半潛式起重拆解平臺(tái)非下潛狀態(tài)下吊機(jī)試驗(yàn)的可行性研究

顏長(zhǎng)青，馮光建，陳伶翔，洪昌盛

(招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 海門 226116)

隨著海洋工業(yè)的快速發(fā)展，半潛式平臺(tái)、張力腿平臺(tái)、浮動(dòng)式海上生產(chǎn)設(shè)施等浮體結(jié)構(gòu)物模塊的質(zhì)量已越來(lái)越大，傳統(tǒng)的起重船舶已經(jīng)無(wú)法滿足吊裝運(yùn)輸?shù)男枨?。半潛式起重拆解平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱平臺(tái))現(xiàn)廣泛應(yīng)用在鉆井平臺(tái)、導(dǎo)管架、組塊及FPSO模塊的安裝吊載運(yùn)輸過(guò)程中，可適用于不同場(chǎng)合和滿足不同噸位的質(zhì)量要求[1]。平臺(tái)自重大，提供浮力的下浮體水平方向尺度相對(duì)平臺(tái)主體要小，導(dǎo)致其空船吃水相對(duì)一般船舶要深，本文針對(duì)平臺(tái)進(jìn)行非下潛狀態(tài)下吊機(jī)試驗(yàn)的可行性研究，為該船后期在碼頭進(jìn)行吊機(jī)試驗(yàn)提供依據(jù)。

1 平臺(tái)

組合起居艙兼平臺(tái)(SSCV)在右舷配備2臺(tái)2 200 t重型起重機(jī)，總吊裝能力可達(dá)4 400 t。可容納750人，全船使用DP-3船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)，將用于深海作業(yè),包括海底結(jié)構(gòu)、地基、系泊、浮動(dòng)和重型起重平臺(tái)的建設(shè)。

1.1 模型

圖1為平臺(tái)的浮力模型，該平臺(tái)模型是根據(jù)型線圖、艙容圖以及總布置圖運(yùn)用軟件進(jìn)行浮力模型建模，并進(jìn)行分艙工作，它包含浮筒、立柱和甲板等部分(不包含推進(jìn)器)。

圖1 平臺(tái)浮力模型

1.2 計(jì)算內(nèi)容

在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中，為保證船舶的安全，應(yīng)使得船舶在任何可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況下都應(yīng)該有足夠的穩(wěn)性，來(lái)保證船舶不會(huì)發(fā)生傾覆。本文平臺(tái)最為特殊的是在右舷配備2臺(tái)大型吊機(jī)，大型貨物隨著吊臂的移動(dòng)及升降會(huì)對(duì)船舶產(chǎn)生力矩，使得船舶產(chǎn)生橫傾和縱傾。

本平臺(tái)吊機(jī)試驗(yàn)主要分為負(fù)載試驗(yàn)和旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)2部分，通過(guò)GHS軟件對(duì)負(fù)載試驗(yàn)工況和旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)工況進(jìn)行計(jì)算，研究在2種工況下平臺(tái)的橫縱傾變化，并運(yùn)用壓載艙進(jìn)行調(diào)平，確定在非下潛狀態(tài)下方案的可行性。

1.3 吊載對(duì)穩(wěn)性的影響

當(dāng)船舶吊載重大貨物時(shí)，貨物會(huì)隨著吊臂在水平和豎直方向進(jìn)行移動(dòng)，當(dāng)?shù)醣鄞瓜蛞苿?dòng)至最高點(diǎn)時(shí)，船的質(zhì)心也會(huì)被提高，使得初穩(wěn)性高、復(fù)原力臂和穩(wěn)距相應(yīng)減小，降低了船舶抵抗外力的能力，另外貨物的水平運(yùn)動(dòng)會(huì)讓船舶發(fā)生橫傾，從而使得靜穩(wěn)性曲線下移、大傾角穩(wěn)性和動(dòng)穩(wěn)性也會(huì)降低，對(duì)于船舶的穩(wěn)性非常不利[2]。

1.4 調(diào)節(jié)橫縱傾方法

吊裝重物時(shí)船舶會(huì)發(fā)生很大的橫傾，常用的橫傾調(diào)整方法是調(diào)節(jié)壓載水或者設(shè)置平衡浮箱。本平臺(tái)在吊載試驗(yàn)過(guò)程中運(yùn)用的是調(diào)節(jié)壓載水的方法，調(diào)節(jié)吊載過(guò)程中產(chǎn)生的橫縱傾[3]。

平臺(tái)的壓載艙分為3種：普通壓載艙、快速壓載艙以及立柱壓載艙。普通壓載艙通過(guò)壓載泵進(jìn)行壓載水的加載和排載；在吊機(jī)工作時(shí)，快速壓載艙通過(guò)重力進(jìn)水完成加載，另外快速壓載艙還連通著壓載泵，在排載時(shí)通過(guò)壓載泵排水；立柱壓載艙通過(guò)壓載泵和重力加載，通過(guò)壓縮空氣進(jìn)行排載。

本平臺(tái)中快速壓載艙和立柱壓載艙通過(guò)重力進(jìn)水的方式，能夠快速將平臺(tái)橫縱傾調(diào)平，提高船舶的穩(wěn)性，降低了吊機(jī)在吊載過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)。

2 試驗(yàn)過(guò)程

平臺(tái)的吊機(jī)試驗(yàn)主要是進(jìn)行主鉤和輔鉤的負(fù)載試驗(yàn)以及回轉(zhuǎn)試驗(yàn)。由于吊機(jī)試驗(yàn)是在非下潛狀態(tài)下進(jìn)行，需要考慮試驗(yàn)的可行性，運(yùn)用軟件對(duì)吊機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中的橫縱傾進(jìn)行計(jì)算，并通過(guò)調(diào)節(jié)壓載水將平臺(tái)調(diào)平，觀察平臺(tái)穩(wěn)性變化。

2.1 主鉤試驗(yàn)

主鉤試驗(yàn)分為負(fù)載試驗(yàn)和回轉(zhuǎn)試驗(yàn)，負(fù)載試驗(yàn)又分為最大負(fù)載和最大距離試驗(yàn)。

2.1.1 主鉤超負(fù)荷測(cè)試(最大負(fù)載)

在吊機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)前，平臺(tái)需裝備一定量的油和淡水，并通過(guò)調(diào)節(jié)壓載水使得平臺(tái)向左舷橫傾0.4°，防止平臺(tái)在增加配載后向右舷傾斜過(guò)大。在進(jìn)行主鉤超負(fù)荷測(cè)試時(shí)，吊機(jī)位于平臺(tái)尾部位置，在吊載試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，吊機(jī)旋轉(zhuǎn)至與右舷垂直處，并將吊機(jī)吊臂仰角抬起至75°，此時(shí)工作半徑為20 m，主鉤最大吊載為2 420 t，運(yùn)用GHS軟件進(jìn)行船舶穩(wěn)性計(jì)算，得出平臺(tái)的穩(wěn)性高曲線(GM曲線)和復(fù)原力臂曲線(GZ曲線)，見(jiàn)圖2。

圖2 吊載為0時(shí)，平臺(tái)GM曲線和GZ曲線

在起吊配載后，平臺(tái)會(huì)隨著配載質(zhì)量的增加逐漸發(fā)生右傾和尾傾，并使得傾斜趨勢(shì)逐漸增大，當(dāng)配載達(dá)到1 210 t時(shí)，平臺(tái)右傾0.72°，尾傾0.41°，為防止傾斜趨勢(shì)繼續(xù)增大，向壓載艙進(jìn)行打壓載水，將平臺(tái)調(diào)至向左舷傾斜0.17°。平臺(tái)調(diào)平后，繼續(xù)增加配載，直至配載增加到2 420 t，此時(shí)平臺(tái)右傾1.03°，尾傾0.43°，再次通過(guò)壓載水進(jìn)行調(diào)平。在整個(gè)配載提升過(guò)程中，平臺(tái)最大橫傾角為右傾1.03°，通過(guò)圖2中GZ曲線可以看出，平臺(tái)在小傾角下有良好的回復(fù)能力，平臺(tái)在吊載試驗(yàn)的過(guò)程中具有良好的穩(wěn)性[4]。

平臺(tái)在吊機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中浮態(tài)的變化通過(guò)調(diào)整壓載水實(shí)現(xiàn)，由于試驗(yàn)的吊機(jī)位于平臺(tái)尾部，所以通過(guò)調(diào)節(jié)首部壓載水能夠更有效調(diào)整船舶的橫縱傾。吊載過(guò)程中壓載水量變化見(jiàn)表1，在吊載的過(guò)程中對(duì)1號(hào)、11號(hào)和12號(hào)3個(gè)艙室進(jìn)行壓載水調(diào)節(jié)，在配載完全升起后壓載水量增加了1 368.8 t，在整個(gè)過(guò)程中吃水增加至11.2 m。

表1 2 420 t吊載過(guò)程中壓載水量變化 t

平臺(tái)在吊載2 420 t后，平臺(tái)的質(zhì)心位置發(fā)生改變，使得GM曲線和GZ曲線也發(fā)生改變，最大回復(fù)力臂有所減小，且在橫傾21.5°時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)GM值也有所減小，圖3為吊載2 420 t時(shí)的GM曲線和GZ曲線。

圖3 吊載為2 420 t時(shí)，平臺(tái)GM曲線和GZ曲線

在起升配載結(jié)束后，吊臂首先提升至81°，吊點(diǎn)位置發(fā)生改變，此時(shí)工作半徑為16.9 m，通過(guò)軟件進(jìn)行計(jì)算，平臺(tái)左傾0.1°；當(dāng)?shù)醣巯陆档?3°時(shí)，吊點(diǎn)位置發(fā)生改變，此時(shí)工作半徑為22.1 m，平臺(tái)右傾0.2°；根據(jù)平臺(tái)GM曲線可以看出，平臺(tái)由于吊載發(fā)生的橫傾變化較小，在平臺(tái)良好穩(wěn)性范圍內(nèi)。

在進(jìn)行360°全回轉(zhuǎn)試驗(yàn)過(guò)程中，由于回轉(zhuǎn)角度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)出現(xiàn)大傾角，所以在本平臺(tái)的回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，吊臂按逆時(shí)針每回轉(zhuǎn)15°時(shí)，將平臺(tái)進(jìn)行調(diào)平。在整個(gè)過(guò)程中由于每次回轉(zhuǎn)角設(shè)置為15°，然后進(jìn)行調(diào)平。吊臂每次回轉(zhuǎn)后，平臺(tái)橫傾角變化約為0.2°，對(duì)平臺(tái)在試驗(yàn)過(guò)程中的穩(wěn)性影響較小。

2.1.2 主鉤超負(fù)荷測(cè)試(最大距離)

在主鉤超負(fù)荷(最大距離)試驗(yàn)中，準(zhǔn)備374 t配載，試驗(yàn)的開(kāi)始位置就是結(jié)束位置。旋轉(zhuǎn)角度為0，吊臂的角度為15°，工作半徑為62.3 m，通過(guò)調(diào)節(jié)壓載水將平臺(tái)進(jìn)行調(diào)平。提升試重，平臺(tái)右傾0.6°，尾傾0.1°，調(diào)節(jié)壓載水將平臺(tái)調(diào)平，吃水約為11.2 m，降低試重，試驗(yàn)結(jié)束。在最大距離試驗(yàn)中，平臺(tái)的橫縱傾角度變化較小，在平臺(tái)的良好穩(wěn)性范圍內(nèi)。

2.2 輔鉤試驗(yàn)

輔鉤超負(fù)荷試驗(yàn)(最大負(fù)載)步驟如下：

1)準(zhǔn)備660 t配載。

2)試驗(yàn)的開(kāi)始位置就是結(jié)束的位置。旋轉(zhuǎn)角度為0，吊臂的角度為75°，工作半徑為23.8 m。

3)起升配載，校正輔鉤的測(cè)重銷(船橫傾0,船縱傾0)。工作半徑為23.8 m。

4)吊臂提升到最小工作半徑，工作半徑為最小工作半徑。

5)吊臂下降到64°,工作半徑為36.5 m。

6)測(cè)試提升、下降和應(yīng)急停，工作半徑為36.5 m。

7)結(jié)束試驗(yàn)。

在起升配載過(guò)程中，為防止平臺(tái)發(fā)生大傾角變化，配載在起升至330 t時(shí)，進(jìn)行壓載水調(diào)節(jié)，使得平臺(tái)調(diào)平后再次進(jìn)行起升配載。在整個(gè)過(guò)程中，平臺(tái)最大右傾角為0.32°，通過(guò)壓載水進(jìn)行調(diào)平，此時(shí)平臺(tái)吃水10.3 m。當(dāng)?shù)醣厶嵘阶钚」ぷ靼霃綍r(shí)，平臺(tái)向左傾斜0.13°，首傾為0.04°。當(dāng)?shù)醣巯陆档?4°時(shí)，平臺(tái)右傾0.23°，首傾0.04°，在吊載過(guò)程中平臺(tái)橫傾角度較小，根據(jù)圖3可知，在平臺(tái)良好穩(wěn)性范圍內(nèi)。

輔鉤超負(fù)荷試驗(yàn)(最大距離)步驟如下。

1)準(zhǔn)備288 t配載。

2)試驗(yàn)的開(kāi)始位置就是結(jié)束的位置。旋轉(zhuǎn)角度為0，吊臂的角度為15°，工作半徑為72.7 m。

3)起升配載(船橫傾0、船縱傾0)，工作半徑為72.7 m。

4)降低試重，結(jié)束試驗(yàn)。

在輔鉤最大距離試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)起升配載后，平臺(tái)右傾0.53°，尾傾0.10°，調(diào)節(jié)壓載水將平臺(tái)調(diào)平，此時(shí)平臺(tái)吃水約為10.3 m，降低試重，結(jié)束試驗(yàn)。

在輔鉤超負(fù)荷試驗(yàn)(最大負(fù)載)和輔鉤超負(fù)荷試驗(yàn)(最大距離)中，平臺(tái)橫傾角最大為右傾0.53°，在平臺(tái)良好的穩(wěn)性范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)吊機(jī)試驗(yàn)步驟，通過(guò)運(yùn)用軟件對(duì)吊機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中平臺(tái)的穩(wěn)性進(jìn)行分析。通過(guò)軟件計(jì)算得知，在試驗(yàn)過(guò)程中橫傾角度變化在1°以內(nèi)，有效的控制了平臺(tái)的橫傾，能夠避免平臺(tái)在碼頭進(jìn)行吊機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中與碼頭發(fā)生碰撞事故；在試驗(yàn)過(guò)程中，由于吊載的增加以及壓載水的變化，平臺(tái)吃水增加約1.2 m，最大吃水約為11.2 m，在此吃水條件下平臺(tái)可在非下潛狀態(tài)進(jìn)行吊機(jī)試驗(yàn)；在軟件計(jì)算過(guò)程中所得垂向質(zhì)心高度(VCG)小于船舶質(zhì)心高度，且通過(guò)GZ曲線可以看出，平臺(tái)在吊機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中具有良好的穩(wěn)性。所以平臺(tái)在非下潛狀態(tài)下進(jìn)行吊機(jī)試驗(yàn)具有很高的安全性和可行性。