半潛起重平臺(tái)雙吊聯(lián)合吊裝方式對(duì)比

王金光，徐立新，胡 琦，ZHOU Joe，黃 凱，INDRA Datta

（1. 招商局集團(tuán)海洋工程技術(shù)中心，江蘇 海門(mén) 226116；2. OOS International B.V, Serooskerke, 荷蘭 4353ZG）

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前全球有超過(guò)7000個(gè)海工平臺(tái)，其中約有1000個(gè)4000t以上的老舊平臺(tái)需拆解，海上拆解業(yè)務(wù)的市場(chǎng)空間非常廣闊。全球海上重型起重機(jī)一直處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，目前正在運(yùn)營(yíng)的半潛起重平臺(tái)（Semi-Submersible Crane Vessel, SSCV）大部分建造于20世紀(jì)90年代以前且數(shù)量較少，通常處于滿(mǎn)負(fù)荷（甚至超負(fù)荷）運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)此，我國(guó)的海工企業(yè)在國(guó)家有關(guān)政策的指引下，正積極制訂海洋工程超大型起重系統(tǒng)制造計(jì)劃。國(guó)內(nèi)外相關(guān)院校和海工企業(yè)加強(qiáng)了對(duì)半潛起重平臺(tái)起吊作業(yè)的研究：何強(qiáng)[1]以我國(guó)南海荔灣3-1氣田Spar平臺(tái)為研究對(duì)象，對(duì)Spar平臺(tái)上部模塊在起吊和就位過(guò)程中與起重船的耦合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析研究；CLAUSS等[2]詳細(xì)論述海上重吊起重的各種限制條件；XU[3]開(kāi)展與海上安裝相關(guān)的模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬。本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)正在研發(fā)的半潛起重平臺(tái)“Zeelandia”的雙吊聯(lián)合吊裝作業(yè)進(jìn)行分析。

1 國(guó)內(nèi)半潛起重平臺(tái)的發(fā)展

1) 中集來(lái)福士建造的半潛起重生活平臺(tái)“OOS Gretha”型長(zhǎng)137.75m，型寬81m，型深39m，最大可變甲板載荷7070t，配有DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)。該平臺(tái)采用無(wú)橫撐非對(duì)稱(chēng)主船體結(jié)構(gòu)，配有2臺(tái)1800t重型甲板起重機(jī)，具有雙機(jī)聯(lián)合起吊功能；配有氣動(dòng)排壓載水系統(tǒng)，可快速調(diào)載，以配合完成起重作業(yè)。

2) 招商局重工建造的深水大型半潛起重平臺(tái)配有2臺(tái)2200t起重機(jī)，總起重能力達(dá)到4400t，作業(yè)水深1500m，配有DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)和伸縮補(bǔ)償系統(tǒng)等，主要用于拆卸深水廢舊海底結(jié)構(gòu)、地基、系泊設(shè)備和鉆井平臺(tái)等。

3) 大船重工設(shè)計(jì)的 DSCU12000型半潛起重平臺(tái)配有 2臺(tái)大型全回轉(zhuǎn)式起重機(jī)，最大起重能力達(dá)到12000t，采用動(dòng)力定位技術(shù)和快速調(diào)載系統(tǒng)。

4) 招商局重工正在研發(fā)的Zeelandia平臺(tái)配有2座起重能力為12500t的重吊，兩吊間距為112m，寬敞的甲板設(shè)計(jì)有助于安放和運(yùn)輸超大型工程模塊。該半潛起重平臺(tái)適合在深水、惡劣海域（甚至是冰區(qū)）進(jìn)行拆裝工作，其無(wú)橫撐結(jié)構(gòu)可大大降低運(yùn)輸過(guò)程中的燃料消耗。

2 雙吊聯(lián)合回轉(zhuǎn)作業(yè)

從國(guó)內(nèi)半潛起重平臺(tái)的發(fā)展歷程來(lái)看，國(guó)內(nèi)半潛起重平臺(tái)的研發(fā)能力和建造水平在不斷提高，功能在不斷完善，并引入了全新的設(shè)計(jì)理念。傳統(tǒng)的半潛起重平臺(tái)通常需與運(yùn)輸船共同作業(yè)來(lái)完成大模塊的吊裝作業(yè)（見(jiàn)圖1），而最新研發(fā)的平臺(tái)除了具備更強(qiáng)的起重能力以外，其配備的全回轉(zhuǎn)吊還可將超大型貨物轉(zhuǎn)移并放置到平臺(tái)甲板上，從而實(shí)現(xiàn)老舊平臺(tái)拆解、起吊和運(yùn)輸?shù)囊徽臼椒?wù)。

雙吊聯(lián)合回轉(zhuǎn)作業(yè)對(duì)半潛起重平臺(tái)的設(shè)計(jì)提出了更大挑戰(zhàn)，其主要影響因素包括：

1) 吊物。雙吊聯(lián)合作業(yè)直接受到貨物的質(zhì)量、尺寸和吊點(diǎn)距離等因素的影響。

圖1 傳統(tǒng)運(yùn)輸船輔助吊裝作業(yè)

2) 起重機(jī)的載荷特征。起重機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)包括起重量、起升高度、跨度和各組塊的運(yùn)行速度，通常用載荷特征曲線來(lái)確定起重機(jī)的吊重隨作業(yè)半徑和起升高度的變化規(guī)律。同時(shí)，海上吊機(jī)的載荷特征曲線還可反映海況對(duì)吊重的影響。此外，海上吊機(jī)還規(guī)定了該條件下主鉤吊繩與鉛垂線之間允許的最大角度。

3) 浮體穩(wěn)性。在半潛起重平臺(tái)作業(yè)時(shí)，需校核每種裝載狀況下的完整穩(wěn)性和破損穩(wěn)性[4]，并考慮所有作業(yè)吃水范圍內(nèi)起吊荷重傾覆力矩、起重作業(yè)最大設(shè)計(jì)風(fēng)速下的風(fēng)傾力矩和不對(duì)稱(chēng)裝載的傾覆力矩。此外，還需考慮起重機(jī)吊臂的方位、吊幅和吊高，以及將最大的甲板負(fù)荷和設(shè)備置于潛在的最不利位置上的情況。在計(jì)算復(fù)原力矩時(shí)，除了計(jì)及液艙內(nèi)自由液面的影響以外，還要假定起吊物的重心位于吊鉤懸掛點(diǎn)。該平臺(tái)配有反向壓載系統(tǒng)，因此需研究吊物突然跌落對(duì)完整穩(wěn)性的影響。破艙穩(wěn)性的風(fēng)傾力矩可按照最大設(shè)計(jì)風(fēng)速來(lái)計(jì)算。

4) 壓載水調(diào)整。超大的起吊荷重對(duì)平臺(tái)浮態(tài)的影響很大，因此在吊臂帶動(dòng)吊物回轉(zhuǎn)的過(guò)程中需通過(guò)不斷調(diào)整壓載水來(lái)使船體處于正浮狀態(tài)，以減小吊繩的不平衡力和吊點(diǎn)處的側(cè)向力。

5) 碰撞與干涉。在進(jìn)行起吊、回轉(zhuǎn)和安放作業(yè)之前，需預(yù)先考慮起重平臺(tái)不同結(jié)構(gòu)物之間及其與吊物之間可能出現(xiàn)的碰撞與干涉[4-5]，潛在的碰撞位置主要包括吊臂與吊臂、吊物與吊臂、吊物與吊機(jī)基座和吊物與平臺(tái)甲板建筑物。為保證作業(yè)安全，通常根據(jù)作業(yè)時(shí)間、吊裝流程和海況來(lái)設(shè)定最小間隙要求。對(duì)于荷重大于1000t或超過(guò)浮體排水量2%的海上重吊作業(yè)[5]，起吊時(shí)吊物需迅速脫離承載浮體或支撐結(jié)構(gòu)，以避免因相互運(yùn)動(dòng)而發(fā)生碰撞，其最小脫離速度為0.05m/s。

6) 主機(jī)功率。平臺(tái)吊裝過(guò)程中的功率消耗主要包括動(dòng)力定位系統(tǒng)的電力分配、調(diào)整壓載水的電力需求、居住人員的日常生活用電和吊機(jī)起吊或回轉(zhuǎn)過(guò)程中的電力負(fù)荷。

7) 甲板承載區(qū)域。半潛起重平臺(tái)需具有足夠大的甲板承載區(qū)域來(lái)承載大型模塊，同時(shí)要求貨物可經(jīng)回轉(zhuǎn)作業(yè)置于甲板承載區(qū)域內(nèi)。

本文基于Zeelandia平臺(tái)吊裝Spar上部模塊來(lái)論述雙吊聯(lián)動(dòng)回轉(zhuǎn)作業(yè)的影響因素并提供相應(yīng)的解決方案。在極限工況下的穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果表明，該平臺(tái)可提供充足的穩(wěn)性來(lái)滿(mǎn)足重吊作業(yè)要求。該平臺(tái)配備有2座總起重能力達(dá)25000t的桅式吊機(jī)，在重吊作業(yè)時(shí)要求主鉤吊繩垂向傾角不大于3°。巨大的主尺度造成Zeelandia平臺(tái)在動(dòng)力定位時(shí)耗費(fèi)的功率很大，超大的起吊荷重進(jìn)一步加劇了吊臂提升時(shí)的電力負(fù)荷。Spar上部模塊見(jiàn)圖2，拆卸大型機(jī)械設(shè)備和次要構(gòu)件之后，主體部分的長(zhǎng)、寬、高分別為70.0m、67.0m和26.7m，吊點(diǎn)距離為26m。

圖2 Spar上部模塊

3 吊物方向角不變的回轉(zhuǎn)作業(yè)

吊物方向角不變的回轉(zhuǎn)作業(yè)是指吊物在吊機(jī)的帶動(dòng)下以某個(gè)特定的方向角逐漸接近甲板承載區(qū)域。在該模式下，2個(gè)吊臂同步旋轉(zhuǎn)，吊物的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線，易于預(yù)測(cè)和控制吊物與各結(jié)構(gòu)物的間距。

吊臂初始提升角選定為61.0°，該角度為載荷特征曲線中極限起重能力對(duì)應(yīng)的最小角，以保證起吊作業(yè)時(shí)吊物與平臺(tái)之間的距離最大。為保證吊物的方向角不變，回轉(zhuǎn)過(guò)程中2臺(tái)吊機(jī)的吊臂向平臺(tái)左舷旋轉(zhuǎn)的角度始終相同；為使吊繩保持垂直，吊臂的抬升角根據(jù)旋轉(zhuǎn)角的變化進(jìn)行調(diào)整；吊點(diǎn)與甲板之間的垂向高度隨著提升角的改變而改變。為了使吊物與甲板之間的相對(duì)高度保持不變，在吊機(jī)帶動(dòng)貨物回轉(zhuǎn)的過(guò)程中，需實(shí)時(shí)收放吊繩。吊機(jī)帶動(dòng)貨物回轉(zhuǎn)過(guò)程中吊機(jī)吊臂旋轉(zhuǎn)角和提升角的變化及吊繩長(zhǎng)度調(diào)整的時(shí)歷曲線分別見(jiàn)圖3和圖4。吊物方向角不變聯(lián)合起吊作業(yè)流程見(jiàn)圖5。不難看出，由于吊臂旋轉(zhuǎn)角和提升角的變化，輔吊會(huì)發(fā)生干涉，為了避免這種情況發(fā)生，需在起吊作業(yè)前拆除單個(gè)輔吊或全部輔吊。

圖3 回轉(zhuǎn)過(guò)程中吊機(jī)吊臂旋轉(zhuǎn)角和提升角的變化

圖4 吊物運(yùn)動(dòng)與吊繩長(zhǎng)度調(diào)整

圖5 吊物方向角不變聯(lián)合起吊作業(yè)流程

4 吊臂提升角不變的回轉(zhuǎn)作業(yè)

吊臂提升角不變的回轉(zhuǎn)作業(yè)是指在吊機(jī)回轉(zhuǎn)過(guò)程中吊臂的提升角保持不變，兩吊臂以不同的旋轉(zhuǎn)速度相互配合，使吊物在吊機(jī)的帶動(dòng)下不斷轉(zhuǎn)動(dòng)并最終放置在甲板承載區(qū)域內(nèi)。該回轉(zhuǎn)模式比較復(fù)雜，需通過(guò)優(yōu)化計(jì)算來(lái)確定操作流程。

吊臂的提升角既要滿(mǎn)足吊機(jī)最大起重能力對(duì)角度的要求，又要保證初始狀態(tài)下2臺(tái)吊機(jī)不發(fā)生干涉。吊機(jī)聯(lián)合作業(yè)旋轉(zhuǎn)角時(shí)歷曲線見(jiàn)圖6，確保結(jié)構(gòu)物間隙大于2m，吊繩傾角小于3°；吊物水平隨動(dòng)的時(shí)歷曲線見(jiàn)圖7，貨物最終所在位置距離甲板中心3.8m，主方向與平臺(tái)一致。圖8為吊臂提升角不變聯(lián)合起吊作業(yè)流程：

1) 兩吊機(jī)朝相反的方向旋轉(zhuǎn)，從而使上部模塊旋轉(zhuǎn)并使其窄邊靠近平臺(tái)；

2) 吊物與尾吊的距離最小，2臺(tái)吊機(jī)同時(shí)向左舷靠近，貨物逐漸進(jìn)入平臺(tái)甲板；

3) 上部模塊旋轉(zhuǎn)90°后位于2臺(tái)吊機(jī)中點(diǎn)；

4) 吊物與首吊的距離最小，2臺(tái)吊機(jī)繼續(xù)向左舷行進(jìn)；

5) 首吊開(kāi)始逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，吊物旋轉(zhuǎn)角逐漸減小，此時(shí)吊物距離平臺(tái)駕駛室最近；

6) 上部模塊靠近平臺(tái)甲板中心，且其方向與平臺(tái)保持一致。

圖8 吊臂提升角不變聯(lián)合起吊作業(yè)流程

5 吊裝方式的對(duì)比和探討

通過(guò)以上分析可知，采用2種回轉(zhuǎn)方式都可將選定的Spar上部模塊放置到甲板指定區(qū)域并使其主方向與平臺(tái)保持一致，但2種方式的使用條件和操作流程存在明顯差異，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1) 吊裝準(zhǔn)備。采用吊物方向角不變的回轉(zhuǎn)作業(yè)需預(yù)先拆除輔吊以避免干涉。

2) 吊物初始方向角。盡管都是讓貨物的窄邊進(jìn)入平臺(tái)且最終的角度相同，但在初始條件下吊物的方向角相差90°。

3) 功率消耗。在采用吊物方向角不變的回轉(zhuǎn)方式時(shí)，為減小吊繩的傾斜角，需不斷調(diào)整吊臂的提升角；為維持吊物的高度，吊繩需及時(shí)收放，這會(huì)帶來(lái)更大的功率消耗。

4) 貨物行進(jìn)方式和最小間隙。當(dāng)?shù)跷锓较蚪遣蛔儠r(shí)，吊物行進(jìn)的路徑容易預(yù)判，可通過(guò)預(yù)調(diào)整來(lái)保證結(jié)構(gòu)物最小間距達(dá)到最大值，該模式更容易滿(mǎn)足作業(yè)要求。

5) 吊機(jī)操控。在采用吊物方向角不變的回轉(zhuǎn)方式時(shí)，吊臂提升角、旋轉(zhuǎn)角和吊繩長(zhǎng)度需同時(shí)調(diào)整，但2臺(tái)吊機(jī)調(diào)整的頻率和幅度相同；在采用吊臂提升角不變的回轉(zhuǎn)方式時(shí)，只需控制吊臂的旋轉(zhuǎn)角，但2個(gè)吊臂需以不同的旋轉(zhuǎn)角速度相互配合。

6) 吊物最終位置。在吊物方向角不變的條件下，吊物可沿其行進(jìn)路徑選定最終位置；在吊臂提升角不變的條件下，貨物旋轉(zhuǎn)著靠近甲板中心，只存在唯一位置來(lái)保證主方向角與平臺(tái)一致。

以上吊裝方式適于吊裝Spar上部模塊這類(lèi)長(zhǎng)寬比較小的結(jié)構(gòu)物。對(duì)于長(zhǎng)寬比較大的結(jié)構(gòu)物，通常要求運(yùn)輸時(shí)其長(zhǎng)度方向與平臺(tái)縱向保持一致，但由于吊機(jī)距離的限制，貨物不能沿長(zhǎng)邊進(jìn)入，因此無(wú)法采用吊物方向角不變的方式。吊臂提升角不變的方式受吊點(diǎn)距離和吊物尺寸的影響較大，因此結(jié)構(gòu)物在回轉(zhuǎn)過(guò)程中很可能無(wú)法滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)物間距的要求。因此，在吊裝這類(lèi)吊物時(shí)，需將2種回轉(zhuǎn)方式相結(jié)合，即主吊裝過(guò)程吊臂提升角不變而吊物不斷旋轉(zhuǎn)，在特定位置讓吊物沿某方向平移以滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)物的間距要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了雙吊聯(lián)動(dòng)回轉(zhuǎn)作業(yè)的限制條件，并以Zeelandia吊裝Spar上部模塊為研究對(duì)象，建立并完善了2套獨(dú)立的解決方案，一種是保持吊物方向角不變，另一種是保持吊臂提升角不變。在此基礎(chǔ)上，探討了2種方案各自的優(yōu)缺點(diǎn)和將兩者結(jié)合來(lái)吊裝特定貨物的必要性。本文主要對(duì)Spar上部模塊的吊裝進(jìn)行了深入分析，下一步將繼續(xù)調(diào)研海上安裝和拆解市場(chǎng)，并對(duì)其他潛在的重型結(jié)構(gòu)物的吊裝進(jìn)行研究。