新型半潛式起重平臺(tái)聯(lián)合吊裝的設(shè)計(jì)與分析

ZhouJoe黃凱DattaIndra

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

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)全球有超過7 000個(gè)海工平臺(tái)，其中約1 000個(gè)4 000 t以上的老舊平臺(tái)需拆解，預(yù)計(jì)至2040年歐洲北海海上平臺(tái)拆解的市場規(guī)模將達(dá)520億歐元。全球海上重型起重設(shè)備一直處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，目前運(yùn)營的半潛式起重平臺(tái)(Semi-Submersible Crane Vessel, SSCV)大部分建造于20世紀(jì)90年代前并且數(shù)量稀少，其各自的工作計(jì)劃已經(jīng)很飽滿，甚至超負(fù)荷運(yùn)行。全球重要的海工運(yùn)營方和供應(yīng)商正瞄準(zhǔn)老舊平臺(tái)拆解市場并積極制訂大型起重設(shè)備的制造計(jì)劃。國內(nèi)外企業(yè)和院校對起重平臺(tái)吊裝作業(yè)進(jìn)行了一系列研究：何強(qiáng)[1]和魏國[2]以南海荔灣3-1氣田Spar平臺(tái)為研究對象，分別對Spar平臺(tái)上部模塊在起吊就位過程中與起重船的耦合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和就位對接碰撞過程進(jìn)行分析研究；RAJASEKARAN等[3]運(yùn)用假設(shè)最小力矩和最大固有頻率的方法研究上部模塊的最佳吊裝點(diǎn)的位置，通過與實(shí)際安裝結(jié)果的比較得出在兩種假設(shè)條件下吊點(diǎn)設(shè)置的影響；COZIJN等[4]和XU[5]開展與海上安裝相關(guān)的模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬；ACERD[6]對海上風(fēng)機(jī)安裝作業(yè)的限制條件進(jìn)行評估。本文針對新型SSCV的功能要求，設(shè)計(jì)適合此類小水線面平臺(tái)的起吊過程，并構(gòu)建優(yōu)化程序確定雙吊聯(lián)動(dòng)的具體方案，以將不同吊物轉(zhuǎn)移至甲板指定位置。

1 新型SSCV介紹及吊裝影響因素

受操作空間的限制，傳統(tǒng)SSCV[7]只能進(jìn)行雙吊聯(lián)合起吊，無法實(shí)現(xiàn)雙吊聯(lián)合回轉(zhuǎn)，吊裝作業(yè)需依靠運(yùn)輸駁船的輔助來完成，這會(huì)造成平臺(tái)使用效率下降和成本上升等問題。傳統(tǒng)起重平臺(tái)及其吊裝方式如圖 1所示。

圖1 傳統(tǒng)起重平臺(tái)和吊裝方式

新型SSCV配備2臺(tái)起重能力達(dá)12 500 t的桅式全回轉(zhuǎn)重吊，如圖 2所示。該新型平臺(tái)除具有較高的起吊能力外，其吊機(jī)布置于船體一側(cè)使得吊間距超過110 m，平臺(tái)甲板預(yù)留了充足空間用于大型貨物的調(diào)整和就位，雙吊聯(lián)合起吊和回轉(zhuǎn)作業(yè)可將重達(dá)2萬t的超大貨物轉(zhuǎn)移到平臺(tái)甲板指定承載區(qū)域，從而形成老舊平臺(tái)拆解、起吊和運(yùn)輸?shù)囊粭l龍服務(wù)。新型SSCV吊裝影響因素[8]主要包括以下幾點(diǎn)：

(1) 吊機(jī)載荷特征。吊機(jī)主要技術(shù)參數(shù)包括起吊重量、提升高度、作業(yè)跨度和組塊運(yùn)行速度等，通常使用載荷特征曲線來獲得吊機(jī)的起重荷重隨著作業(yè)半徑和提升高度變化的規(guī)律。吊機(jī)在溫和海況下的特征曲線如圖 3所示，海上吊裝時(shí)其主鉤吊繩傾角不大于3°(靜傾角與動(dòng)傾角之和)。

圖2 新型SSCV采用側(cè)向雙吊

圖3 吊機(jī)載荷特征曲線

(2) 浮體穩(wěn)性[9]。起吊作業(yè)需校核不同工況下的完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性，計(jì)算時(shí)將吊物置于吊鉤懸掛點(diǎn)并將甲板負(fù)荷加載到最不利位置上。因吊機(jī)配備反向壓載系統(tǒng)，還需考慮吊物突然跌落對穩(wěn)性的影響。

(3) 壓載水調(diào)整。2萬t荷重對平臺(tái)浮態(tài)影響較大，為減小海上吊裝作業(yè)時(shí)吊繩傾角和不平衡力，在聯(lián)合起吊和回轉(zhuǎn)過程中需不斷調(diào)整壓載水以保證浮體始終處于或接近正浮狀態(tài)。

(4) 主機(jī)功率。吊裝作業(yè)時(shí)的平臺(tái)功率消耗主要來自于動(dòng)力定位[9]、吊機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、壓載水調(diào)整，以及其他設(shè)備及生活設(shè)備用電。

(5) 不同結(jié)構(gòu)物間距。大型結(jié)構(gòu)物聯(lián)合回轉(zhuǎn)作業(yè)尤其應(yīng)注意避免結(jié)構(gòu)物之間碰撞與干涉[5-6]，典型的碰撞位置包括兩吊臂之間、吊物與吊機(jī)以及吊物與甲板建筑物之間等。為保障作業(yè)安全，一般依據(jù)作業(yè)周期、吊裝流程和海況條件設(shè)定間隙要求。對于荷重大于1 000 t或超過浮體排水量2%的海上重吊作業(yè)[10]，吊物提升后需迅速脫離支撐結(jié)構(gòu)以避免浮體之間相對運(yùn)動(dòng)引起的碰撞，其脫離速度要求達(dá)到0.05 m/s。

2 雙吊聯(lián)合起吊流程

新型SSCV主尺度決定了其動(dòng)力定位的功率消耗較高，聯(lián)合吊裝2萬t重物進(jìn)一步加劇了電力負(fù)荷，因此盡管其配備了12臺(tái)超過7 MW的發(fā)電機(jī)，重物起吊時(shí)的最小脫離速度仍無法滿足要求。為解決這一問題，對平臺(tái)布置和起吊流程進(jìn)行改進(jìn)，在甲板盒內(nèi)設(shè)置快速壓載艙并將起吊過程分為以下步驟：

圖4 快速壓載艙的布置和操作

(1) 在A、B和C等3個(gè)甲板艙內(nèi)預(yù)先注入指定體積的壓載水。

(2) 緩慢收緊吊繩使吊點(diǎn)受力接近2萬t荷重的80%，同時(shí)微調(diào)浮筒內(nèi)壓載水使浮體達(dá)到正浮狀態(tài)。

(3) 保持吊繩長度不變，向艙內(nèi)加壓快速排出A、B和C艙內(nèi)的壓載水并往D艙注入壓載水，平臺(tái)吃水在1 min內(nèi)減小4.0 m，吃水的改變使吊機(jī)承受剩余20%的荷重，并使吊物脫離支撐結(jié)構(gòu)的相對速度達(dá)0.05 m/s。

(4) 在吊物到達(dá)安全高度后，繼續(xù)緩慢回收吊繩將吊物提升到指定高度。

快速壓載艙的布置和操作如圖4所示。

3 雙吊聯(lián)合回轉(zhuǎn)流程

常規(guī)起重平臺(tái)的海上吊裝作業(yè)需要運(yùn)輸駁船輔助完成，其吊裝過程相對簡單，主要考察吊機(jī)載荷特征以及平臺(tái)在極限工況下的穩(wěn)性、壓載水容量和電力消耗等。新型SSCV吊裝貨物的質(zhì)量和尺寸更大，海上吊裝的最大挑戰(zhàn)來自于將大型貨物轉(zhuǎn)移到平臺(tái)甲板的雙吊聯(lián)合回轉(zhuǎn)過程，在該過程中兩吊機(jī)需相互配合、聯(lián)動(dòng)作業(yè)，此外吊機(jī)和貨物運(yùn)動(dòng)的限制條件多、控制參數(shù)隨時(shí)間不斷變化，工程人員很難針對不同貨物給出合理的操作方案，因此需開發(fā)相應(yīng)計(jì)算程序來確定吊臂的初始提升角、初始旋轉(zhuǎn)角、具體回轉(zhuǎn)過程等，以輔助建立完善的雙吊聯(lián)動(dòng)作業(yè)流程。

雙吊聯(lián)合回轉(zhuǎn)過程的優(yōu)化程序在Matlab[11]中構(gòu)建，其優(yōu)化目標(biāo)為減小吊機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度范圍以降低平臺(tái)功率消耗，約束條件包括：(1)起重平臺(tái)與貨物承載平臺(tái)的間距大于10 m；(2)初始條件下兩吊機(jī)對稱于平臺(tái)中橫剖面；(3)吊臂提升角度滿足起吊荷重要求；(4)吊繩靜傾角始終小于1°；(5)不同結(jié)構(gòu)物間距始終大于3.0 m；(6)貨物最終就位于甲板指定承載區(qū)域內(nèi)并且方向與平臺(tái)主方向保持一致。下文簡述約束條件4和5的控制方程。

如圖 5所示：起吊作業(yè)完成后吊繩長度為s；首尾吊機(jī)的主鉤位置分別為J(Jx,Jy,Jz)和K(Kx,Ky,Kz)，間距為d；吊臂底部鉸接點(diǎn)分別為A(Ax,Ay,Az)和P(Px,Py,Pz)；吊點(diǎn)分別為T1和T2，間距為l；輔吊臂的連接點(diǎn)分別為B(Bx,By,Bz)和Q(Qx,Qy,Qz)；吊臂回轉(zhuǎn)角分別為α和β，提升角均為φ。為保證靜態(tài)條件下吊繩傾角不大于1.0°，若首吊回轉(zhuǎn)角α已定，則尾吊回轉(zhuǎn)角β的范圍為

(1)

式中：

(2)

d≤l±2s·sin(1.0°)

(3)

假設(shè)主吊臂長度|AB|=|PQ|=R，主吊臂鉸接點(diǎn)至旋轉(zhuǎn)軸的水平距離|AO'|=|PO''|=r，以A、B、P和Q等4點(diǎn)為例，利用空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系可確定各點(diǎn)矢徑以及矢量AB和PQ，如式(4)～式(11)所示。假設(shè)M(Mx,My,Mz)為線段AB上任意一點(diǎn)，N(Nx,Ny,Nz)為線段PQ上任意一點(diǎn)，根據(jù)空間距離公式的偏導(dǎo)數(shù)可求得M與N兩點(diǎn)間距的最小值，即主吊臂軸的最小間距，具體公式不在本文列出。同樣地，吊臂、基座、吊物和甲板結(jié)構(gòu)物等均可使用多點(diǎn)或多線段模擬，采用相同方法可求得不同結(jié)構(gòu)物之間的最小距離，其都在優(yōu)化程序中被限定。

OA={Ax,Ay,Az}=OO′+R1′×ηα

(4)

OB={Bx,By,Bz}=OO′+[(R2′-R1′)×ηφ+R1′]×ηα

(5)

OP={Px,Py,Pz}=O″O+R1″×ηβ

(6)

OQ={Qx,Qy,Qz}=OO″+[(R2″-R1″)×ηφ+R1″]×ηβ

(7)

AB=(R2′-R1′ )×ηφ×ηα

(8)

PQ=(R2″-R1″ )×ηφ×ηβ

(9)

圖5 平臺(tái)吊機(jī)示例

式(4)～式(9)中：ηα和ηβ為吊臂繞y軸旋轉(zhuǎn)α和β的旋轉(zhuǎn)矩陣；ηφ為吊臂繞z軸旋轉(zhuǎn)φ的旋轉(zhuǎn)矩陣；R1″=O″O+{r,0,0}；R2″=O″O+{R+r,0,0}。

4 雙吊聯(lián)合回轉(zhuǎn)案例分析

選取某Spar平臺(tái)上部模塊為研究對象，為減小外輪廓尺寸除了拆除火炬塔、救生艇和吊機(jī)等大型設(shè)備外還應(yīng)盡可能多地切割次要構(gòu)件。預(yù)處理后剩余部分位于模塊強(qiáng)梁上，其長寬高分別為70.0 m、67.0 m和38.8 m，兩個(gè)吊點(diǎn)之間的距離為41.7 m，質(zhì)量為16 000 t。

利用優(yōu)化程序?qū)υ撋喜磕K的雙吊聯(lián)合回轉(zhuǎn)過程進(jìn)行求解，得到吊臂的初始提升角為69.5°，既滿足該荷重下的角度要求，又保證了初始條件下兩吊機(jī)不發(fā)生干涉。兩吊機(jī)旋轉(zhuǎn)過程如圖 6所示。吊物三自由度運(yùn)動(dòng)如圖 7所示，吊物往平臺(tái)一側(cè)移動(dòng)了98.0 m，最終位置距離甲板中線為3.8 m，并且方向與平臺(tái)縱向保持一致。

為進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化方案的合理性，應(yīng)用OrcaFlex軟件對兩吊機(jī)旋轉(zhuǎn)過程進(jìn)行時(shí)域模擬，以獲得整個(gè)回轉(zhuǎn)過程的具體參數(shù)和直觀視圖。模擬結(jié)果表明在優(yōu)化回轉(zhuǎn)過程中吊繩最大靜傾角為0.6°，各結(jié)構(gòu)物最小間距為2.3 m，均滿足優(yōu)化程序給定的約束條件。圖 8給出了吊機(jī)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的視圖：(1)兩吊機(jī)朝相反方向旋轉(zhuǎn)從而使上部模塊在空中旋轉(zhuǎn)并且窄邊靠近平臺(tái)；(2)吊物與尾吊間距最小，兩吊機(jī)同時(shí)向左舷旋轉(zhuǎn)，吊物逐漸進(jìn)入平臺(tái)甲板上方；(3)上部模塊旋轉(zhuǎn)90°后位于兩吊正中間；(4)吊物與首吊間距最小，兩吊機(jī)繼續(xù)向左舷旋轉(zhuǎn)；(5)首吊開始逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，吊物與平臺(tái)駕駛室的距離最??；(6)吊物接近甲板中心并且方向角與平臺(tái)保持一致。從動(dòng)態(tài)模擬視圖也可看出結(jié)構(gòu)物之間不會(huì)發(fā)生碰撞。

圖6 吊機(jī)旋轉(zhuǎn) 圖7 吊物運(yùn)動(dòng)

圖8 聯(lián)合起吊作業(yè)

5 結(jié) 論

根據(jù)新型SSCV自身限制條件設(shè)計(jì)了使用快速壓載艙的起吊流程，該流程同樣適用于其他小水線面起重平臺(tái)。鑒于雙吊聯(lián)合回轉(zhuǎn)的復(fù)雜性，構(gòu)建了用于確定吊臂初始提升角、初始旋轉(zhuǎn)角以及雙吊旋轉(zhuǎn)過程的數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化算法。對某Spar上部模塊吊裝的優(yōu)化計(jì)算和時(shí)域模擬結(jié)果表明該方法具有較高的可靠性，也可為其他平臺(tái)的雙吊聯(lián)合回轉(zhuǎn)作業(yè)提供指導(dǎo)。目前的優(yōu)化程序假定兩吊機(jī)提升角相同且保持不變，以后將引入提升角的調(diào)整來進(jìn)一步減小結(jié)構(gòu)物間距。