模塊SPMT小車裝船關鍵技術及風險分析

馬飛翔

(海洋石油工程(青島)有限公司， 山東 青島 266520)

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模塊SPMT小車裝船關鍵技術及風險分析

馬飛翔

(海洋石油工程(青島)有限公司， 山東 青島 266520)

對近年海洋石油工程行業(yè)一種重要的裝船工具自行式模塊運輸車(Self-Propelled Modular Transporter, SPMT )運輸方法及風險進行闡述。針對海洋工程行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量大、重心高、單個貨物規(guī)格尺寸大、運輸過程中受潮水影響等特點，結合SPMT小車自身使用要求和自身特性，通過工程經(jīng)驗和國內(nèi)外行業(yè)標準對小車運輸作業(yè)過程進行分析。最終給出小車運輸過程需要考慮的關鍵環(huán)節(jié)和風險點對策。相關分析和結論對行業(yè)使用SPMT小車運輸具有一定的參考意義。

裝船；SPMT小車運輸關鍵技術；風險分析

0 引言

傳統(tǒng)的陸地大型油氣處理工廠基本采用廠址地就地建造方式，是一種在工廠的選址位置上進行建造的方法。從19世紀80年代開始，由于受工期、建設地環(huán)境要求及人力成本等因素影響，迫使油氣處理工廠采用模塊化設計、異地模塊化建造的策略。模塊化工廠根據(jù)油氣輸入到最終處理輸出的流程，功能可劃分為棧橋、管廊、不同功能的處理模塊等。圖1為某液化天然氣處理廠的管廊模塊建造圖。

該類模塊的建造有別于傳統(tǒng)海工組塊導管架，最大的特點是單塊重量小、模塊數(shù)量多。針對此特點，為充分利用場地資源，非滑道區(qū)域的場地需要被充分利用作為建造區(qū)域。非滑道區(qū)域的建造導致最終的裝船工作不能像傳統(tǒng)導管架組塊采用拖拉的方式，因此需要一種快捷、高效的運輸方式完成最終的模塊裝船工作。

SPMT作為一種高效的運輸工具，近幾年逐漸被引入到海工模塊的場內(nèi)及裝船運輸工作中。圖2為模塊的場內(nèi)運輸。

圖1 模塊場地建造

圖2 SPMT小車運輸模塊裝船

1 SPMT相關原理介紹

1.1 SPMT小車

SPMT是一種模塊化生產(chǎn)及組裝的自行式平板拖車，可以根據(jù)裝載貨物的不同需求被配置成各種結構、尺寸和重量。SPMT的基礎部件是一個4軸線或6軸線的模塊組以及一個動力頭(Power Pack Unit， PPU)。圖3和圖4分別是4軸線和6軸線小車及PPU介紹。

圖3 4軸線小車PPU及模塊組合

圖4 6軸線小車PPU及模塊組合

SPMT的牽引力由液壓馬達提供，液壓馬達的動力是由置于設備末端的動力頭PPU提供。這就保證了SPMT擁有出色的牽引力以及緊湊的布局結構。SPMT每一軸線都在主控程序的精確控制下執(zhí)行各種動作并實現(xiàn)各種姿態(tài)(如：移動、旋轉、升降等)，不僅具備良好的操控性，同時還可以完成傳統(tǒng)拖車(如：運梁車等)無法完成的動作。例如：輕松地原地調(diào)頭、橫向平移、繞中點旋轉。SPMT的載重平臺可以通過懸掛系統(tǒng)進行升降以便裝卸貨物并保持平臺的水平姿態(tài)。

1.2 SPMT穩(wěn)定性

通常來說，需要平移的貨物體積與質(zhì)量都非常大。這就意味著為貨物創(chuàng)造出最佳的穩(wěn)定性至關重要。產(chǎn)生上述的穩(wěn)定性，需要采取一些技術措施。液壓分組穩(wěn)定性的理論依據(jù)是：不斷地嘗試創(chuàng)造出3個支撐點，3點支撐原理在SPMT設備上的應用可以被理解為是將所有車輪架分為3個小組，每組的所有車輪架都連接在同一個液壓系統(tǒng)上。液壓油可在各個車輪架之間不停地流動。圖5為小車典型分組圖。同時，還必須通過縝密的計算來決定所有車輪架的分組方式。

圖5 小車典型分組

1.3 軸線

每根軸線由2個相互獨立的懸掛軸組成，共同支撐車架。每個懸掛下面有2個車輪(承受最大胎壓10 bar)，一根軸線下由4個同樣的車輪組成。每個懸掛通過一個液壓千斤頂和轉向軸承組成。該機構保證每個車輪具備最大±100°的轉向范圍。轉向機構處同樣靠液壓機構驅(qū)動完成轉向。液壓千斤頂由能夠精準控制的液壓控制閥控制動作。

車軸支撐的主液壓千斤頂可以通過一個三通閥保證不同車軸間的壓力一致。車體壓力通過液壓支撐千斤頂傳遞到車輪，保證了同一個分組內(nèi)的車輪對地壓力一致，實現(xiàn)了載荷的均布。由于液壓缸與液壓分組相連接，油壓缸與液壓分組的壓力是相同的，因此即便對某一軸進行升降，其液壓力仍然與液壓分組中的壓力相同，這就使SPMT能夠輕松地在起伏路面上行駛而不會出現(xiàn)局部失壓或故障現(xiàn)象，如遇到路面不平時，某些軸系將失壓或增壓，此時軸線內(nèi)部裝配液壓油缸通過升高或降低的自調(diào)整，使貨物下平面保持水平(見圖6)。

圖6 車軸自適應路面狀況

2 SPMT運輸過程關鍵設計環(huán)節(jié)分析

小車運輸?shù)挠嬎阒饕谝韵碌妮斎胍蛩兀很囕v因素(貨物和活載荷)；載荷和運輸框架(貨物)；小車分布(貨物條件、軸線位置)；環(huán)境和場地條件(活載荷輸入)；小車分組(軸線位置)。

需要注意的是，在所有計算中，車體的自重需要考慮?；谝陨陷斎霐?shù)據(jù)，下面的計算結果將用于判斷運輸布置是否合理：

軸載荷(運輸靜載荷+軸線自重)；動態(tài)、靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)；車體橫梁強度校核。

計算中針對輸入載荷、重心位置、車體變形等誤差，需考慮10%的安全系數(shù)。

2.1 SPMT牽引力校核

牽引力校核由車組中的驅(qū)動輪、非驅(qū)動輪及貨物的重量確定。每個車軸的驅(qū)動力根據(jù)不同地面的不同摩擦系數(shù)轉化效率也不同。

對于帶坡度的運輸路面，可以采用的計算公式為

(1)

式中：FRTF為傾斜路面的需求牽引力，t；Wr為車輛自重，t；Wc為貨物重量，t；r為滾動摩擦系數(shù)，%；p為坡度，%。

小車能夠提供的最大牽引力計算公式為

(2)

式中：FATF為SPMT能夠提供的牽引力，t；Wr為車體自重，t；Wc為貨物重量，t；NTOT為軸線數(shù)量；NDR為驅(qū)動軸線數(shù)量；NNON為掛起的軸線數(shù)量；C為轉換系數(shù)，%。

不同路面的轉換系數(shù)數(shù)值(無單位)：干燥柏油路面為70；壓實的良好路面為60；壓實的路面為50；濕軟路面為40。

小車驅(qū)動力滿足的要求：FATF>FRTF。

如條件不滿足，需要重新考慮相關配置?？稍黾虞S線數(shù)量或掛起非驅(qū)動輪，增加軸載。

車輛運輸允許最大的坡度不大于12.75%。實際校核時，坡度因素影響考慮應不小于5%。

2.2 運輸綁扎

綁扎的主要目的是避免運輸貨物在加速、運輸及制動過程中的移動。以下是常用的綁扎方法：

(1) 倒鏈。該方式常用于固定車板上的貨物。手拉葫蘆或鎖鏈間通過棘輪機構連接，可通過轉動棘輪手柄使所有松動處收緊。車板上有捆綁用吊耳。根據(jù)運輸模塊重量及路況變化，可使用承載力在5～15t的鎖鏈或手拉葫蘆對模塊和車體進行綁扎固定。

(2) 固定板。連接板被置于車板側面，并與固定板相連接以確保載貨安全。固定板帶有螺孔，使固定位置能隨貨物裝載位置變化。

圖7是兩種不同的小車綁扎方法實例。

圖7 小車運輸固定

(3) 墊墩和拉筋固定。該方法采用在車體上放置墊墩，通過墊墩支撐被運輸物。貨物和墊墩之間通過限位塊固定，并通過螺栓或焊接固定。墊墩之間連接斜拉筋，以增強其穩(wěn)定性。圖8是小車運輸?shù)膲|墩拉筋固定方式。

圖8 小車運輸墊墩拉筋固定方式

2.3SPMT穩(wěn)定性校核

從安全角度考慮，超寬和超高件運輸?shù)年P鍵問題是穩(wěn)定性。為確保穩(wěn)定性，可放寬平板車的輪距即橫向組合。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，液壓懸掛回路選用3點支承系統(tǒng)更有利，形成的裝載區(qū)域就是△ABC的面積(見圖9陰影區(qū)域)，貨物的重心落在平板車的承載區(qū)域內(nèi)，可通過監(jiān)視液壓系統(tǒng)的壓力表確保裝載正確。

根據(jù)行業(yè)規(guī)范(歐盟運輸安全規(guī)范及Mammoet運輸安全規(guī)范)穩(wěn)定角大于7°即為安全。圖9為SPMT小車運輸穩(wěn)定性模型。

圖9 SPMT小車運輸穩(wěn)定性分析模型

運輸穩(wěn)定角計算公式為

(3)

式中：α為穩(wěn)定角；H為貨物重心到小車分組中心平面高度；L為被運輸物重心在小車中心點平面投影位置到最近分組中心點連線距離。

車輛極限狀態(tài)穩(wěn)定性分析需要考慮如下因素： (1) 貨物重心。貨物重心位置對穩(wěn)定性分析有重要影響。穩(wěn)定性校核時應該考慮重心最大允許誤差范圍內(nèi)的極限位置處的穩(wěn)定角。運輸之前必須對貨物進行實際的稱重操作，確定重心水平定位。

(2) 車輛高度極限差值。首先，分析車輛長度方向和垂直方向的車體高度極限差值。分別在兩個不同方向車輛按照最低1 500mm和最高1 800mm考慮(300mm的高差)，在該條件下校核穩(wěn)定角。其次，綜合兩個方向的高差，校核穩(wěn)定角。

3 SPMT運輸過程風險分析

3.1SPMT運輸過程一般作業(yè)安全要求

根據(jù)小車自身特點，考慮運輸過程中的風險因素，對小車運輸作業(yè)一般要求如下：

SPMT操作能見度：不得低于100m；地面：具備良好的附著力；風速：最大允許作業(yè)風速為12m/s；橫向坡度(運輸途中)：±2%；縱向坡度(運輸途中)：±2%；最大行駛速度：負載時不超過1km/h，空載時不超過5km/h；雷暴雨天氣條件下禁止工作。

另外，在運輸過程中，SPMT懸掛油缸的行程將被減小到最大行程700mm的40%～50%范圍內(nèi)。因此，SPMT在行駛中的高度為1 400～1 500mm±175mm(該處高度范圍針對不同規(guī)格的車輛會有不同，需參考車輛廠家要求確定)。SPMT最大有效載荷為40t/軸線。

3.2 運輸過程中風險因素及應對措施

小車運輸過程中的車體及環(huán)境等可能發(fā)生的風險及應對措施見表1。

表1 小車運輸風險因素及應對措施

4 結論與展望

SPMT小車運輸具有靈活、快速、高效及對場地要求較低等特點，目前已用于各類工程實踐中。其對噸位較大運輸物以及形狀不規(guī)則的運輸物有較強的適應性。小車每一個輪組均相當于一個液壓千斤頂，而小車分組之后同一分組的輪組具有相同的壓力。不同液壓油缸的實際行程僅與該輪組所受到的壓力有關。運輸?shù)慕Y構物在重心確定的前提下，其重量在各個分組上的分布對運輸安全有較大影響。尤其在運輸不規(guī)則結構物時，分組劃分需特別考慮。關于小車分組，目前只是根據(jù)工程師的以往項目經(jīng)驗，而對于解決不規(guī)則運輸物的小車布置及分組問題，沒有深入詳細的理論依據(jù)作為基礎。后續(xù)將對不同重量分布及結構不規(guī)則的運輸物，為確保其安全運輸，對小車布置及分組進行更多的關注和研究。

[1] 中國工程建設標準化協(xié)會.鋼結構設計規(guī)范[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

Key Factors and Hazard Analysis During Module Load Out Works By SPMT

MA Feixiang

(China Offshore Oil Engineering (Qingdao) Co.， Ltd., Qingdao 266520, Shandong, China)

SPMT(Self-Propelled Modular Transporter) is an important and common tool in offshore oil load out works. The method of SPMT and the hazard analysis of the transportation works are introduced. The cargos always have heavy weight, much higher centre of gravity, large dimension, and during load out onto the barge, will be easily affected by the tide. According to these characteristics and the SPMT itself trait, following the experience and specifications that accepted in this industry. The key factors of the transportation works and the hazard point and solution are analyzed. The analysis and introduction will have some reference meaning of this kind of load out method.

load out; SPMT transportation key factors; hazard analysis

馬飛翔(1982-)，男，工程師，從事海洋石油工程、船舶與海洋結構物設計制造

1000-3878(2017)02-0052-06

U671

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