component; arrangement of offshore platform; pedestal strength

U664.4+3

A

1001-9855（2014）05-0050-06

2013-11-17 ；

2014-01-06

郭學峰（1971-）, 男 ，高級工程師，研究方向：海洋工程船結構與舾裝設計。