單點(diǎn)系泊系統(tǒng)塔體結(jié)構(gòu)SPMT模塊車運(yùn)輸分析

郭 寧, 張 剛, 邵志坤

(海洋石油工程股份有限公司建造事業(yè)部,青島 266520)

0 引 言

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)作為一種成熟的海上油氣生產(chǎn)處理、貯存和轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)，已在歐美國家廣泛使用。隨著中國的深海戰(zhàn)略與海洋強(qiáng)國建設(shè)的推進(jìn)與實(shí)施，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)在中國也逐漸被采用。不同于常規(guī)的模塊或者船體結(jié)構(gòu)，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)多為圓筒形的塔體結(jié)構(gòu)，直徑多小于20 m，但內(nèi)嵌有大型軸承及鍛件結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是截面尺寸較小，噸位較大，因此在建造施工階段，該種大噸位的筒狀結(jié)構(gòu)的運(yùn)輸作業(yè)成為了一個難題。常用的普通液壓平板車運(yùn)輸能力一般小于塔體分段重量，無法起運(yùn)。自行式模塊運(yùn)輸車(self-propelled modular transporter, SPMT)模塊化運(yùn)輸車可以通過多軸線、多掛車輛拼裝組合的方式來達(dá)到所需要的運(yùn)輸能力，但是受限于塔體底部所能頂撐的截面尺寸較小，如果使用太長的拼接車板，則會使車板因受力過于集中而出現(xiàn)較大撓度變形。本文以國內(nèi)某單點(diǎn)系泊結(jié)構(gòu)建造施工階段，下塔體結(jié)構(gòu)使用三掛六軸線SPMT模塊車組成三角形排布的方式成功實(shí)施運(yùn)輸作業(yè)為例，闡述了圓筒形單點(diǎn)塔體結(jié)構(gòu)使用SPMT模塊車的方法及關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，為海工運(yùn)輸作業(yè)提供借鑒。

1 被運(yùn)塔體結(jié)構(gòu)概況

如圖1所示，被運(yùn)輸?shù)乃w結(jié)構(gòu)為單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的下塔體分段，為大口朝下的椎體結(jié)構(gòu)，下口直徑約為17 m，上口直徑約為7 m，高度約為10 m，總重量約為400 t，塔體底部有6個平底面(每個尺寸為1.2 m×1.8 m)為SPMT模塊車可頂運(yùn)支撐的平面，其余底部區(qū)域有管線法蘭探出，無法作為SPMT模塊車頂運(yùn)的支撐點(diǎn)。該6個平底面上部結(jié)構(gòu)為海底錨鏈在單點(diǎn)系泊系統(tǒng)上的生根點(diǎn)，為整個塔體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最大的部分。經(jīng)核算，可滿足SPMT模塊車運(yùn)輸頂撐的強(qiáng)度需求。

(a)

(b)

2 配車設(shè)計(jì)

2.1 配車整體規(guī)劃

SPMT模塊車常規(guī)運(yùn)輸為多掛車平行對齊排列，該方式易于定位設(shè)置坐標(biāo)，易于行走轉(zhuǎn)彎校核，易于分組編點(diǎn)。然而對于該塔體結(jié)構(gòu)，平行對齊布車的方式卻不適用，SPMT模塊車能夠頂撐的位置只有塔體周邊分布的6個平底面，中間區(qū)域?yàn)樘匠龅墓芫€法蘭，SPMT模塊車無法直接跨越。因此，根據(jù)這6個平底面的幾何分布，最合理的布車方式就是按照如圖2所示的方式，即三掛六軸線呈等邊三角形排布，每掛車帶一個動力單元(power pack unit, PPU)。使用三角形排布的方式，存在分組編點(diǎn)困難、定位設(shè)置坐標(biāo)煩瑣、行走轉(zhuǎn)彎核算復(fù)雜等問題。此外，單獨(dú)使用一個6軸線連接PPU進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)，還要考慮PPU自重對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的不均影響。

圖2 SPMT模塊車布車示意Fig.2 SPMT Arrangement General View

初步確定布車方式后，要先核算SPMT模塊車的整體運(yùn)輸能力是否滿足要求，這是開展后續(xù)方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。如表1所示，經(jīng)核算使用三掛六軸線(共計(jì)18軸線)，整體運(yùn)輸能力利用率為70%，滿足小于80%的要求。而每根軸線的軸載利用率，需要在確定分組編點(diǎn)及車體準(zhǔn)確定位后再進(jìn)一步核算。

表1 SPMT模塊車整體運(yùn)輸能力利用率[2]

說明： 表中，單個PPU自重7.2 t；每根軸線車體自重4 t；每根軸線運(yùn)輸能力為40 t。

2.2 SPMT模塊車分組編點(diǎn)

本次運(yùn)輸使用三掛六軸線車板，成三角形排布，相互之間無法進(jìn)行剛性連接固定，需要依靠塔體壓在車板上產(chǎn)生的靜摩擦力來實(shí)現(xiàn)車板之間的相對固定。并且該單點(diǎn)塔體結(jié)構(gòu)的海上在位工作狀態(tài)是靠三組海底錨鏈來實(shí)現(xiàn)錨固的，而本次運(yùn)輸頂撐的三個位置正好是三組止鏈器裝置在塔體上安裝的位置(見圖3)，塔體所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)更適合三點(diǎn)受力。

綜上所述，三點(diǎn)支撐相對于四點(diǎn)支撐更適于該塔體結(jié)構(gòu)的運(yùn)輸。

圖3 單點(diǎn)塔體止鏈器安裝位置Fig.3 Chain connectors installation position

采用三點(diǎn)支撐，即18根軸線劃分成3個分組，每個分組6根軸線，同一分組內(nèi)的所有懸掛液壓連通。以本運(yùn)輸為例，三點(diǎn)支撐有兩個可選方案(見圖4)。

方案一： 每掛車自成一個分組。

方案二： 每掛車的車頭前3根軸線與相鄰車的車尾后3根軸線分編程一組。

(a)

(b)

方案一分析： 單掛六軸線自成一組，內(nèi)部所有懸掛液壓相同，懸掛對車板的合力F0作用在車板的長度中心，如果貨物對車板的合力F3偏離車板的長度中心ΔL，則兩個力大小相等，方向相反，會對車板形成一對力偶M，其大小為

M=F3×ΔL

(1)

F3=F0

(2)

如圖5所示，該力偶會使車體有向偏重一側(cè)傾斜的趨勢，這種車體的傾斜會導(dǎo)致偏重一側(cè)液壓油流向偏輕一側(cè)；由于所有懸掛內(nèi)部液壓連通，每個懸掛的油壓全部相同，使車體傾斜的力偶M無法被平衡或消除，車體會存在傾翻的可能，因此方案一的分組方法并不安全。

圖5 編點(diǎn)分組方案一車板受力分析Fig.5 Force diagram for trailer of suspension mode option 1

方案二分析： 如圖6所示，每掛車在中心位置被分割成兩個分組，貨物對車板的合力F3大體在車板長度中心位置存在一定的偏心，因此車板兩端靠不同的兩組液壓懸掛支撐，每組懸掛支撐的合力F1和F2分別作用于兩端1/4車板長度位置。

圖6 編點(diǎn)分組方案二車板受力分析Fig.6 Force diagram for trailer of suspension mode option 2

編點(diǎn)分組方案二可簡化成如圖7所示的力學(xué)模型，塔體結(jié)構(gòu)對車板的合力F3作用于兩組懸掛支撐力F1和F2之間，每組液壓懸掛會根據(jù)各自分擔(dān)的負(fù)載大小，提供不同的支撐力，以實(shí)現(xiàn)車體的平衡。

圖7 編點(diǎn)分組方案二車板受力力學(xué)模型Fig.7 Mechanical model for trailer of suspension mode option 2

根據(jù)受力平衡原理,兩組支撐力F1和F2可通過式(3)得到

(3)

兩組懸掛會對車板兩側(cè)提供支撐以保證車體不會發(fā)生大幅度的傾斜，由于兩個分組之間的液壓不連通，因此不會發(fā)生液壓油流向傾斜一端的情況。通過上式可知，塔體結(jié)構(gòu)對車板的合力F3不能偏心過大，如果偏心過大，會造成兩個分組之間的油壓差過大，需要重新調(diào)整編點(diǎn)分組方式。

綜上分析可知，在現(xiàn)實(shí)中很難將貨物對車板的作用合力與車板中心重合，而方案二的編點(diǎn)分組方式對貨物小幅度的偏心誤差不太敏感，因此方案二更加安全可靠。

2.3 SPMT模塊車排布定位

使用單獨(dú)的六軸線SPMT模塊車加動力單元運(yùn)輸作業(yè)時，動力單元的自重會增加其一側(cè)分組的負(fù)載，如果軸載較大甚至接近額定軸載，再加上動力單元自重GPPU的作用，會存在軸載超過額定載荷的可能，因此動力單元的自重不可忽略。根據(jù)2.1節(jié)的計(jì)算，本次運(yùn)輸整體軸載利用率超過70%，考慮到偏心、動荷載等因素，個別軸線的軸載利用率會很高，動力單元的自重的影響不可忽略，需要采用合理的排布定位將動力單元的自重的影響降到最低。

如圖8所示，動力單元安裝在分組1一側(cè)，采用3/3分組。在空載的情況下，分組1懸掛內(nèi)的油壓會高于分組2，因此需要使塔體重量荷載的合力F3作用點(diǎn)稍偏向于分組2(偏移量為ΔL)，以此來抵消動力單元自重帶來的油壓不均衡。即塔體重量荷載F3和動力單元自重荷載GPPU的合力作用點(diǎn)正好位于車板中心，與車板自重Gcb的重心位置重合；并且如果兩個分組內(nèi)油壓相同，則地面對所有懸掛的支撐合力Fs作用點(diǎn)也位于車板中心。根據(jù)力矩平衡原理，可得

圖8 單掛六軸線帶動力頭受力分析Fig.8 Force diagram for trailer of 6-axle with PPU

F3×ΔL=GPPU×(2.32+4.2)

(4)

解得

(5)

以本塔體運(yùn)輸作為案例，塔體和運(yùn)輸框架總重量為413 t，重心位置幾乎與塔體形心位置重合，因此每掛車受到塔體重量荷載：

(6)

動力單元自重：

GPPU=7.2 (t)

(7)

將式(6)和式(7)代入式(5)，解得

ΔL=0.341 (m)

(8)

即將塔體重量荷載F3的作用點(diǎn)從車板中心向遠(yuǎn)離車頭方向偏移0.341 m， SPMT模塊車排布定位如圖9所示。

圖9 車板排布定位示意Fig.9 Trailer Layout Details

如圖10所示，本案例中實(shí)際的塔體運(yùn)輸作業(yè)按照上述排布定位，運(yùn)輸時三個分組懸掛內(nèi)油壓分別為17.1 MPa、 17.3 MPa、 17.2 MPa，每個分組承擔(dān)的塔體重量幾乎相等，且小于懸掛內(nèi)油壓最大允許值25 MPa，考慮到油壓計(jì)算負(fù)載利用率為69%，與2.1節(jié)中表1理論計(jì)算的整體運(yùn)輸力能利用率70%的數(shù)值偏差量僅為1%。

(a)

(b)

2.4 行走轉(zhuǎn)彎校核

不同于常規(guī)平行對齊排布的布車方式，本次運(yùn)輸中三掛車體成等邊三角形排布，在不同方向上最大輪廓尺寸大體相同；并且由于單個車輪轉(zhuǎn)向角度為-100°～+130°(每個車輪可以實(shí)現(xiàn)朝任意方向行走)，車體可以在整體朝向角不變的條件下，可以朝任何方向行駛；因此在遇到任何角度的拐彎路口時，車輛和貨物整體無須做任何轉(zhuǎn)向或者旋轉(zhuǎn)，而只須直接平移行走即可。為了調(diào)整塔體最終落地就位的朝向角度，須要繞塔體中心自轉(zhuǎn)一定角度，由于單個車板的旋轉(zhuǎn)圓心可以從車板中心到無窮遠(yuǎn)，因此該種布車可以實(shí)現(xiàn)繞塔體的自轉(zhuǎn)。經(jīng)計(jì)算，平移行走路徑的清障寬帶為19 m；進(jìn)行繞心旋轉(zhuǎn)時，需要清障的區(qū)域?yàn)橹睆綖?7 m的圓(自轉(zhuǎn)直徑為25 m， SPMT不可能實(shí)現(xiàn)絕對精準(zhǔn)的繞心旋轉(zhuǎn)，需要增加2 m的裕量)，如圖11所示。

此外，還要校核運(yùn)輸過程中的靜態(tài)穩(wěn)定角和動態(tài)穩(wěn)定角，核算是否要捆扎。具體校核方法與常規(guī)

(a)

(b)

的平行布車方式相同，因此不再贅述。

3 結(jié) 語

本文針對某已順利實(shí)施的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的塔體結(jié)構(gòu)，使用SPMT模塊車運(yùn)輸實(shí)例進(jìn)行分析總結(jié)，得出如下結(jié)論：

(1) 常規(guī)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的塔體結(jié)構(gòu)多為筒體或椎體結(jié)構(gòu)，塔體直徑通常不大(多為20 m左右，本實(shí)例中的塔體最大直徑為17 m)，宜采用三掛六軸線成三角形的布車方式進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)。

(2) 如果采用三掛六軸線排列成三角形的布車方式，宜采用三點(diǎn)支撐的編點(diǎn)分組方式，但是要避免將一個單獨(dú)的六軸線車板編點(diǎn)成一個分組，以避免車輛傾斜的風(fēng)險(xiǎn)，提高運(yùn)輸穩(wěn)定性。

(3) 單獨(dú)的六軸線車板如果掛載動力單元，則動力單元的自重會加大不同分組內(nèi)的油壓差，可以根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，微調(diào)塔體結(jié)構(gòu)對車板作用點(diǎn)的位置來抵消動力單元自重帶來的油壓不均衡。

(4) 三角形布車方式，可以朝任意方向平移行走，也可進(jìn)行整體繞心自轉(zhuǎn)，需要先明確平移行走時的貨與車的最大寬度、繪制行走路徑圖，并據(jù)此提前做好道路清障的準(zhǔn)備。如果要在某區(qū)域進(jìn)行繞心自轉(zhuǎn)，則應(yīng)根據(jù)最大自轉(zhuǎn)直徑，在該區(qū)域提前清障。