海洋平臺上部組塊一體化吊裝框架技術(shù)研究與應(yīng)用

劉建峰，王彥多，張勝強

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

在海洋平臺安裝過程中，上部組塊吊裝作業(yè)是海洋工程施工中風(fēng)險最大的環(huán)節(jié)之一。隨著我國海上油氣開發(fā)和海洋工程的日益發(fā)展，海洋平臺的數(shù)量不斷增加，單個海洋平臺上部組塊的吊裝重量也在不斷增大，如何保證上部組塊吊裝安全是海洋平臺設(shè)計中必須面對和解決的技術(shù)難題。

當(dāng)上部組塊吊點所在的頂層甲板上設(shè)備較大較多時，如果將浮吊吊鉤上的吊繩直接連接到上部組塊吊點上，就會出現(xiàn)吊繩與設(shè)備相互干涉的情況，因此需要使用吊裝框架使吊繩避開設(shè)備，然后進行吊裝。在常規(guī)吊裝框架的設(shè)計中，吊裝框架吊點及上部組塊吊點均采用吊點板（Padeye）的形式，該類型的吊點通常與卡環(huán)和吊繩配套使用，以實現(xiàn)吊裝框架吊點與上部組塊吊點之間的軟連接，海上作業(yè)時需要先進行安裝卡環(huán)的掛扣作業(yè)，待上部組塊吊裝完成后再進行拆卸卡環(huán)的摘扣作業(yè)。對于小型上部組塊的吊裝作業(yè)，其單根吊繩力較小，所采用的卡環(huán)重量也較小，在海上進行人工裝卸卡環(huán)作業(yè)并不太困難；但對于大型上部組塊的吊裝作業(yè)，其單根吊繩力很大，所采用卡環(huán)的重量也很大，在海上以人工方式進行裝卸卡環(huán)作業(yè)不但施工困難而且風(fēng)險大，還會大大增加施工船舶的施工天數(shù)。

本文針對常規(guī)吊裝框架應(yīng)用于海洋平臺上部組塊吊裝的局限性，研究出一種新型的一體化吊裝框架，成功解決了因使用常規(guī)吊裝框架需在海上裝卸卡環(huán)而造成的施工困難、風(fēng)險大等技術(shù)問題，不但省去了對上部組塊吊點板等的預(yù)制和安裝，而且將吊裝框架上的吊點由以往的吊點板（Padeye）形式優(yōu)化成了耳軸（Trunnion）形式，成功取消了卡環(huán)。該技術(shù)不但可以實現(xiàn)海上快速掛扣和摘扣作業(yè)，便于海上施工，而且可以降低施工風(fēng)險，減少施工船天，為項目節(jié)省大量成本。

1 常規(guī)吊裝框架的局限性

1.1 常規(guī)吊裝框架的結(jié)構(gòu)形式

常規(guī)吊裝框架的結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示，其主桿件和斜撐等多采用鋼管，結(jié)構(gòu)尺寸大小一般與上部組塊吊點間距的尺寸一致。常規(guī)吊裝框架的吊點通常采用Padeye 的形式，吊裝框架下方吊點與上部組塊吊點之間采用吊繩連接，其上方吊點與浮吊吊鉤之間也采用吊繩連接，這樣基本保證常規(guī)吊裝框架下方吊點與上部組塊吊點之間的吊繩是豎直的，從而可以避免吊繩與大型設(shè)備相互干涉的情況。

圖1 常規(guī)吊裝框架結(jié)構(gòu)示意

1.2 常規(guī)吊裝框架的局限性

常規(guī)吊裝框架的局限性主要表現(xiàn)在4個方面：

（1）使用常規(guī)吊裝框架時，其自身吊點和上部組塊吊點均為Padeye 形式，而Padeye 形式吊點需要與卡環(huán)配套使用，因此其吊裝能力受卡環(huán)規(guī)格限制。目前國內(nèi)在海洋工程方面使用的最大卡環(huán)規(guī)格為1 250 t（相應(yīng)吊裝能力12 500 kN），當(dāng)單根最大吊繩力大于此數(shù)值時，則Padeye 形式吊點就不適用，所以常規(guī)吊裝框架只適用于上部組塊吊裝重量不是很大的情況（一般不超過3 500 kN）。

（2）常規(guī)吊裝框架需要的卡環(huán)和吊繩數(shù)量相對較多，通常情況下每次吊裝作業(yè)至少配12個卡環(huán)和8 根吊繩，而這些卡環(huán)和吊繩都需要從廠家采購，費用相對較高。以某品牌的1 250 t 卡環(huán)為例，每個卡環(huán)價格近30 萬元，一個上部組塊采用常規(guī)吊裝框架進行吊裝，共需要12個卡環(huán)，其費用近360 萬元。一根長10 m、直徑276 mm 的吊繩，費用近10 萬元，8 根吊繩近80 萬元。因此，這一組吊裝索具的總費用近440 萬元。

（3）對于大型上部組塊吊裝，當(dāng)單根吊繩力為10 000 kN 時，與其配套的單個卡環(huán)的質(zhì)量將達到2 t 左右。如此大的卡環(huán)在陸地進行人工裝卸都不容易實施（圖2 為工人安裝卡環(huán)時的情況），而海上施工環(huán)境復(fù)雜多變，不但耗時長、風(fēng)險大，而且會增加施工船舶的船天數(shù)。如海上突遇惡劣天氣，因卡環(huán)的拆卸困難還會造成施工船舶無法及時解脫撤離。

圖2 工人安裝卡環(huán)

（4）在上部組塊運輸期間，需要單獨考慮常規(guī)吊裝框架和吊索具的擺放與運輸。一些項目的常規(guī)吊裝框架及其吊索具的尺寸和質(zhì)量都比較大，無法直接放置在上部組塊的頂層甲板上進行運輸，需要額外提供運輸駁船甲板面積對它們進行擺放，這樣就會增加項目的運輸成本。

2 上部組塊一體化吊裝框架技術(shù)研究

2.1 一體化吊裝框架的結(jié)構(gòu)形式及創(chuàng)新點

針對上述常規(guī)吊裝框架的局限性，經(jīng)過對常規(guī)吊裝框架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新，研究出了一種新型的一體化吊裝框架。該一體化吊裝框架是在保留常規(guī)吊裝框架結(jié)構(gòu)形式和尺寸不變的基礎(chǔ)上，將上部組塊吊點位置的立柱向上延伸出頂層甲板，通過這些延伸出來的立柱將常規(guī)吊裝框架與上部組塊連接在一起，實現(xiàn)吊裝框架與上部組塊的一體化，其結(jié)構(gòu)示意如圖3 所示。

圖3 一體化吊裝框架結(jié)構(gòu)示意

該一體化吊裝框架有以下幾點技術(shù)創(chuàng)新：

（1）通過延伸上來的立柱替代常規(guī)吊裝框架與上部組塊之間的吊繩，以實現(xiàn)吊裝框架與上部組塊間的剛性連接，不但可有效解決常規(guī)吊裝框架的運輸和存放問題，而且可以減少吊繩、吊點和卡環(huán)等的使用。

（2）針對常規(guī)吊裝框架與上部組塊間因柔性連接而抗偏心穩(wěn)定性差的問題，在該一體化吊裝框架的立柱之間增加了斜撐，從而避免上部組塊因重量偏心而對一體化吊裝框架產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)破壞。

（3）針對Padeye 吊點的局限性和所使用大型卡環(huán)費用較高的問題，將一體化吊裝框架的吊耳優(yōu)化成Trunnion 形式，這樣不但可以取消對卡環(huán)的使用，直接在一體化吊裝框架上掛吊繩，而且海上掛扣和摘扣都十分方便快捷。圖4 為某項目Trunnion 形式吊點的實物照片。

圖4 Trunnion 形式吊點實物照片

2.2 一體化吊裝框架結(jié)構(gòu)強度校核

一體化吊裝框架的結(jié)構(gòu)強度校核包括兩部分，一是延伸立柱及吊裝框架本身的強度校核，采用SACS 軟件進行整體強度分析；二是吊點結(jié)構(gòu)的強度校核，采用ANSYS 軟件進行局部強度分析。

一體化吊裝框架的結(jié)構(gòu)強度校核一般是將其與上部組塊結(jié)構(gòu)放在一起進行整體吊裝分析，其強度校核標準采用API 規(guī)范[1]和AISC[2]規(guī)范。根據(jù)API規(guī)范，在開敞暴露海域進行的吊裝，設(shè)計吊點及吊點連接的主要傳力桿件時，應(yīng)使用最小2.00 倍吊裝重量的動荷載系數(shù)，對于其他所有傳遞吊裝力的桿件，應(yīng)使用最小1.35 倍的動荷載系數(shù)。吊裝框架屬于與吊點連接的主要傳力桿件，因此其強度校核應(yīng)滿足2.00 倍的動荷載系數(shù)的要求。

考慮到實際吊裝工況與設(shè)計時重力控制統(tǒng)計的重心存在偏差，還應(yīng)在吊裝分析中考慮±0.5 m 的重心偏差；另外，在考慮重心偏差的基礎(chǔ)上，所有吊繩與水平面的夾角α 都要不小于60°[3-4]。

以埕北油田設(shè)備設(shè)施整體升級改造項目新建上部組塊的一體化吊裝框架結(jié)構(gòu)強度校核為例，圖5為其結(jié)構(gòu)及吊繩示意，表1 為上部組塊整體吊裝分析所得最大吊繩力（包含2.00 倍動荷載系數(shù)）及吊繩角度，數(shù)據(jù)可供吊點結(jié)構(gòu)強度校核使用。

圖5 吊繩編號及角度示意

表1 最大吊繩力及角度的計算結(jié)果

2.3 吊點結(jié)構(gòu)強度校核

對于Trunnion 形式吊點的強度校核，一般采用ANSYS 有限元軟件進行局部強度分析，整個分析過程可分為建模、加載和結(jié)果3個部分。其中，在建模分析時計算單元選取8 節(jié)點6 自由度的Solid 45（高版本ANSYS 計算可選取Solid 185 單元代替），并在與吊點相連的桿件上取其直徑的3～5 倍長度處施加固支邊界條件。在加載時，吊點所受的荷載從表1 中提取，采用有限元線性靜力分析模塊進行計算。

在后處理中應(yīng)查看吊點及相關(guān)區(qū)域Mises 應(yīng)力，根據(jù)ABS 規(guī)范[5]，計算結(jié)果中的最大應(yīng)力應(yīng)小于0.9倍屈服強度。計算結(jié)果的應(yīng)力云圖如圖6 所示，強度滿足規(guī)范要求。

圖6 吊點校核的應(yīng)力云圖/MPa

2.4 吊裝完成后處理

上部組塊吊裝完成后，一體化吊裝框架可以根據(jù)實際工程需要選擇保留或拆除。如果一體化吊裝框架不影響平臺安全通道及設(shè)備正常運行和維修，并且滿足平臺結(jié)構(gòu)強度及樁基承載力的要求，則在吊裝完成后可以保留；如果一體化吊裝框架影響平臺安全通道或設(shè)備正常運行和維修，則需要對其進行拆除。一體化吊裝框架的拆除工作比較簡單，由于該框架與上部組塊之間只有立柱連接，當(dāng)上部組塊吊裝完成后，在頂層甲板位置對立柱進行切割，然后將框架整體移除即可。

3 上部組塊一體化吊裝框架技術(shù)應(yīng)用

上部組塊一體化吊裝框架技術(shù)已在埕北油田設(shè)備設(shè)施整體升級改造項目得到了成功應(yīng)用，與常規(guī)吊裝框架技術(shù)比較，采用上部組塊一體化吊裝技術(shù)后，共節(jié)省吊繩4 根、卡環(huán)12個，浮吊船海上掛扣和摘扣作業(yè)減少了2個船天數(shù)，大大降低了項目成本。根據(jù)現(xiàn)場反饋，上部組塊一體化吊裝框架技術(shù)的應(yīng)用效果良好，創(chuàng)造了藍鯨號浮吊船海上安裝組塊用時最短的新紀錄。

4 結(jié)束語

上部組塊一體化吊裝框架技術(shù)的成功開發(fā)，解決了常規(guī)吊裝框架需要海上進行掛扣和摘扣的技術(shù)難題，為今后大型上部組塊吊裝設(shè)計提供了新思路。該技術(shù)在埕北油田設(shè)備設(shè)施整體升級改造項目中的成功應(yīng)用，可為今后類似項目提供參考。