將軍柱式海洋平臺吊機設(shè)計研究

張茄新， 徐小鵬， 畢小鈞， 羅震， 姜小剛

（1.寶雞石油機械有限責(zé)任公司，陜西寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞 721002）

0 引言

海洋平臺吊機屬于海洋工程領(lǐng)域特種起吊設(shè)備，安裝在海洋鉆采平臺、工程船舶、鉆井勘察船等海洋工程裝備上，是海洋工程裝備與外界物資交換的“橋梁”。其主要用來進(jìn)行維修、物資供給和人員輸送等吊運作業(yè)，是海洋工程裝備上重要的生產(chǎn)和安全設(shè)備。

海洋平臺吊機按結(jié)構(gòu)形式主要分為將軍柱式、回轉(zhuǎn)軸承式、液缸變幅式、折臂式及懸臂式等類型。將軍柱式吊機是海洋平臺廣泛配套的類型之一，其主體采用上、下回轉(zhuǎn)軸承和將軍柱承載由吊臂傳遞的傾覆力矩，使吊臂承受的垂直載荷直接傳遞到平臺基座上；吊臂的主體部件采用桁架結(jié)構(gòu)，既減輕了自身重量，又降低了風(fēng)阻系數(shù)，使其抗傾覆和側(cè)載能力更強，整體穩(wěn)定性和承載可靠性更好。該類型吊機應(yīng)用前景廣闊，是國內(nèi)外研究開發(fā)的重點,為此，本文對將軍柱式平臺吊機的設(shè)計進(jìn)行介紹與分析。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

將軍柱式海洋平臺吊機主要由承載部件、動力部件、執(zhí)行部件、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和載荷監(jiān)控系統(tǒng)組成。如圖1所示，吊機主體主要包括將軍柱、門架、轉(zhuǎn)臺、吊臂、主副吊鉤、上下回轉(zhuǎn)軸承、回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置、動力機械房、控制房等部件。通過絞車卷揚鋼絲繩實現(xiàn)吊鉤起升、吊臂變幅，起升絞車安裝在吊臂下臂節(jié)內(nèi)，變幅絞車安裝在轉(zhuǎn)臺后部。其各項功能設(shè)計應(yīng)滿足海洋環(huán)境下船舷內(nèi)、船舷外兩種作業(yè)工況正常安全作業(yè)。

1.2 將軍柱

將軍柱是吊機主體與平臺連接的固定部件，柱體為錐形柱狀結(jié)構(gòu)，由不同厚度鋼板卷制焊接而成。在工作時，柱體主要承受和傳遞吊機在各種工況時承受的載荷以及抵抗吊臂引起的傾覆力矩。因此其材料一般為高強度鋼材，可以有效抵抗傾覆力矩，及減輕整機重量，提高吊機安全系數(shù)。柱體底部通過焊接與平臺基座連接，為保證較高的圓柱度公差，焊接前在柱體底部提前制好焊接坡口。

1.3 轉(zhuǎn)臺、門架

轉(zhuǎn)臺與門架是吊機的主要旋轉(zhuǎn)部件，兩部件通過高強度螺栓連接后套裝在將軍柱上。吊臂、動力機械房、操作控制房分別通過銷軸連接到轉(zhuǎn)臺的前側(cè)和兩側(cè)耳座上；轉(zhuǎn)臺后部設(shè)有人員通道，尾部回轉(zhuǎn)半徑應(yīng)盡可能小，使吊機整體結(jié)構(gòu)緊湊，占用平臺空間小。轉(zhuǎn)臺底部安裝回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置，采用液壓馬達(dá)驅(qū)動齒輪嚙合，帶動轉(zhuǎn)臺及轉(zhuǎn)臺上部件繞將軍柱作360°旋轉(zhuǎn)。門架前端安裝吊臂變幅上限位緩沖裝置，避免了變幅角度超過限定位置引起機械碰撞的安全隱患。

圖2 主鉤舷外工況有限元計算位移和應(yīng)力云圖

1.4 吊臂

吊臂采用桁架式結(jié)構(gòu)，主要采用鋼管等型鋼制成，可分成多段，各段之間通過高強度螺栓連接。通過各種載荷工況，應(yīng)用ANSYS軟件建立三維模型，施加各種載荷和邊界條件，通過有限元分析（圖2），結(jié)果表明在使用和停放時，吊臂頭部崩繩耳板承受較大載荷，設(shè)計時應(yīng)提高該處材料性能等級，同時降低吊臂前端自身重量，滿足整體強度、剛度和穩(wěn)定性要求并具有一定安全裕度。

1.5 上、下軸承

將軍柱式吊機的上、下軸承既要承擔(dān)吊機整體傾覆力矩，承受較大徑向作用載荷，又要傳遞垂直作用力，承受自重產(chǎn)生的軸向端面載荷，同時還應(yīng)具備較好的旋轉(zhuǎn)抗磨性能。為滿足以上要求，其材料可使用高強度尼龍，與金屬相比，質(zhì)量輕且旋轉(zhuǎn)耐磨性好；外型可設(shè)計成多瓣分體式軸套，在旋轉(zhuǎn)磨損或偏磨后更換量小，具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

1.6 控制室

吊機的控制室又稱駕駛室，是整臺吊機控制操作的中樞，一般安裝在吊機回轉(zhuǎn)機構(gòu)體的中部或吊臂一側(cè)的位置，隨吊機回轉(zhuǎn)機構(gòu)體一起在工作時旋轉(zhuǎn)。在設(shè)計時，要綜合考慮整體布局、使用環(huán)境、隔音防震、功能設(shè)置、安全逃生等因素。內(nèi)部布局設(shè)計符合人機工程學(xué)原理，按照各種顯示器、操作器使用的頻率及重要性進(jìn)行功能區(qū)域劃分，保證操作人員工作時的便捷性和有效性；增大觀察視窗面積，具備良好的觀察視野；安裝空調(diào)、減振器，使工作環(huán)境更為舒適。

1.7 工作原理

吊機使用電動機或柴油機作為主動力，執(zhí)行元件一般采用液壓驅(qū)動。主動力機通過分動箱驅(qū)動液壓系統(tǒng)油泵，向變幅、提升、回轉(zhuǎn)的液壓馬達(dá)提供動力，分別驅(qū)動主、副絞車、變幅絞車和回轉(zhuǎn)齒輪副，實現(xiàn)主、副吊鉤的起吊動作，吊臂的變幅和整體回轉(zhuǎn)等主要動作。液壓系統(tǒng)在設(shè)計中應(yīng)考慮多個執(zhí)行部件同時工作時合理分配系統(tǒng)功率，既能滿足單個執(zhí)行部件高速動作又可使多個執(zhí)行部件實現(xiàn)聯(lián)合動作；同時設(shè)置保護(hù)回路，提高作業(yè)的安全性。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 承載曲線分析

圖3 主吊鉤舷內(nèi)、舷外承載曲線

吊機的承載曲線是在不同的海洋工況下，綜合考慮吊機各個環(huán)節(jié)的應(yīng)力、位移、極限承載能力后得出的有效工作半徑與額定工作載荷之間的關(guān)系曲線，是操作者進(jìn)行安全吊運作業(yè)時的重要依據(jù)。依據(jù)API 2C等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，綜合分析吊機舷內(nèi)、舷外各種工況，確定吊機在各種極限承載的情況下的承載能力，得出不同工作半徑對應(yīng)的綜合承載曲線（圖3）。

2.2 電控系統(tǒng)和負(fù)載檢測系統(tǒng)

電控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、中心處理單元、邏輯控制單元、顯示監(jiān)控單元組成，對主動力機、液壓系統(tǒng)、絞車、回轉(zhuǎn)機構(gòu)等的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和控制。控制系統(tǒng)要具有友好的人機界面，采用高性能邏輯可編程控制器保證整個系統(tǒng)具有極高的可靠性；配置高精度負(fù)載監(jiān)測系統(tǒng)，隨時監(jiān)測和顯示吊機的載荷和運行數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)定的載荷曲線進(jìn)行報警；系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對設(shè)備的相關(guān)參數(shù)和警報進(jìn)行記錄，便于用戶進(jìn)行故障查詢和離線分析。電控系統(tǒng)和負(fù)載監(jiān)測系統(tǒng)的操作控制高度集成在吊機的控制房內(nèi)，操作人員可通過手柄和按鈕方便準(zhǔn)確地操作，實現(xiàn)吊機的各種吊運動作。

2.3 應(yīng)急系統(tǒng)

吊機的應(yīng)急系統(tǒng)主要功能是在吊機系統(tǒng)發(fā)生故障，失去主動力或電控系統(tǒng)失效時，通過其它方式實現(xiàn)吊運重物下放、人員應(yīng)急下放，吊臂緊急回轉(zhuǎn)復(fù)位。應(yīng)急系統(tǒng)一般通過氣控或機械操作實現(xiàn)，吊機的主鉤、副鉤和吊臂的變幅應(yīng)急下放可利用外部氣源控制氣動泵、應(yīng)急閥打開絞車制動實現(xiàn)；吊機的回轉(zhuǎn)應(yīng)急復(fù)位可通過氣源及蓄能器驅(qū)動回轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)。

2.4 吊鉤恒張力功能

吊機舷外作業(yè)時，恒張力功能可實現(xiàn)吊鉤在恒定負(fù)載的作用下同供給船以相同頻率和幅度主動升沉，減緩海浪升沉對吊臂的沖擊載荷，提高舷外吊運作業(yè)的安全性。吊機恒張力系統(tǒng)由信號采集器、恒張力控制閥、PLC、顯示器組成，當(dāng)信號采集器采集到負(fù)載離開供給船的時間后，PLC模擬波浪運動，計算分析出脫離恒張力狀態(tài)的最優(yōu)點，操作人員通過觀察顯示器和操作恒張力控制閥進(jìn)行吊運作業(yè)。

2.5 回轉(zhuǎn)鎖緊保護(hù)裝置

吊機在停放狀態(tài)、拖航狀態(tài)或風(fēng)暴自存時都需要將回轉(zhuǎn)裝置鎖止，以保證吊臂不會出現(xiàn)非正常的旋轉(zhuǎn)，造成安全事故?；剞D(zhuǎn)鎖緊保護(hù)裝置能實現(xiàn)機械鎖止和反饋動力鎖止雙重鎖緊保護(hù)。當(dāng)?shù)鯔C停止工作需要鎖止回轉(zhuǎn)裝置時，通過將機械鎖銷插入回轉(zhuǎn)齒輪的兩齒之間，實現(xiàn)機械鎖止，同時鎖銷觸發(fā)傳感器，將信號傳遞到控制系統(tǒng)，通過PLC邏輯運算后控制液壓系統(tǒng)切斷執(zhí)行機構(gòu)液壓油路，實現(xiàn)第二重鎖止。

2.6 絞車加速度控制功能

吊臂變幅和吊鉤起升通過操作控制手柄調(diào)節(jié)變副絞車和副絞車液壓控制系統(tǒng)流量實現(xiàn)，當(dāng)操作控制手柄過快時，可能出現(xiàn)速度變化過快引起的機械碰撞事故。通過電控系統(tǒng)編程，對絞車液壓控制系統(tǒng)流量變化和相應(yīng)時間的正切值進(jìn)行限制，實現(xiàn)加速度限制功能。并設(shè)定了速度從零至最大的最短時間，防止吊臂或吊鉤快速下降引起機械碰撞或鋼絲繩亂繩現(xiàn)象。

3 試驗

將軍柱式海洋平臺吊機研制后要在專用試驗裝置（臺）上進(jìn)行試驗，為模擬海洋真實使用工況，試驗裝置（臺）應(yīng)帶有前傾、側(cè)傾角度。吊機試驗分為載荷試驗和聯(lián)調(diào)功能試驗，載荷試驗包括工作載荷試驗和超載試驗，試驗后檢測部件變形、許用位移等，在設(shè)計預(yù)期范圍內(nèi)，則結(jié)構(gòu)部件設(shè)計合理；聯(lián)調(diào)功能試驗包括電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、安全功能、報警記錄功能等多項重點試驗內(nèi)容，試驗后部件運行正常，系統(tǒng)功能效果良好，則整機滿足設(shè)計要求。

4 結(jié) 語

隨著海洋油氣工業(yè)的快速發(fā)展，海洋平臺吊機的需求將伴隨著平臺數(shù)量的增加呈上升趨勢。當(dāng)前，國外海洋平臺吊機產(chǎn)品種類多、技術(shù)水平高，但我國長期以來受自身工業(yè)基礎(chǔ)和海洋裝備整體起步晚等因素的影響，平臺吊機的整體發(fā)展速度較慢，設(shè)計水平與國外技術(shù)相比有很大的差距。故應(yīng)加快國產(chǎn)化研發(fā)制造速度，盡早擺脫國外高端技術(shù)壟斷現(xiàn)狀，使中國海洋工程裝備綜合技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。以下對海洋平臺吊機的設(shè)計和研制提出兩方面建議。

一方面，海洋平臺吊機的研制涉及多種學(xué)科，包括動態(tài)結(jié)構(gòu)分析、恒張力控制、波浪補償技術(shù)、高強度材料焊接與應(yīng)用、高集成控制系統(tǒng)、產(chǎn)品可靠性控制等多項關(guān)鍵技術(shù)，可對其中一項或多項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，在掌握其先進(jìn)的研發(fā)思路和知識產(chǎn)權(quán)上加大力度，以單元技術(shù)為突破口，逐漸提升整機性能質(zhì)量，提高現(xiàn)有海洋平臺吊機的研發(fā)水平。

另一方面，隨著未來石油開采作業(yè)水深向縱深方向拓展，海洋平臺吊機的發(fā)展趨勢將向著惡劣工況安全性、承重載荷大噸位、控制系統(tǒng)智能化等方面不斷前進(jìn)，因此，研制適用于深海平臺（船）的大噸位吊機及高可靠性、高智能化吊機對未來我國海洋吊機裝備步入國際高端市場具有重要的意義。

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