軌道小車施工技術(shù)在自升式鉆井平臺(tái)拉移下水工程中的應(yīng)用

(廣州打撈局，廣州 510260)

在海洋工程領(lǐng)域，大型海洋結(jié)構(gòu)物陸地模塊化建造后，通過運(yùn)輸駁船或半潛船運(yùn)輸至海上油田所在地進(jìn)行安裝施工，這類結(jié)構(gòu)物的常用裝船方式有牽引裝船與吊裝裝船。受現(xiàn)有起重船起吊能力的限制，吊裝裝船限于千噸級(jí)左右的結(jié)構(gòu)物，對(duì)重量達(dá)萬噸或以上的大型結(jié)構(gòu)物上船需采用牽引上船方式進(jìn)行裝載[1]。牽引裝船方式分為滑靴裝船與小車裝船兩種，現(xiàn)有的大型導(dǎo)管架、上部模塊、鉆井平臺(tái)多采用滑靴牽引裝船，該裝船方式技術(shù)相對(duì)成熟，但所需牽引力大，對(duì)牽引系統(tǒng)的設(shè)備配置要求較高。小車裝船方式有滑車(配滾輪的滑靴)裝船及自行式平板動(dòng)力車(SPMT)裝船，滑車裝船方式沿地面和船上鋪設(shè)軌道上船，對(duì)軌道平整度要求較高，對(duì)牽引設(shè)備要求較低；SPMT由一個(gè)個(gè)模塊小車組成，且配備有動(dòng)力系統(tǒng)，可以任意的橫向或縱向組合，組成一個(gè)裝載能力足夠大的平板車組，可實(shí)現(xiàn)超大型結(jié)構(gòu)物的運(yùn)輸[2-3]。

目前國內(nèi)自升式鉆井平臺(tái)平地建造完工后多采用滑靴拉移方式下水[4]。隨著自升式平臺(tái)建造規(guī)模越來越大，采用滑靴拉移方式所需要的拖曳力也越來越大，對(duì)拖曳系統(tǒng)硬件設(shè)備提出了更高要求。與此同時(shí)，隨著拖曳力的增大，在拉移上駁過程中的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)增大。相較于滑靴拉移，使用軌道小車作為滑道載體，平臺(tái)拉移由以往的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，可極大地減少拉移所需牽引力，所配置的儲(chǔ)備拖力相應(yīng)增加，可降低拉移過程中發(fā)生無法上駁的風(fēng)險(xiǎn)。

本文以國內(nèi)首例采用無動(dòng)力機(jī)械軌道小車進(jìn)行自升式鉆井平臺(tái)拉移下水工程為例，介紹軌道小車的滑道系統(tǒng)設(shè)計(jì)、牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，分析采用軌道小車進(jìn)行自升式鉆井平臺(tái)拉移下水的施工技術(shù)。

1 滑道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 滑道的數(shù)量

為了提高建造效率并縮短塢期，自升式鉆井平臺(tái)越來越多地在陸地平臺(tái)上進(jìn)行建造，然后通過拉移裝載方式進(jìn)行滑移下水。鉆井平臺(tái)建造初期，在平臺(tái)底部布置有塢墩用于承載；建造完工后，拆除塢墩，鉆井平臺(tái)重量全部轉(zhuǎn)移至滑道載體上，分配至單個(gè)滑道上的重量與滑道的數(shù)量有著直接的聯(lián)系。

增加滑道數(shù)量，滑道建造及鋪設(shè)成本增大，施工工期增長，滑道鋪設(shè)的整體精度要求也隨著提高。減少滑道數(shù)量，分配至單個(gè)滑道上的重量將增大，地基局部承載力也隨著增大。

在以往大型結(jié)構(gòu)物拉移工程中，海油工程公司采用滑靴裝船技術(shù)成功完成了2座L780 MODE Ⅱ型自升式鉆井平臺(tái)，其中滑靴滑道布置數(shù)量為4道，滑靴擺放在剛度相對(duì)較大的4道船體縱艙壁下[5]；海油工程(青島)有限責(zé)任公司利用SPMT小車成功將重達(dá)5 000 t的大型鎳礦冶煉模塊裝船，模塊下面共布置有6排小車，每一排小車由5組6軸SPMT組成，總共30輛SPMT小車組成滑道[6]。

依據(jù)GL Noble Denton 裝載規(guī)范[7](以下簡稱規(guī)范)的規(guī)定，拉移裝載需要考慮被裝載的結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度、滑道及現(xiàn)場地基承載力是否滿足拉移作業(yè)的要求。因此，滑道的數(shù)量通常在綜合考查上述情況后進(jìn)行確定。

該鉆井平臺(tái)底部為平面艙室結(jié)構(gòu)，沿縱向分布有4道連續(xù)縱艙壁，同時(shí)3個(gè)樁腿附近及樁靴處均為加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，本次拉移滑道選擇布置于平臺(tái)底部縱向艙壁及樁靴處。除考慮鉆井平臺(tái)自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度外，還應(yīng)對(duì)現(xiàn)場地基的承載力及半潛駁甲板承載力進(jìn)行校核。根據(jù)校核結(jié)果，以最大程度地節(jié)約施工成本與工期為原則，本次工程鉆井平臺(tái)底部沿縱向艙壁共布置5條滑道，見圖1。

圖1 平臺(tái)底滑道布置示意

1.2 滑道的組成

應(yīng)考慮所采用的滑道形式及拉移裝載實(shí)際情況。自升式鉆井平臺(tái)的外底板一般較薄，常常低于10 mm，采用滑靴拉移方式裝載時(shí)，為避免裝船過程中船體出現(xiàn)大的變形，應(yīng)將滑靴設(shè)計(jì)成與船體變形相協(xié)調(diào)的支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)滑靴本身要具備足夠的強(qiáng)度來滿足裝船過程中的支撐要求，典型的滑靴拉移滑道組成見圖2。

圖2 滑靴典型橫剖面

該自升式鉆井平臺(tái)在建造初期未預(yù)先建造拉移專用滑道，鉆井平臺(tái)建造完工后地基出現(xiàn)了不同程度的沉降。拉移施工前需在鉆井平臺(tái)底部鋪設(shè)專用混凝土滑道，以加強(qiáng)滑道處地基的承載力，并在混凝土滑道上采用鋼質(zhì)軌道加小車的方式進(jìn)行滑道鋪設(shè)。

軌道小車選用無動(dòng)力的機(jī)械小車，由車身主體及4個(gè)車輪組成。車身主體設(shè)置左右2個(gè)箱型梁用于承載。車輪為鑄鋼件，技術(shù)要求和檢驗(yàn)按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。車輪經(jīng)過嚴(yán)格熱處理，使踏面和輪緣內(nèi)側(cè)面硬度提高；車輪與銅套為過盈配合，輪軸中心開注油孔，銅套內(nèi)側(cè)開潤滑油槽。小車使用前向輪軸注油孔內(nèi)注射潤滑油進(jìn)行潤滑。

由于鉆井平臺(tái)自身重量達(dá)9 600 t，分配至單個(gè)滑道上的重量較大，且呈區(qū)域性分布，為滿足滑移軌道承載力要求，滑移軌道選用起重機(jī)專用P形軌道，每條滑道上鋪設(shè)兩條該型軌道。根據(jù)軌道所承受的載荷大小，設(shè)計(jì)支撐軌道的專用鋼筋混凝土承臺(tái)，并預(yù)埋螺栓，鋪設(shè)鋼板，軌道通過特定的連接方式固定至鋪設(shè)的鋼板上。

軌道小車按照設(shè)計(jì)間距均勻布置于滑道上，小車間通過鋼質(zhì)墊梁進(jìn)行焊接固定。為了確?；莱休d均勻，鋼質(zhì)墊梁之上另外鋪設(shè)一層楔形墊木。拉移滑道組成見圖3。水泥墩及軌道組成為下滑道，軌道小車與鋼質(zhì)墊梁組成為上滑道。在拉移過程中，下滑道固定不動(dòng)，通過拉動(dòng)上滑道使平臺(tái)向前移動(dòng)。

圖3 滑道的組成示意

1.3 小車布置

該軌道小車單臺(tái)設(shè)計(jì)負(fù)荷為1 200 kN，實(shí)驗(yàn)室加載測試負(fù)荷達(dá)2 000 kN。根據(jù)鉆井平臺(tái)拉移裝載時(shí)的總重量(約96 000 kN)及單臺(tái)小車設(shè)計(jì)負(fù)荷，并考慮25%承載裕度，在滑道上共布置100臺(tái)軌道小車。

鉆井平臺(tái)沿縱向長度較長，因此每臺(tái)軌道小車間將按一定的間隔距離進(jìn)行布置，而軌道小車布置的疏密程度需要根據(jù)鉆井平臺(tái)的重量分布進(jìn)行合理的布置[8]。在鉆井平臺(tái)重量較為集中的地方布置較密的軌道小車，而在重量分布較為分散的地方可適當(dāng)減少軌道小車數(shù)量。

鉆井平臺(tái)的重量分布與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，3個(gè)樁腿處結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)件較多，平臺(tái)尾部區(qū)域布置有大型伸縮懸臂結(jié)構(gòu)，平臺(tái)首部布置有生活樓層等。由于平臺(tái)尾部有2個(gè)樁腿，同時(shí)尾部甲板上方布置有懸臂梁，因此鉆井平臺(tái)重量主要集中于尾部區(qū)域。根據(jù)樁腿分布情況及拉移裝載特性，將鉆井平臺(tái)沿縱向分為3站，進(jìn)行重量統(tǒng)計(jì)，見圖4。

圖4 平臺(tái)重量分布

由圖4可知，在尾部24 m范圍內(nèi)重量較為集中，中部相對(duì)較輕，首部稍重。鉆井平臺(tái)尾部共5個(gè)支撐滑道，可整體布置較密的軌道小車；鉆井平臺(tái)首部輪廓內(nèi)收，平臺(tái)底部僅3條支撐滑道，同樣需要布置較密的軌道小車，平臺(tái)中部區(qū)域重量相對(duì)較輕，可布置相對(duì)較疏的軌道小車。根據(jù)平臺(tái)重量分布及小車設(shè)計(jì)負(fù)荷，合理分配每條滑道上小車數(shù)量及小車間距，使小車承重均勻。小車布置見圖5。

圖5 小車布置示意

1.4 滑道的鋪設(shè)

施工前，預(yù)先將軌道規(guī)格件組裝至鋼板上，將軌道小車與鋼質(zhì)墊梁進(jìn)行焊接。施工中，首先在鉆井平臺(tái)底部鋪設(shè)水泥墩，將組裝好的軌道與鋼板安裝至水泥墩上。隨后，將軌道小車與鋼質(zhì)墊梁鋪設(shè)至滑道上，并打緊楔形木塊，完成滑道的鋪設(shè)作業(yè)。

在使用軌道小車進(jìn)行拉移裝載時(shí)，軌道小車對(duì)滑道鋪設(shè)的平整度有較高的要求，整個(gè)滑道的高程差需控制在10 mm以內(nèi)。在滑道鋪設(shè)前，需要對(duì)整個(gè)裝載路徑的高程進(jìn)行詳細(xì)測量，如出現(xiàn)地面起伏不平的情況需墊平調(diào)整。在實(shí)際鋪設(shè)過程中，使用不同厚度的條形鋼板對(duì)水泥墩進(jìn)行墊平處理，使整個(gè)滑道平整度滿足要求。

施工中，楔形木塊選擇韌性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)均勻的木材，楔木平鋪至平臺(tái)底，楔木鋪設(shè)完成后，使用鐵錘對(duì)楔木兩側(cè)進(jìn)行敲緊打?qū)崳苊獬霈F(xiàn)單個(gè)小車或者墊梁局部位置的載荷過大。

1.5 過渡段滑道設(shè)計(jì)

在鉆井平臺(tái)過駁接載過程中，半潛船滑道相對(duì)于陸地滑道在垂直高度上存在有落差。在以往常規(guī)的拉移作業(yè)中，半潛船軌道高度控制在略高于陸地軌道，高差控制在25 mm以內(nèi)，避免在被拉移物重量轉(zhuǎn)移至駁船時(shí)，駁船側(cè)過渡段軌道懸空而致出現(xiàn)超出過渡軌道結(jié)構(gòu)允許的極限剪切強(qiáng)度值[9-10]。為了確保平臺(tái)順利由陸地滑道過駁至半潛船滑道，根據(jù)滑道特點(diǎn)設(shè)計(jì)了由陸地滑道至半潛船滑道的過渡軌道。

過渡軌道的長度選取參照軌道小車車輪縱向最小間距，即過渡軌道的長度小于縱向相鄰車輪最小間距。過渡軌道首尾分別搭接在陸地滑道與半潛船甲板上，并在搭接處兩側(cè)布置擋板防止其左右擺動(dòng)，見圖6。過駁接載過程中，過渡軌道可在垂直方向小幅翹動(dòng)，確保軌道小車無障礙通過整個(gè)過渡段軌道。

圖6 過渡軌道示意

2 牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 拉移裝載等級(jí)劃分及牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

根據(jù)規(guī)范，裝載作業(yè)活動(dòng)依據(jù)潮汐狀態(tài)進(jìn)行等級(jí)劃分，見表1所示。機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、儲(chǔ)備量和冗余要求均隨裝載等級(jí)而變化。

本次裝載作業(yè)碼頭位于長江入海口，作業(yè)期間碼頭潮差大，且漲落潮快，在潮汐周期內(nèi)通過駁船調(diào)載來維系甲板與碼頭高度較為困難，因此，選定在一個(gè)潮汐窗口內(nèi)完成，裝載等級(jí)選取為1類。

依據(jù)規(guī)范及拉移裝載等級(jí)，牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須符合如表2所示的要求。

表1 裝載等級(jí)劃分

表2 牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求(I類)

注：“包含”指滑移載體存在可逆向運(yùn)動(dòng)情況時(shí)自身內(nèi)置的配備。

根據(jù)表2可知，本次拉移裝載牽引系統(tǒng)按照拖車裝載的“非推進(jìn)式”列項(xiàng)中要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。牽引系統(tǒng)按照滑道實(shí)際傾斜度+3%進(jìn)行設(shè)計(jì)，并包含制動(dòng)系統(tǒng)，以及要求布置系統(tǒng)冗余及回拉裝置。

2.2 牽引力計(jì)算

采用軌道小車作為滑道載體，牽引系統(tǒng)需要克服小車車輪與軌道間的滾動(dòng)摩擦力。統(tǒng)計(jì)多種滑道情況下滾動(dòng)摩擦系數(shù)值見表3。

表3 典型的滾動(dòng)摩擦系數(shù)

基于大量的經(jīng)驗(yàn)，參考表3中的滾動(dòng)摩擦系數(shù)值，選取本次軌道小車的起動(dòng)摩擦系數(shù)為0.03。

計(jì)及鉆井平臺(tái)建造完工重量以及軌道小車工裝重量，本次拉移裝載總重約為99 100 kN?；冷佋O(shè)經(jīng)過嚴(yán)格的測量與精度控制，滑道的高度差控制在10 mm以內(nèi)。根據(jù)鉆井平臺(tái)縱向長度值，當(dāng)鉆井平臺(tái)處于尾傾0.5°時(shí)，平臺(tái)首尾高度差將達(dá)到620 mm，實(shí)際拉移作業(yè)過程中，鉆井平臺(tái)首尾高差控制在10～30 mm范圍內(nèi)，因此鉆井平臺(tái)在滑道上近似處于水平狀態(tài)。在偏于安全角度考慮，本次滑道實(shí)際傾斜度選取為0.5°，按規(guī)范另外附加3%滑道傾斜度，則計(jì)算中滑道傾斜角度為0.515°，計(jì)算得拉移所需的牽引力為3 787 kN。

2.3 牽引系統(tǒng)組成

按照規(guī)范要求，對(duì)于裝載等級(jí)為1類的拉移作業(yè)，牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)除布置滿足要求的牽引設(shè)備外，另需進(jìn)行系統(tǒng)冗余的儲(chǔ)備，以及布置回拉系統(tǒng)，并包含制動(dòng)系統(tǒng)。

軌道小車自身無動(dòng)力，拉移作業(yè)通過使用絞車絞拉的方式進(jìn)行。牽引絞車布置于半潛船上，回拉絞車布置于陸地上，牽引系統(tǒng)與回拉系統(tǒng)使用相同絞車配置。拉移系統(tǒng)包括以下部分：

1)4臺(tái)200 kN液壓絞車作為主牽引絞車，通過4組1 600 kN的4輪滑車共計(jì)提供6 400 kN的牽引力作為主牽引系統(tǒng)。

2)4臺(tái)200 kN液壓絞車作為回拉絞車，通過4組1 600 kN的4輪滑車共計(jì)提供6 400 kN的回拉力作為回拉系統(tǒng)。

絞車通過液壓控制柜統(tǒng)一發(fā)出啟停指令，根據(jù)拉移裝載實(shí)際情況，通過控制柜集成系統(tǒng)實(shí)施單臺(tái)或多臺(tái)絞車同步運(yùn)行?，F(xiàn)場安排專業(yè)技術(shù)人員監(jiān)控絞車運(yùn)行狀態(tài)，保障絞車的正常作業(yè)。能較好的應(yīng)對(duì)牽引過程中出現(xiàn)牽引阻力增大的情況，降低了因牽引力突然增大而無法拉移上駁的風(fēng)險(xiǎn)，提高了本次裝載作業(yè)的可靠性及安全性[11]。牽引系統(tǒng)及回拉系統(tǒng)布置見圖7。

本次裝載的牽引系統(tǒng)共可提供6 400 kN的牽引力，裝載作業(yè)牽引力實(shí)際使用率為60%，牽引力儲(chǔ)備充足[11]。

3 結(jié)論

相較于傳統(tǒng)的滑靴拉移，使用小車進(jìn)行鉆井平臺(tái)的拉移裝載可以極大地減小拉移所需的牽引力，對(duì)絞車及滑車的配置要求也大幅程度的降低。使用軌道小車進(jìn)行拉移裝載對(duì)滑道的鋪設(shè)精度提出了較高的要求，拉移裝載過程中，對(duì)半潛船的調(diào)載也提出了較高的要求?？山梃b的經(jīng)驗(yàn)如下。

圖7 牽引系統(tǒng)布置示意

1)滑道數(shù)量的選取需兼顧現(xiàn)場地基承載力及自升式鉆井平臺(tái)底部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來確定。由于軌道鋪設(shè)工作量巨大，滑道數(shù)量的選取應(yīng)兼顧工程施工的經(jīng)濟(jì)性。

2)由于軌道小車通過車輪在重型軌道上行走，鉆井平臺(tái)拉移過程中必須控制絞車牽引的同步性，防止軌道小車車輪偏離軌道。

3)采用軌道小車進(jìn)行拉移裝載，所需配置的牽引力較小，可儲(chǔ)備的牽引力增大，從而減小了拉移上駁風(fēng)險(xiǎn)，可避免拉移上駁過程中出現(xiàn)阻力增大而無法上駁的情況。