自行式模塊化運輸車裝船設(shè)計與實施

呂 超，楊風(fēng)艷，單吉華，李 超，張子良，陳洪昌

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

在海洋工程建造場地，千噸級或萬噸級的大型結(jié)構(gòu)物建造完工后，常用的裝船方式主要有2種：①滑道上建造完工的項目使用整體滑移的方式裝船；②重量較小的結(jié)構(gòu)物，使用浮吊或者履帶吊吊裝裝船。近幾年來，在海洋工程建造場地，伴隨著液化天然氣(LNG)核心工藝模塊、溶劑脫瀝青工藝模塊、超長管廊模塊、浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置(FPSO)上部模塊等結(jié)構(gòu)物的建造數(shù)量和規(guī)模越來越大，逐步出現(xiàn)了第3種裝船方式：使用自行模塊化運輸車(SPMT)進行結(jié)構(gòu)物滾動裝船。采用此種裝船方式，結(jié)構(gòu)物能在非滑道區(qū)域建造，大大提高了場地利用率，節(jié)約了滑道成本，加之SPMT高可靠性和卓越的可擴展性，大有異軍突起之勢。

由于大型結(jié)構(gòu)物裝船作業(yè)是陸地建造階段的最后一步，也是最重要、風(fēng)險最高的一步，在整個裝船設(shè)計和實施過程中的每一步都必須確保安全可行。SPMT裝船技術(shù)，一直壟斷在國外幾家專業(yè)的公司手中。本文在海洋石油工程(青島)有限公司多次自主完成某國外項目SPMT滾動裝船的基礎(chǔ)上，對使用SPMT裝船實施過程中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)點逐個進行分析，期望對后續(xù)項目有所借鑒。

1 SPMT簡介

SPMT是一種模塊化生產(chǎn)及組裝的自行式平板車拖車，可以根據(jù)裝載貨物的不同需求配置各種結(jié)構(gòu)、尺寸和重量，使用靈活、裝卸方便、載重量大且對地面要求相對較低。SPMT的基礎(chǔ)部件是4軸線車板、6軸線車板和動力模塊。SPMT的牽引力由液壓馬達提供，液壓馬達的動力由置于設(shè)備末端的動力模塊提供。圖1和圖2是使用SPMT進行組塊和導(dǎo)管架滾動裝船的照片。SPMT優(yōu)點主要包括：①主要由3種單元組成，根據(jù)結(jié)構(gòu)物重量和形狀決定所需單元的數(shù)量和配置形式，可以適應(yīng)任何形狀和最大5萬t結(jié)構(gòu)物的運輸；②最長的一個單元8.40 m，最寬的一個單元2.43 m，可直接裝載至普通貨車或集裝箱中完成陸地運輸和海洋運輸，轉(zhuǎn)場方便，不受地域限制;③自帶動力，能夠自行且操控方便;④配備多種轉(zhuǎn)向模式，可基本實現(xiàn)任意方式的行走;⑤高精度就位糾偏功能，就位精度達到2 mm以內(nèi);⑥行駛在路面凸起或凹陷處時，能夠保持車板上表面基本水平，保證被運輸結(jié)構(gòu)物的安全。

圖1 組塊使用SPMT裝船

圖2 導(dǎo)管架使用SPMT裝船

2 SPMT運輸計算

2.1 數(shù)據(jù)獲取

在開始SPMT裝船作業(yè)計算之前，需要獲取以下數(shù)據(jù)：貨物(包括附加的工裝、支撐等和貨物不分割的部分)的尺寸(長、寬、高)、重量和重心，SPMT尺寸、型號、速度、加速度、轉(zhuǎn)向半徑和擺放位置(坐標)，運輸路線路面、坡度，允許作業(yè)風(fēng)速，捆扎用索具機具的性能，支撐點的位置和數(shù)量等數(shù)據(jù)。

2.2 SPMT凈軸載計算

由圖3所示，支撐點位置(坐標)：

(1)

式中：(x,y)為支撐點的坐標；(xi,yi)為該支撐點區(qū)域每一個懸掛的坐標；n為該支撐點區(qū)域懸掛的數(shù)量。

圖3 三點支撐情況下各支撐點載荷分解圖

凈軸載FJi計算公式：

(2)

式中：mc為貨物的總質(zhì)量；g為重力加速度；i為支撐點的編號；Hi為支撐點i到另外兩支撐點連線的垂直距離；hi為貨物重心在支撐區(qū)域的投影O到i之外兩支撐點點連線的垂直距離；Ni為支撐點i的軸線數(shù)量。

2.3 SPMT動軸載FDi計算公式

(3)

式中：Fwi為風(fēng)載對支撐點i的不利因素轉(zhuǎn)化力;Fai為加速和制動對支撐點i的不利因素轉(zhuǎn)化力;Fsi為地面坡度對支撐點i的不利因素轉(zhuǎn)化力;Fti為轉(zhuǎn)向?qū)χ吸ci的不利因素轉(zhuǎn)化力；Ni為支撐點i的軸線數(shù)。

2.4 SPMT大梁強度校核

2.4.1 最大彎矩校核

支座點的彎矩方程[1]：

(4)

支座處的剪力計算公式[1]

(5)

(6)

式中：FS左n為支座n左側(cè)的剪力；FS右n為支座n右側(cè)的剪力；Mp→n為支座n與支座n-1之間中點的彎矩；Mp+1→n為支座n與支座n+1之間中點的彎矩。

2.4.2 最大剪力FSMAX計算

FSMAX=MAX(FS左n，F(xiàn)S右n)。

(7)

2.5 地耐力FG校核

(8)

式中：Foi為SPMT軸重；t為路面硬化處理深度。

2.6 貨物穩(wěn)定角γi驗算

(9)

式中：H′為重心到支撐面垂直距離。

除上述6個方面的計算外，還需進行驅(qū)動力、制動力和貨物捆綁校核，所有校核計算均通過后，SPMT配車所需要的軸線數(shù)和動力模塊數(shù)量也將隨之確定，得到SPMT配車圖。

3 SPMT通過性設(shè)計與實施

3.1 SPMT通過性設(shè)計

SPMT裝載結(jié)構(gòu)物通過棧橋時，各液壓分組內(nèi)的懸掛行程發(fā)生變化，需對通過性進行分析，以確保SPMT的行程符合裝船要求。棧橋一端鋪設(shè)在碼頭上，一端連接在船側(cè)。SPMT通過棧橋時每一個獨立懸掛支撐處，液壓油缸的行程各不相同，從而保證車板上表面基本處在同一個水平面內(nèi)。因此，模塊裝船時，碼頭、棧橋、船甲板3個點的高差應(yīng)在SPMT安全行程內(nèi)，否則將會造成以下嚴重的后果：①棧橋上表面最高點處的液壓缸行程達到最低，可能引發(fā)車板斷裂；②碼頭端車板液壓缸行程達到最高，造成車輪離地，其余軸線超載。因此，使用SPMT裝船時，SPMT通過性分析往往是設(shè)計者應(yīng)著重考慮的關(guān)鍵因素之一。

3.2 模塊通過性設(shè)計

除考慮SPMT通過性，模塊通過性也須考慮。由于模塊上船之前，會在船舶甲板上提前安裝海運支墩，模塊上船后，需將模塊立柱放置在海運支墩上。SPMT通過棧橋后，還必須保證模塊的立柱距離船甲板高于海運支墩，兩者之間最好留有一定距離的間隙，否則，雖然SPMT能夠通過棧橋，但模塊立柱卻和海運支墩發(fā)生干涉。此時，如果SPMT還可以整體上升，那么裝船作業(yè)能夠繼續(xù)。模塊通過性設(shè)計除上述2個方面外，還應(yīng)該綜合考慮外界環(huán)境，例如波、流、涌、風(fēng)、船舶調(diào)載能力等因素對船舶甲板和碼頭高差之間的影響，保證裝船作業(yè)的安全。

3.3 SPMT通過性實施監(jiān)測

圖4為在實際裝船作業(yè)中，碼頭上放置專用測量標尺，用于監(jiān)測整個裝船作業(yè)過程中船舶甲板和碼頭之間的高差，這個高差須控制在要求的范圍內(nèi)，如果超過要求的范圍將造成非常嚴重的后果。因此，在裝船作業(yè)中，SPMT指揮和碼頭船長通過這個高差的變化，指揮船舶調(diào)載和SPMT行車速度等關(guān)鍵因素。在實際裝船作業(yè)中，方案設(shè)計人員和SPMT指揮需對這個高差變化所造成的后果有一定的預(yù)判能力和緊急情況出現(xiàn)時的瞬間反應(yīng)能力。除了監(jiān)測此高差之外，還需要多名人員配合監(jiān)測、實時溝通，在整個裝船過程中，需對SPMT各個液壓支撐區(qū)域的高度、壓力、輪胎狀況、可能的碰撞等全程進行監(jiān)測，保證裝船作業(yè)的順利進行。

圖4 高差監(jiān)測

4 行駛路線

SPMT行駛路線，需提前進行規(guī)劃，根據(jù)現(xiàn)場、現(xiàn)場到碼頭的路線勘查情況、系駁圖、甲板布置圖和海運支墩布置圖，選擇合理的運輸路線，并將與運輸相關(guān)的、沖突的物件和運輸需要預(yù)留的空間標識在運輸路線上，必要時，在轉(zhuǎn)彎、登船等節(jié)點，標識主要作業(yè)人員和監(jiān)控人員的位置安排。

運輸路線信息至少包含：始發(fā)地初始位置、轉(zhuǎn)彎軌跡、滾裝初始位置和駁船就位位置的SPMT裝載圖，運輸路線凈寬尺寸(如果高空有障礙物，還需凈高尺寸和通過空中障礙物的圖紙)，始發(fā)地、滾裝初始位置、方位發(fā)生變化位置的方位圖，駁船上SPMT軌跡發(fā)生偏移的尺寸和位置，地耐力報告或地基處理意見，以及主要作業(yè)人員和監(jiān)控人員布置圖等。路線勘查時有明顯缺陷的(凹凸、松軟)，需明確說明區(qū)域并注明解決辦法。在駁船上SPMT軌跡發(fā)生偏移須明確標識。

5 裝船窗口設(shè)計與實施

無論是哪種裝船方式，都是將模塊重量往船舶上轉(zhuǎn)移的過程。當(dāng)SPMT軸線滾動至船舶上時，模塊的重量也隨著SPMT逐步上船，此時，船舶一方面借助潮水上漲抵消部分模塊重量，另一方面借助船艙往外排水抵消大部分模塊重量。裝船時機取決于駁船的調(diào)載能力和潮水，應(yīng)根據(jù)駁船的調(diào)載能力和潮水情況設(shè)計裝船窗口，以便于參與裝船作業(yè)各方在此之前完成各項準備工作。

如果駁船的調(diào)載能力和潮水高度滿足全天候滾裝作業(yè)，該設(shè)計可以忽略，否則，應(yīng)選擇在漲潮時間段進行滾裝。根據(jù)當(dāng)?shù)爻毕砗蛯崪y情況，選擇高潮平潮期前夕作為裝船開始時間，根據(jù)貨物的尺寸和調(diào)載能力預(yù)測裝船作業(yè)的時間，建立一個裝船作業(yè)窗口。一般情況會設(shè)計3～5 d的裝船窗口，如果時間有變化，應(yīng)及時進行設(shè)計變更。裝船窗口為計劃值，也是最佳時機，實際起始時間為漲潮期間駁船通過調(diào)載達到預(yù)期高度、完成棧橋鋪設(shè)、具備滾裝條件的時間。

6 貨物保護和防滑措施

SPMT運輸裝船的貨物多為表面含漆的金屬結(jié)構(gòu)，表面需要保護，同時需要通過增加貨物、SPMT車板、支撐結(jié)構(gòu)之間的摩擦，或增加一定的捆扎措施確保SPMT、SPMT車板和支撐結(jié)構(gòu)的相對位置保持不變。防滑物件的選擇應(yīng)充分考慮貨物的材質(zhì)、強度、表面油漆情況。油漆薄的應(yīng)采用吸油棉，油漆厚的可采用木頭和膠皮，材質(zhì)軟的貨物選用吸油棉或者膠皮，木頭則要選擇松軟一些的膠合板等，硬質(zhì)的枕木適用油漆厚度足夠、材質(zhì)強度較高的貨物。另外硬質(zhì)的木材除了增加摩擦之外，還可發(fā)揮一定的分載作用。

防滑物件：鋪設(shè)防滑物件(木頭、膠皮、吸油棉等)可以增加摩擦力，將選用的防滑物件鋪設(shè)在SPMT、支撐結(jié)構(gòu)和貨物支撐面之間，標注形狀、尺寸、數(shù)量、規(guī)格，優(yōu)先選擇硬質(zhì)木材(比如油浸枕木)，便于計算尺寸，提高SPMT布置圖的精度。

捆扎機具：通過捆扎機具不但可以增加摩擦力，還可以對貨物增加力的束縛。采用捆扎機具，將貨物和SPMT牢固連接在一起。捆扎機有鏈條、緊繩器、手拉葫蘆、卸扣等通用性產(chǎn)品，有時也有針對特殊貨物特制的機具，靈活使用可以給運輸帶來便利。

貨物捆扎：貨物摩擦力不足以滿足運輸過程中SPMT與貨物保持相對位置不變，或者盡管貨物摩擦力足夠，但是作為一種保護措施，須要設(shè)計相應(yīng)的捆扎措施，供施工作業(yè)人員參照執(zhí)行。應(yīng)在貨物結(jié)構(gòu)和SPMT的固定捆扎點上，選擇合適的捆扎位置，通過捆扎機具連接。捆扎應(yīng)充分發(fā)揮其對貨物力的束縛作用，采用“八”字形捆扎方式。圖5是一種捆扎方式示例。

圖5 貨物捆扎

7 組織實施機構(gòu)

裝船作業(yè)必須具有完整的組織機構(gòu)，組織機構(gòu)內(nèi)部必須有合理的溝通方式。組織機構(gòu)中的人員分工至少包含：①裝船領(lǐng)導(dǎo)小組，主要人員包括業(yè)主方、裝船經(jīng)理、海事保險負責(zé)人、業(yè)主安全監(jiān)督、船舶代理等；②船方實施小組，主要人員包括船舶主管、船舶調(diào)載人員、碼頭船長等；③SPMT實施小組，主要人員包括SPMT指揮、SPMT監(jiān)測人員、SPMT操作手、方案設(shè)計工程師；④裝船作業(yè)輔助小組：主要人員包括場地監(jiān)督、系泊輔助人員、測量人員、裝船固定人員等。

確保裝船作業(yè)時所有小組間人員的交流都能夠直接傳達給裝船經(jīng)理。各個小組之間的交流必須被裝船經(jīng)理監(jiān)督。裝船作業(yè)時的交流需根據(jù)現(xiàn)場情況，通過面對面的交流，或通過雙向無線電系統(tǒng)。小組間的溝通由固定人員完成，且必須統(tǒng)一溝通語言；小組內(nèi)的溝通需實時無障礙一對一、一對多或多對一溝通，每個小組內(nèi)使用同種溝通語言即可。使用分配好頻道的高頻無線電進行交流，所有作業(yè)人員在各自負責(zé)的作業(yè)地點，負責(zé)各自的工作任務(wù)。當(dāng)開始裝船的指令下達后，所有裝船作業(yè)和所涉及到的人員在裝船經(jīng)理和業(yè)主裝船監(jiān)督的指揮下作業(yè)。裝船過程中，SPMT指揮和碼頭船長直接進行溝通，當(dāng)他們意見不統(tǒng)一時，由裝船經(jīng)理負責(zé)協(xié)調(diào)處理。

8 結(jié)束語

SPMT裝船設(shè)計與實施要點主要包括：運輸計算、通過性設(shè)計、行駛路線、裝船窗口、貨物保護、組織實施機構(gòu)等。運輸計算是整個運輸裝船作業(yè)的基礎(chǔ)，設(shè)計人員務(wù)必保證計算結(jié)果的準確性和施工指導(dǎo)價值。本文對SPMT裝船設(shè)計與實施要點進行了概況性分析，在具體作業(yè)中，應(yīng)根據(jù)不同情況進行具體分析，制定應(yīng)對措施，保證作業(yè)安全。