大型全回轉浮吊總裝工藝探討

白 洋,高指林,薛政權

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

大型全回轉浮吊總裝工藝探討

白 洋,高指林,薛政權

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海洋石油開發(fā)依賴大型的浮式起重船(簡稱浮吊)。“海洋石油201”號深水鋪管起重船的4 000 t浮吊在設計制造上采用歐洲標準，建造總裝精度高、難度大、工藝復雜，總裝質(zhì)量直接影響浮吊的運行性能。詳細介紹了其總裝流程、精密測量、虛擬裝配、工裝設計、吊裝等關鍵技術，并對此類型浮吊的總裝工藝做了進一步探討。

全回轉浮吊；總裝工藝；精密測量；虛擬裝配；工裝設計

0 引 言

隨著海上工程作業(yè)任務的復雜化和重型化，浮式起重船(簡稱浮吊)的設計制造趨勢逐漸向起重噸位重型化、作業(yè)領域深水化和吊裝過程高效率化方向發(fā)展。相對于固定式浮吊，全回轉浮吊因作業(yè)方式靈活、適應性強而在我國海洋工程領域得到廣泛的應用。但全回轉浮吊結構緊湊、回轉支撐裝置復雜，故而其建造技術難度高、工藝復雜[1]。開展全回轉浮吊的總裝工藝研究，對形成自主的重型海洋工程裝備設計、制造、調(diào)試和維保能力具有重要意義。本文以“海洋石油201”號深水鋪管起重船吊機建造項目為例，對大型全回轉式浮吊的總裝工藝進行研究。

1 總裝工藝流程及關鍵技術

1.1 總裝要求及難點分析

“海洋石油201”吊機具備360°全回轉模式下3 500 t和非旋轉模式下4 000 t的吊重能力，設計壽命20年，采用全電力驅(qū)動。整個吊機由底座環(huán)、臺車式回轉支撐系統(tǒng)、旋轉平臺、A字架、起重臂、背拉繩、旋轉驅(qū)動等部分組成，如圖1所示。

圖1 全回轉浮吊結構示意圖Fig.1 Structural schematic diagram of all slewing floating crane

本項目全回轉浮吊采用臺車式回轉支撐裝置。相對于多排密布滾輪式回轉支承裝置(如藍鯨號、“海洋石油202”配浮吊)而言，該浮吊整體結構緊湊、重心高、自重小，制造和安裝工藝復雜[2]。作為典型的海洋重型工程機械產(chǎn)品，各組成部件均為大型焊接結構件并通過機加工后完成預制，因此各部件不僅需要滿足自身的尺寸和形位公差，而且需要滿足設計裝配要求。各部件的技術參數(shù)如表1所示。

表1 全回轉浮吊部件技術參數(shù)Table 1 Technical parameters of main components of all slewing floating crane

各部件之間的連接關系與安裝要求如下。

(1) 底座環(huán)安裝于起重鋪管船船艉，其上安裝有旋轉平衡臺車上下運動軌道以及傳動齒圈,對整個吊機起支撐及傳動作用。其與船體吊機底座(TUB)通過焊接連接，對接口處平面度公差要求為±2 mm，且底座環(huán)上軌道平面與船體龍骨基線平面的平行度為±4 mm，底座環(huán)中心孔與直徑為1 470 mm的中心銷軸采用過盈配合連接。

(2) 臺車式回轉支撐系統(tǒng)共包含前平衡臺車、后平衡臺車及防傾覆臺車各兩組。在豎直方向，前后平衡臺車的頂板與旋轉平臺底部通過28組螺栓連接，連接螺栓與孔之間的最小配合間隙為2 mm。在徑向，前后平衡臺車通過連接板與旋轉平臺的扇形翅連接，使旋轉平衡臺車在底座環(huán)的上下軌道平穩(wěn)運行。根據(jù)安裝要求，需保證前后臺車車體中心軸線與軌道平面垂直度小于0.04°。

(3) 旋轉平臺作為浮吊最關鍵的部件，位于底座環(huán)之上，兩者之間通過直徑為1 470 mm的中心銷軸與旋轉平臺底部中心孔連接，最小配合間隙為0.45 mm。同時，旋轉平臺底部有8個安裝驅(qū)動電機及小齒輪的安裝孔，安裝孔中心對稱布置于直徑為21 350 mm的圓上，定位精度為1 mm。旋轉平臺安裝完成后，驅(qū)動小齒輪與安裝于底座環(huán)上的內(nèi)齒圈嚙合，通過驅(qū)動系統(tǒng)使吊機繞中心銷軸實現(xiàn)全回轉運動。

(4) A字架與旋轉平臺采用銷軸連接，固定于旋轉平臺。前后A字架頭部通過銷軸連接，而前后A字架根部鉸接點通過4根銷軸與旋轉平臺相連，其中用于前A字架與旋轉平臺連接的銷軸尺寸為φ529 mm×1 558 mm，重約5.4 t，最大裝配間隙為0.36 mm。

(5) 起重臂位于旋轉平臺上方，主體為桁架結構，頭部為箱形體結構。吊機工作時，起重臂為主要受力構件。起重臂鉸接點與旋轉平臺之間采用銷軸連接，在一定角度內(nèi)可以做俯仰運動，用于連接的銷軸最大尺寸為φ755 mm×1 695 mm，重達10.3 t，最大裝配間隙為0.38 mm。

根據(jù)上述各部件之間的裝配技術要求，總裝難點主要如下：(1)如何從整體出發(fā)制定合理的總裝工藝流程；(2)各部件之間均采用銷軸或螺栓連接，結構緊湊，裝配要求高；(3)浮吊組成各部件尺寸及重量大，無法在制造場地實現(xiàn)預裝配來檢驗配合狀態(tài)；(4)在總裝過程中需要采用浮吊進行相關部件的吊裝作業(yè)，而浮吊作業(yè)時擺動幅度相對較大，且受環(huán)境因素影響大，實現(xiàn)部件的精確就位難度大；(5)在利用浮吊進行吊裝作業(yè)時，部件進行裝配時存在監(jiān)測盲區(qū)，施工人員無法進行裝配狀態(tài)的監(jiān)測；(6)部件的定位精度高；(7)待安裝的部件之間采用大直徑銷軸連接，在浮吊吊裝時，同時也需將連接用銷軸吊裝至安裝部位，這樣就需要多臺起重設備進行銷軸安裝的配合，作業(yè)難度和成本大。

1.2 總裝關鍵技術

根據(jù)全回轉浮吊的總裝技術要求和難點分析，針對總裝中出現(xiàn)的施工難點，采取了如下關鍵技術：

(1) 精密測量技術。本項目中引入了激光跟蹤儀測量系統(tǒng)，其測量最大距離為55 m,測量精度可達到8 μm±5×10-6×D(D為測量距離)，如果通過轉站可以將被測尺寸范圍從1 m調(diào)整到數(shù)百米。在各部件總裝前，利用激光跟蹤儀對安裝部件進行測量數(shù)據(jù)的采集，然后利用專用軟件對數(shù)據(jù)加以處理，擬合出尺寸及形位公差。在本次總裝過程中，部分部件的精確定位和位置測量大量采用了該儀器。

(2) 虛擬裝配技術。在浮吊各部件預制完成后，因尺寸及重量大，故而不能在預制現(xiàn)場進行預裝配。采用虛擬裝配可以很好地解決這一問題。虛擬裝配以對各部件實際精密測量的數(shù)據(jù)和各部件之間的裝配關系為基礎建立對應的結構模型。通過虛擬裝配，檢查各部件之間的干涉情況，從而評估和提前修正裝配干涉部位。

(3) 工裝設計技術。鑒于浮吊各部件尺寸及重量大而采取浮吊進行各部件的吊裝。為了克服浮吊在吊裝作業(yè)時發(fā)生的晃動，實現(xiàn)部件的精確就位，在總裝工藝中開展了各部件間的安裝導向工裝設計。同時，針對大型銷軸的安裝設計了對應的安裝裝置，還考慮了用于平衡臺車固定的定位工裝等。

(4) 吊裝技術。在總裝過程中需多次采用浮吊進行相關部件的吊裝作業(yè)，而且被吊裝的個別部件需要進行翻轉。為了保證平穩(wěn)的吊裝，選用了固定式雙起重臂浮吊進行吊裝作業(yè)，這樣在吊裝作業(yè)中吊重高度的調(diào)整相對簡單。同時在吊裝作業(yè)中，設計了無線攝像裝置監(jiān)控部件的就位情況，以解決現(xiàn)場人員無法監(jiān)測安裝狀態(tài)的問題。

1.3 總裝工藝流程

鑒于總裝質(zhì)量的好壞直接影響隨后的浮吊調(diào)試、運行性能等，因此在制定總裝工藝流程之前，需從設計技術資料中研究分析各部件的結構特點、關鍵的制造技術要求、部件之間的配合技術要求等信息，并從這些信息中確定各部件的制造技術難點，初步制定各部件的建造技術方案(包括鋼結構預制組對、焊接、測量、現(xiàn)場加工等)，最后根據(jù)各部件初定的建造方案并結合項目資源信息(如總裝場地、部件吊裝設備資源等)，研究和制定大型浮吊的總裝工藝流程?？傃b工藝流程在各部件預制、部件間裝配以及最終的總裝工作中起到關鍵的技術指導作用。結合上述信息，制定總裝工藝流程如圖2所示。

圖2 全回轉浮吊總裝工藝流程Fig.2 Assembly process of all slewing floating crane

2 總裝步驟及施工要點

2.1 底座環(huán)的安裝

本項目吊機和船體分別在不同地點的不同廠家進行建造。為了保證船體TUB與底座環(huán)下部筒體結構進行順利的安裝，安裝底座環(huán)的施工步驟如下：

(1)對船體TUB及底座環(huán)底部連接筒體結構的平面度、橢圓度進行測量，找出最佳對接部位并在結構相應的部位做好標識線。

(2) 為了使上述兩個筒體良好對接，首先在船體TUB圓周方向均布導向板3個。同時為了便于調(diào)整底座環(huán)與船體TUB的間隙，并保證底座環(huán)上軌道平面與船體龍骨基線平面的平行度，在TUB筒體內(nèi)側預先均布8套由臨時支撐和千斤頂構成的調(diào)整工裝。

(3) 吊裝底座環(huán)時使其沿著導向板緩慢下滑，同時調(diào)整底座環(huán)使其上部的定位標識線與船體TUB上的標識線重合。繼續(xù)下放底座環(huán)，直到其座于預先布置的調(diào)整工裝上。

(4) 調(diào)整工裝上的液壓千斤頂，使兩結構間的間隙及兩平面之間的平面度達到設計要求后，用臨時筋板將底座環(huán)固定，然后按照焊接工藝進行合理的施焊。

(5) 待底座環(huán)與船體TUB焊接完成后，將中心銷軸利用干冰充分冷卻，安裝至底座環(huán)中心孔內(nèi)。

2.2 臺車式回轉支撐系統(tǒng)的安裝

本次安裝的旋轉平衡臺車共6臺，其中前后平衡臺車放置于底座環(huán)上軌道面，防傾覆平衡臺車與底座環(huán)下軌道面接觸，因此預先將防傾覆平衡臺車與其支撐結構裝配在一起(見圖3)。施工步驟如下：

(1) 根據(jù)平衡臺車定位安裝圖，在底座環(huán)上下軌道面上劃出臺車車輪運轉的理論位置線及安裝位置線。

(2) 吊裝前后平衡臺車至相應的位置并加以調(diào)整，待其與劃線位置一致并用激光跟蹤儀復測位置后，使用臨時支撐梁將臺車與底座環(huán)固定。

(3) 吊裝防傾覆平衡臺車及其支撐結構至相應的軌道位置下方約100 mm，調(diào)整臺車的位置，待其與劃線位置一致后，使用臨時支撐梁將臺車與船體結構固定。

(4) 利用激光跟蹤儀測量前后平衡臺車頂部連接板上的螺栓孔位置，并根據(jù)測量的數(shù)據(jù)加工旋轉平臺與其對應的連接螺栓孔。

(5) 在前后平衡臺車頂部安裝臨時墊板，同時在前后臺車旁安裝放置頂升用千斤頂?shù)呐R時支撐。

圖3 旋轉平衡臺車布置圖Fig.3 Structural arrangement of slewing system

2.3 旋轉平臺的安裝

旋轉平臺作為浮吊最關鍵的部件，其吊重達1 404 t。其與底座環(huán)通過中心銷軸連接，最小配合間隙為0.45 mm。在吊裝時需同時保證旋轉平臺與平衡臺車上28組螺栓連接孔的位置一致，是浮吊總裝中最復雜的工藝流程。其施工步驟如下：

(1) 分別在底座環(huán)和旋轉平臺上安裝用于中心銷軸配合的導向工裝一套，另外安裝兩套主導向工裝；同時在中心銷軸導向工裝上方安裝無線監(jiān)控系統(tǒng)，用于監(jiān)控旋轉平臺安裝時中心銷軸的裝配全過程。

(2) 吊裝旋轉平臺至底座環(huán)上方，當旋轉平臺主導向距離甲板約4 700 mm時，暫停放鉤，待旋轉平臺穩(wěn)定后繼續(xù)緩慢釋放鋼絲繩，使平臺進入主導向裝置的作用范圍。

(3) 繼續(xù)緩慢釋放鋼絲繩，當旋轉平臺開始進入中心銷軸導向工裝作用范圍后，中心孔處預先安裝的無線攝像裝置持續(xù)監(jiān)控該處的就位情況，直至整個旋轉平臺座落于旋轉平衡臺車約100 mm處，檢查所有間隙板螺栓孔的對正情況。

(4) 確認所有孔都已對正，將旋轉平臺落在旋轉小車上，此時浮吊作業(yè)完成，旋轉平臺處于水平狀態(tài)。將旋轉平臺與小車螺栓固定。

(5) 安裝8組旋轉驅(qū)動小齒輪，并按照裝配圖紙要求調(diào)整小齒輪與底座環(huán)上內(nèi)齒圈的嚙合間隙。

(6) 安裝旋轉平臺電滑環(huán)等并調(diào)試完畢，通電后根據(jù)相關調(diào)試方案進行旋轉平臺的360°旋轉試驗，以保證旋轉平臺的平穩(wěn)旋轉。

2.4 A字架的安裝

在A字架總裝前，預先將前后A字架和背拉繩結構在陸地預制現(xiàn)場進行裝配，并通過支撐讓前A字架和后A字架保持一定角度，然后整體進行吊裝。安裝步驟如下：

(1) 吊裝前利用激光跟蹤儀對已裝配完成的前后A字架根部銷軸鉸接孔和旋轉平臺鉸接孔進行測量數(shù)據(jù)采集，主要測量孔的直徑、同軸度、孔軸線平行度等。根據(jù)數(shù)據(jù)擬合結果建立對應的結構模型并進行模擬裝配，檢查兩部件是否干涉并評估裝配效果。

(2) 在旋轉平臺鉸接孔處安裝大型銷軸安裝裝置。鑒于在浮吊吊裝A字架結構時，同時也需將兩側的連接銷軸吊裝至安裝部位，這樣就需要多臺起重設備進行銷軸安裝的配合，給施工帶來風險。本工藝中設計了一種大型銷軸安裝工裝[3]，該工裝能實現(xiàn)大型銷軸與鉸接孔位置的調(diào)整、銷軸保護及銷軸壓裝過程。該工裝通過焊接在結構上的螺栓實現(xiàn)連接，可以多次使用。

(3) 將A字架從駁船上吊起，使用吊裝浮吊主鉤與輔鉤，實現(xiàn)A字架結構的空中翻轉(見圖4)。待后A字架垂直后，進行后A字架與旋轉平臺鉸接點之間的銷軸安裝。

圖4 A字架吊裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of the lifting of A-frame

(4) 切除前后A字架之間的連接支撐，調(diào)整吊裝浮吊的主輔鉤，待前A字架鉸接孔與旋轉平臺鉸接孔軸線重合后進行銷軸的安裝。安裝完成后拆除銷軸安裝工裝。

2.5 起重臂的安裝

起重臂的安裝步驟如下：

(1) 吊裝前利用激光跟蹤儀，對起重臂根部銷軸安裝孔和旋轉平臺安裝孔進行測量數(shù)據(jù)采集，主要測量孔的直徑、同軸度等。根據(jù)數(shù)據(jù)擬合結果建立對應的結構模型并進行模擬裝配，檢查兩部件是否干涉并評估裝配效果。

(2) 將浮吊主鉤及輔鉤結構放置在鉤頭擱置箱內(nèi)。

(3) 將起重臂從駁船上吊起，調(diào)整吊裝浮吊的主輔鉤，待前起重臂根部鉸接孔與旋轉平臺鉸接孔軸線重合后進行銷軸的安裝，安裝完成后拆除銷軸安裝工裝。

(4) 起重臂與旋轉平臺鉸接點處銷軸安裝完成后，緩慢放鉤，將起重臂擱置在臂架上。最后完成浮吊主鉤、輔鉤、小鉤及起重臂變幅鋼絲繩的安裝。

3 結 語

本文結合“海洋石油201”號鋪管起重船4 000 t浮吊建造項目，對全回轉浮吊總裝工藝開展探討。針對其工藝難點，研究了有效的總裝流程、精密測量方法、虛擬裝配方法、工裝設計、吊裝等關鍵技術。結果表明，該總裝工藝為實現(xiàn)項目的順利完成提供了良好的技術指導。本研究可為重型海洋工程裝備的制造和維保提供良好的工程參考。

[1] 張昊，王輝，何寧.海洋工程大型起重設備及其關鍵技術研究[J]. 海洋工程， 2009, 27(4): 130.

[2] 彭奇，陸忠華，黃瑋東.大型全回轉浮吊回轉支撐技術研究[J]. 港口裝卸， 2012(5): 9.

[3] 肖德明，高指林，局魁，等.一種重型銷軸安裝裝置的研制[J]. 工程機械, 2012, 43(5): 46.

ResearchonAssemblyProcessofAllSlewingFloatingCrane

BAI Yang, GAO Zhi-lin, XUE Zheng-quan

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

Offshore oil development project relies on floating crane. On “HYSY201” deepwater pipe-laying crane vessel, the 4 000 t all slewing floating crane is designed according to European standards. Its building and assembly are precision, difficult and complex, and the assembly quality directly affects the performance of the floating crane. The key technologies including assembly procedure, precision measurement, virtual assembly, tooling design, and lifting are introduced in detail. The general assembly process for such floating cranes are discussed.

all slewing floating crane; assembly process; precision measurement; virtual assembly; tooling design

U445.467

A

2095-7297(2015)01-0055-05

2014-12-23

白洋(1981—)，男，工程師，主要從事海洋工程結構制造技術研究。