海洋結(jié)構(gòu)物組塊吊裝和模擬系統(tǒng)功能需求研究

趙乃東 魏佳廣

(海洋石油工程股份有限公司安裝公司，天津 300461)

1 概述

海洋結(jié)構(gòu)物通常包括下部導(dǎo)管架和組塊，以及后續(xù)吊裝的鉆機(jī)模塊、生活樓等模塊。這里要討論的僅是組塊的吊裝。在吊裝組塊工作開(kāi)始之前，各部分工作的狀態(tài)如下：下部導(dǎo)管架及附屬鋼樁已經(jīng)安裝完成；鋼樁頂或者導(dǎo)管架頂部的水平度已經(jīng)處理，達(dá)到吊裝條件；吊裝索具已經(jīng)被安裝到組塊上；組塊已經(jīng)被裝載在運(yùn)輸駁船上，并在拖輪的拖帶下，到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)附近；主作業(yè)船到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)，裝備必要的機(jī)具、設(shè)備、材料和人員。組塊吊裝是指利用主作業(yè)船吊機(jī)、吊裝索具從駁船上起吊組塊，通過(guò)旋轉(zhuǎn)扒桿、變幅、起/放鉤，以及絞錨移船等操作，把組塊安放到導(dǎo)管架/鋼樁上的工作。組塊吊裝，對(duì)于海洋石油平臺(tái)安裝非常重要，在整個(gè)工作中占有重要的一環(huán)。因?yàn)楹Ｉ系臍庀?、海況條件之惡劣，非陸地可比，所以組塊吊裝工作的風(fēng)險(xiǎn)性也特別高。整個(gè)組塊吊裝流程比較復(fù)雜，需要各個(gè)單位密切配合，需要所有參加人員都對(duì)自己的工作和責(zé)任熟悉精通。可以建立一套仿真模擬系統(tǒng)，盡可能地在辦公室環(huán)境中，模擬出真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)景。這樣，可以對(duì)未來(lái)的組塊吊裝工作進(jìn)行練習(xí)、演習(xí)，以驗(yàn)證安裝設(shè)計(jì)方案的可行性。同時(shí)，也可以對(duì)新來(lái)員工，對(duì)技術(shù)和操作人員進(jìn)行培訓(xùn)，使其盡快了解組塊吊裝這項(xiàng)工作。本文以某項(xiàng)目約3 000 t的組塊為例，選用5 000 t級(jí)別以上主作業(yè)船，描述組塊的吊裝流程，分析各個(gè)單位、系統(tǒng)間的相互關(guān)系，提出模擬系統(tǒng)功能需求，為以后的仿真試驗(yàn)室做準(zhǔn)備。

2 組塊吊裝工作流程

主作業(yè)船拋錨就位：按照設(shè)計(jì)圖紙，主作業(yè)船在海上就位，與導(dǎo)管架平臺(tái)有一定安全距離，其方向角要考慮風(fēng)、浪、流的影響。作業(yè)船海上施工時(shí)通常拋8根工作錨、長(zhǎng)度約為1 600 m，拋錨長(zhǎng)度滿足船舶就位錨泊要求。

組塊運(yùn)輸駁船靠駁就位:主作業(yè)船通過(guò)絞錨，使其距離導(dǎo)管架平臺(tái)有一定距離，約400 m～500 m，組塊運(yùn)輸駁船通過(guò)2條拖輪吊拖配合，使其緩慢由主作業(yè)船船頭側(cè)駛?cè)?，運(yùn)輸駁船舷側(cè)靠主作業(yè)船頭，完成兩船間的帶纜。

組塊掛扣:通過(guò)變幅，旋轉(zhuǎn)主作業(yè)船扒桿，使浮吊鉤頭與組塊重心基本保持一致，掛扣過(guò)程中應(yīng)該注意根據(jù)配扣圖紙將每根索具掛在相應(yīng)的鉤齒上，并拴系控制纜。

固定切除:在切除固定筋板時(shí)，一定要保證筋板完全切除，以保證結(jié)構(gòu)物與建造時(shí)的滑靴或者墊墩完全分離。

組塊起吊:主作業(yè)船開(kāi)始起吊，在起吊過(guò)程中，主作業(yè)船主鉤的起吊力一定要慢慢上升，一般先上升到100 t，進(jìn)行索具的受力情況核查，如果索具受力均勻，一切正常，然后再慢慢地加力，每加力50 t，進(jìn)行觀察，一邊觀察，一邊加力，直到組塊脫離駁船。

組塊運(yùn)輸駁船離駁:組塊吊起一定高度后，檢查駁船結(jié)構(gòu)與組塊間的安全距離，需滿足駁船撤離條件。主作業(yè)船施工總監(jiān)下達(dá)運(yùn)輸駁船離開(kāi)指令，解開(kāi)主作業(yè)船和運(yùn)輸駁船之間的纜繩，兩條拖輪協(xié)助運(yùn)輸駁船安全撤離至指定區(qū)域。

組塊海上吊裝:1)主作業(yè)船通過(guò)絞錨移船方式，緩慢向?qū)Ч芗芊较蚩拷?，并保持監(jiān)控主作業(yè)船、上部組塊、導(dǎo)管架的狀態(tài)；2)主作業(yè)船絞錨使其船頭距離導(dǎo)管架30 m后，停止絞錨移船；3)通過(guò)變幅或者旋轉(zhuǎn)扒桿等操作，結(jié)合收放錨纜操作，使組塊位置位于導(dǎo)管架上方，此時(shí)通過(guò)主作業(yè)船頭小吊機(jī)操作，送組塊指揮人員至導(dǎo)管架(也可以事先預(yù)留人員在導(dǎo)管架上)；4)浮吊主鉤開(kāi)始緩慢下放，導(dǎo)管架上指揮人員通過(guò)觀察組塊底部插尖和導(dǎo)管架腿的相對(duì)位置情況，使主作業(yè)船的浮吊通過(guò)變幅起落、旋轉(zhuǎn)角度等操作，將上部模塊的插尖與導(dǎo)管架腿頂部對(duì)齊；5)繼續(xù)下放主鉤，使上部模塊順利、安全與導(dǎo)管架設(shè)計(jì)位置對(duì)接。

模塊焊接固定:組塊就位后，進(jìn)行組塊的焊接固定作業(yè)。當(dāng)模塊焊接固定1/3后，主作業(yè)船可以考慮進(jìn)行索具拆除工作。從主作業(yè)船拋錨就位開(kāi)始，整個(gè)工作過(guò)程中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一直對(duì)風(fēng)、浪、流等環(huán)境條件、船舶位置、導(dǎo)管架位置和主作業(yè)船的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 名詞定義

模擬系統(tǒng)：整套軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)：模擬系統(tǒng)包括系泊系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和作業(yè)系統(tǒng)，這些都是分支工作系統(tǒng)。平臺(tái)：系統(tǒng)在電腦上顯示的屏幕窗口。分為核心平臺(tái)和分支平臺(tái)。核心平臺(tái)就是模擬系統(tǒng)的指揮系統(tǒng)，圍繞這數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)整個(gè)吊裝監(jiān)控。輸入框：平臺(tái)上的數(shù)據(jù)的輸入框，這與我們?nèi)粘Ｊ褂玫母鞣N窗口式軟件完全一樣，界面友好。通過(guò)鍵盤(pán)輸入，通過(guò)輸出按鈕(或者回車鍵)發(fā)出，由操作人員控制更新。數(shù)據(jù)輸出時(shí)，有文字提示。輸入框也可以設(shè)置成由軟件自動(dòng)控制輸入/輸出，比如動(dòng)態(tài)觀測(cè)風(fēng)、浪等參數(shù)。接收框：平臺(tái)上的數(shù)據(jù)接收框，顯示最新接收到的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來(lái)自于其他平臺(tái)發(fā)送過(guò)來(lái)的，數(shù)據(jù)即時(shí)更新，為了減輕服務(wù)器負(fù)擔(dān)，也可以設(shè)置時(shí)間間隔。功能按鈕：此按鈕具有某一特定功能，進(jìn)行某一操作，比如吊機(jī)起鉤按鈕，可以對(duì)吊機(jī)的鉤頭進(jìn)行提升操作。又如吊機(jī)旋轉(zhuǎn)按鈕，可以分為向左旋轉(zhuǎn)按鈕和向右旋轉(zhuǎn)按鈕，通過(guò)點(diǎn)擊向左或者向右按鈕，達(dá)到吊機(jī)向左或者向右旋轉(zhuǎn)。如果功能按鈕被設(shè)置在操控臺(tái)上，也可能是搖桿或者方向盤(pán)等進(jìn)行操作。

4 模擬系統(tǒng)功能需求

4.1 數(shù)據(jù)庫(kù)

建立數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)包含與組塊吊裝工作相關(guān)的所有基礎(chǔ)信息和數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)主要包括：風(fēng)、流、浪、潮汐等環(huán)境條件?，F(xiàn)實(shí)中，環(huán)境條件是變化的，在模擬系統(tǒng)中，需要認(rèn)為的設(shè)計(jì)環(huán)境參數(shù)，才能最大程度的與之符合。還有，需要建立各類船舶、導(dǎo)管架、組塊、吊裝索具及各個(gè)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備和機(jī)具等的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型。

4.2 環(huán)境參數(shù)

確定組塊吊裝的基本環(huán)境參數(shù)，主要包括：風(fēng)、流、浪和潮汐。

4.3 系泊系統(tǒng)

以動(dòng)畫(huà)顯示，拖輪協(xié)助起重船拋錨，后通過(guò)多次收緊和放松錨纜，調(diào)整起重船船位至設(shè)計(jì)位置，錨纜張力適時(shí)發(fā)送到系泊系統(tǒng)指揮平臺(tái)及數(shù)據(jù)庫(kù)。并且，錨機(jī)1～8平臺(tái)從系泊系統(tǒng)指揮平臺(tái)得到指令，通過(guò)收緊和放松錨纜，達(dá)到移動(dòng)船舶的作業(yè)效果。

4.4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)，適時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)、波、浪、流和潮汐；位置監(jiān)測(cè)平臺(tái)，適時(shí)監(jiān)測(cè)主作業(yè)船、拖輪、駁船、導(dǎo)管架和組塊等的位置；浮吊姿態(tài)平臺(tái)，適時(shí)監(jiān)測(cè)浮吊的橫搖、縱傾、升沉以及吃水、壓載等情況。監(jiān)測(cè)平臺(tái)并把數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)及數(shù)據(jù)庫(kù)。監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)整個(gè)吊裝作業(yè)提供數(shù)據(jù)支持。

4.5 操作系統(tǒng)

吊機(jī)操作平臺(tái)，從操作系統(tǒng)指揮平臺(tái)得到指令，進(jìn)行起鉤、下放、變幅和旋轉(zhuǎn)操作，以完成對(duì)組塊從駁船至導(dǎo)管架的荷載轉(zhuǎn)移。拖纜操作平臺(tái)，從操作系統(tǒng)指揮平臺(tái)得到指令，進(jìn)行收緊和放松操作，以控制和稍微調(diào)整組塊的方向。

4.6 作業(yè)系統(tǒng)

作業(yè)系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)際上是吊裝工作的附屬作業(yè)。掛扣/解扣平臺(tái)通過(guò)作業(yè)系統(tǒng)平臺(tái)與吊機(jī)操作平臺(tái)聯(lián)系，得到吊機(jī)操作平臺(tái)的配合，完成掛扣/解扣工作，以動(dòng)畫(huà)顯示。帶纜作業(yè)平臺(tái)，指的是主作業(yè)船于駁船間的帶纜，以動(dòng)畫(huà)顯示。

4.7 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)就是工作人員間聯(lián)系溝通的方式。實(shí)際作業(yè)中表現(xiàn)為：施工人員通過(guò)對(duì)講機(jī)對(duì)話，發(fā)送指令或者交換信息。在模擬系統(tǒng)中，很難真實(shí)模擬出來(lái)。如果把核心平臺(tái)和分支平臺(tái)設(shè)置在同一個(gè)區(qū)域或者房間，數(shù)據(jù)輸入、輸出和對(duì)話廣播，可以簡(jiǎn)化為直接的語(yǔ)言溝通，會(huì)有身臨其境的真實(shí)感。

4.8 指揮系統(tǒng)

在組塊吊裝作業(yè)中，所謂的指揮系統(tǒng)并不存在的，而是以總負(fù)責(zé)人出現(xiàn)的，通常是施工總監(jiān)。施工總監(jiān)一個(gè)人縱覽全局，指揮吊裝工作。當(dāng)然，象征系泊系統(tǒng)的值班駕駛員/錨機(jī)操作員，象征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的專業(yè)技術(shù)工程師，象征操作系統(tǒng)的吊機(jī)操作手，象征作業(yè)系統(tǒng)的甲板工作水手是確實(shí)存在的，他們都在本職的崗位上，輔助施工總監(jiān)完成工作。在模擬系統(tǒng)中，為模擬現(xiàn)實(shí)及簡(jiǎn)化相互關(guān)系，施工總監(jiān)的指揮工作被分解，設(shè)置成四個(gè)系統(tǒng)。又針對(duì)指揮系統(tǒng)的四個(gè)系統(tǒng)，設(shè)置四個(gè)平臺(tái)，即系泊系統(tǒng)指揮平臺(tái)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)指揮平臺(tái)、操作系統(tǒng)指揮平臺(tái)和作業(yè)系統(tǒng)指揮平臺(tái)，由四名人員分別負(fù)責(zé)。這四個(gè)指揮平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)四個(gè)系統(tǒng)的終端指揮和發(fā)出指令。

5 結(jié)語(yǔ)

只要梳理了組塊吊裝工作的流程，對(duì)工作進(jìn)行分解，通過(guò)搞清各個(gè)分支工作間的相互關(guān)系和邏輯順序，是可以以建立試驗(yàn)室的方式，達(dá)到模擬的效果。