重型海洋工程模塊建造關(guān)鍵技術(shù)研究

李 榮，朱波波

(啟東中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程有限公司，江蘇 啟東 226200)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類對(duì)煤炭、石油等自然資源的開采和使用，使得大量粉塵、二氧化硫等有害氣體排入大氣，對(duì)人類賴以生存的自然環(huán)境造成了很大的破壞。因此，全球?qū)σ夯烊粴?LNG)及海上風(fēng)電等清潔能源需求持續(xù)攀升[1]。俄羅斯北極LNG工廠(Yamal 與Arctic LNG項(xiàng)目)、歐洲大型海上風(fēng)電廠等世界級(jí)大項(xiàng)目陸續(xù)上馬。這些項(xiàng)目均采用模塊化建造模式，將整個(gè)項(xiàng)目拆分成數(shù)個(gè)模塊，然后分包到全球各家海工企業(yè)建造。僅俄羅斯北極LNG工廠項(xiàng)目，目前國內(nèi)已斬獲近40萬t模塊的建造合同，總價(jià)值約200億人民幣，后續(xù)訂單還會(huì)不斷涌入，其中重型模塊占總量的50%以上。

重型海洋工程模塊的特點(diǎn)是單體重量大、支撐點(diǎn)位少、支撐點(diǎn)載荷大。該類重型模塊主要有天然氣(LNG)工廠核心處理模塊、海上升壓站(HVDC)模塊等，在北極或在其他惡劣海況下服役，建造質(zhì)量要求高、建造工藝復(fù)雜，此前主要在歐洲及韓國等國家建造。

隨著我國制造業(yè)的長足發(fā)展，重型海洋工程模塊也在國內(nèi)建造領(lǐng)域逐步興起。目前國內(nèi)缺乏建造重型海洋工程模塊的經(jīng)驗(yàn)，尤其是重型模塊總裝地基、多點(diǎn)稱重、SPMT滾裝裝船等關(guān)鍵技術(shù)研究更少。然而，研究重型海洋工程模塊總裝建造技術(shù)，不僅關(guān)系到項(xiàng)目執(zhí)行的成敗，而且對(duì)提升模塊建造質(zhì)量、提高模塊建造速度、節(jié)約模塊建造成本、保障模塊建造安全具有重要意義。為此，本文以重型模塊建造為研究對(duì)象，分析對(duì)比不同地基處理方案的優(yōu)缺點(diǎn)及使用范圍，研究多點(diǎn)稱重及SPMT滾裝裝船等關(guān)鍵工藝技術(shù)。

1 重型海洋工程模塊簡(jiǎn)介

重型海洋工程模塊主要有LNG核心處理模塊(用于脫硫、脫汞、脫水、冷劑、熱交換等)、大型海上升壓站模塊等[2]，其外形圖分別見圖1、圖2。模塊單體質(zhì)量為1～2萬t，單體長度寬40～80 m，單體高度40～60 m，一般分為4～6層。主體結(jié)構(gòu)為鋼制桁架結(jié)構(gòu)，甲板采用大型工字鋼結(jié)構(gòu)，立柱和斜撐采用卷管結(jié)構(gòu)。通常在水平滑道完成總裝、稱重，使用SPMT滾裝裝船或滑靴滑移接載裝船。

2 地基處理方案

由于模塊單體重量大、支撐點(diǎn)少，模塊單個(gè)支撐點(diǎn)載荷高達(dá)25 000～30 000 kN。傳統(tǒng)模塊滑道載荷在100～200 kN/m2范圍內(nèi)需要通過分載梁將集中點(diǎn)載荷分散到150～200個(gè)平方米的范圍內(nèi)，才能滿足滑道承載力要求。通常有以下幾種處理方案。

圖1 典型LNG核心處理模塊

圖2 典型海上升壓站模塊

2.1 打樁方案

在支撐點(diǎn)下方集中打樁，樁與樁之間的間距為1.5～3 m,單樁安全承載力為3 000 kN,每個(gè)支撐點(diǎn)區(qū)域8～10根樁，樁上方設(shè)計(jì)連續(xù)鋼筋混凝土承臺(tái)。

該方案適用于單點(diǎn)載荷大、建造支撐高度小，不能使用滑靴或剛度較大分載量的情況，一般在沒有其他解決辦法時(shí)才會(huì)選用。優(yōu)點(diǎn)是需要制作的分載梁等工裝少，缺點(diǎn)是成本高、周期長、通用性較差(不同模塊支撐點(diǎn)之間的檔距不同)。

2.2 滑靴分載方案

在支撐點(diǎn)下方設(shè)計(jì)高度10～15 m的滑靴，將點(diǎn)載荷通過滑靴分載成線載荷。滑靴長度約為20～30 m，對(duì)滑道的線性載荷約為1 000～1 250 kN/m。

該方案適用于滑道式船臺(tái)且采用滑靴滑移接載船的模塊，一般適用需要做海上浮托安裝(Float-over)的項(xiàng)目。優(yōu)點(diǎn)是不用打樁、成本略低。缺點(diǎn)是工裝量比價(jià)大，需要租用Strand jack提供滑移牽引力，滑移接載準(zhǔn)備工作繁瑣復(fù)雜，且接載難度較大。

2.3 分載梁方案

分載梁方案使用分載梁將模塊點(diǎn)載荷分散成面載荷，適用于使用SPMT滾裝裝船且滑道承載能力一般的情況。此方案需要校核分載梁剛度及強(qiáng)度，確保載荷能傳遞到下部樁位上。優(yōu)點(diǎn)是工裝量較小，缺點(diǎn)是分載梁及樁基承載力校核工作較為繁瑣。

3 多點(diǎn)稱重方案設(shè)計(jì)

重型海洋工程模塊稱重具有重量大、重量分布不均勻、稱重油缸多、稱重點(diǎn)位跨距大、主體結(jié)構(gòu)柔度大等特點(diǎn)。在稱重過程中稱重系統(tǒng)不僅需要實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)位移同步(同步頂升或同步下降)，還需要在同一稱重點(diǎn)位具有多個(gè)油缸的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)多個(gè)油缸的壓力同步。

3.1 稱重系統(tǒng)簡(jiǎn)介

系統(tǒng)配置50～80臺(tái)300～400 t重量油缸，油缸上方配置高精度稱重傳感器(測(cè)量精度±0.1%)可在監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)中顯示實(shí)際稱重重量。系統(tǒng)配置6～10臺(tái)稱重同步液壓泵站，每臺(tái)泵站2個(gè)控制點(diǎn)，每個(gè)控制點(diǎn)可以帶4臺(tái)稱重油缸，配置1套監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，可聯(lián)機(jī)10臺(tái)稱重泵站同步升降、均衡稱重控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和打印功能，生成數(shù)據(jù)和稱重報(bào)告。

3.2 稱重系統(tǒng)液壓電控原理與同步控制簡(jiǎn)述

多點(diǎn)稱重系統(tǒng)(3個(gè)支點(diǎn)及以上)經(jīng)常會(huì)遇到的難點(diǎn)是超靜定支撐系統(tǒng)的載荷不能均衡分配到每個(gè)支承油缸上，尤其是油缸同步下降時(shí)，很容易造成個(gè)別(或局部)油缸超載，可能達(dá)到數(shù)倍以上的量級(jí)，以至發(fā)生爆管、漲缸等嚴(yán)重安全事故[3]。本方案研究的特殊控制系統(tǒng)軟件，可以使稱重油缸在同步升降過程中，自動(dòng)均衡各油缸的載荷分布，保持超靜定支撐下油缸的負(fù)載壓力均衡，使稱重系統(tǒng)的測(cè)試過程穩(wěn)定、安全，確保稱重精度和重心計(jì)算的準(zhǔn)確性。

多點(diǎn)稱重時(shí)，不單要控制被稱模塊托起的高度和姿態(tài)，還要控制各稱量點(diǎn)之間的荷重分配，因此必須采取液壓閉環(huán)控制，包括位置閉環(huán)和力閉環(huán)。由于模塊很重，常規(guī)液壓伺服系統(tǒng)體積大、設(shè)備重，不適合現(xiàn)場(chǎng)流動(dòng)測(cè)試，而超髙壓系統(tǒng)體積小、重量輕，比較實(shí)用，但高壓下的比例伺服控制元件比較難選。為此，本方案采用變頻調(diào)速控制的超高壓泵作為比例控制元件，依靠成熟的變頻技術(shù)，克服了缺少超高壓閉環(huán)伺服控制元件的難題。

4 SPMT滾裝裝船

重型海洋工程模塊通常在水平滑道區(qū)完成總裝，后接載至重型半潛式運(yùn)輸船上(HTV)[4]。接載方案主要有2種：滑靴滑移接載裝船、SPMT滾裝裝船。采用滑靴滑移接載裝船方案時(shí)，滑靴需要布置在滑道重載區(qū)(承載力1 000～1 500 kN/m以上)，所以滑道重載區(qū)需要根據(jù)模塊滑靴跨距定制，對(duì)現(xiàn)有滑道進(jìn)行打樁改造，但改造工程工作繁瑣、工期長且成本高。因此，SPMT滾裝裝船被廣泛應(yīng)用。

使用SPMT滾裝裝船時(shí)，SPMT對(duì)地面的輪壓約為100 kN/m2，適用于國內(nèi)大部分總裝建造場(chǎng)地。SPMT滾裝裝船時(shí)，軸線之間可以實(shí)現(xiàn)壓力補(bǔ)償，以補(bǔ)償潮汐與重量變化引起的碼頭與運(yùn)輸船之間的高差。SPMT能夠?qū)崿F(xiàn)橫向和縱向任意組合，可以運(yùn)輸80～20 000 t的模塊。

4.1 SPMT滾裝裝船概述

SPMT滾裝裝船是利用SPMT液壓系統(tǒng)將模塊整體馱起，通過連接運(yùn)輸船和碼頭之間的棧橋，將模塊移動(dòng)到運(yùn)輸船上，然后通過液壓將模塊放置到運(yùn)輸擱墩上，見圖3。

圖3 SPMT滾裝裝船

SPMT主要由驅(qū)動(dòng)動(dòng)力裝置(PPU)和模塊式平板車組成[5]。模塊式平板為標(biāo)準(zhǔn)模塊，通常有4軸線模塊平板和6軸線模塊平板，單個(gè)軸線額定承載400 kN，滿載狀態(tài)下對(duì)地面的壓強(qiáng)約150 kN/m2，模塊平板之間可以橫向和縱向任意組合，見圖4。SPMT基本參數(shù)見表1。

圖4 驅(qū)動(dòng)動(dòng)力裝置+6軸模塊平板

4.2 SPMT 滾裝裝船設(shè)計(jì)

4.2.1 布車分析

根據(jù)模塊重量、重心位置、最下層主框架跨距布置軸線車:軸線車列與列之間最小間距為0.3 m，載長度方向軸線車可以挑出承壓位置4個(gè)軸線。

表1 SPMT基本參數(shù)

4.2.2 模塊強(qiáng)度計(jì)算分析

模塊強(qiáng)度分析分為總體強(qiáng)度分析和局部強(qiáng)度分析。整體強(qiáng)度分析以SPMT小車支撐位置作為邊界條件，計(jì)算模塊在SPMT支撐條件下的整體強(qiáng)度，見圖5；局部強(qiáng)度分析為單個(gè)支撐點(diǎn)位置在SPMT作用下的局部強(qiáng)度，見圖6。如整體強(qiáng)度不足，可以通過調(diào)整車的布局來調(diào)整；若局部強(qiáng)度不足，可以通過局部加強(qiáng)措施來解決。

圖5 整體強(qiáng)度分析

圖6 局部強(qiáng)度分析

4.2.3 滑道承載力分析

根據(jù)AISC ASD標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行模塊裝船工況分析，得出SPMT軸載荷。根據(jù)軸載荷計(jì)算對(duì)滑道地面的最大壓強(qiáng)。若承載力不足，可以通過鋪設(shè)路基板來解決。

4.2.4 碼頭與運(yùn)輸船過橋設(shè)計(jì)

由于碼頭和運(yùn)輸船之間存在間隙(一般情況下1～3 m)，需要鋪設(shè)過橋讓SPMT通行。過橋由3部分組成：上坡板、水平橋板、下坡板，見圖7。過橋的設(shè)計(jì)需要考慮最惡劣工況下強(qiáng)度滿足要求，并且需要考慮潮汐變化對(duì)過橋板的影響。

圖7 過橋設(shè)計(jì)

4.2.5 運(yùn)輸船系泊分析

運(yùn)輸船靠泊有2種方案：橫靠，即船左舷或者右舷靠泊碼頭；丁靠，即船尾靠泊碼頭?？坎捶桨感枰鶕?jù)貨物裝載位置和裝載順序確定?？坎辞靶枰：孙L(fēng)浪流對(duì)運(yùn)輸船產(chǎn)生的環(huán)境載荷。纜繩布置可以抵抗外部環(huán)境載荷，另外需要配置可以調(diào)節(jié)船位的纜繩。

4.2.6 運(yùn)輸船調(diào)載計(jì)算

駁船調(diào)載計(jì)算，一方面需要考慮接載時(shí)間窗口內(nèi)的潮汐變化速度；另一方面需要考慮運(yùn)輸船調(diào)載速度，進(jìn)而確定SPMT接載速度。調(diào)載過程中應(yīng)遵循以下原則：保持碼頭與運(yùn)輸船頂面標(biāo)高一致；保持運(yùn)輸船基本無橫傾和縱傾。

4.2.7 滾裝裝船步驟

滾裝裝船具體步驟如下：運(yùn)輸船支墩安裝與準(zhǔn)備→模塊臨時(shí)支撐拆除與準(zhǔn)備→行走路線路障清理→過橋鋪設(shè)→SPMT拼車與調(diào)試→運(yùn)輸船靠泊就位→帶固定纜和調(diào)節(jié)纜→SPMT進(jìn)車并將模塊馱起→在高平潮前0.5 h，啟動(dòng)SPMT開始接載，在第一排軸線車上船時(shí)，通過調(diào)載使運(yùn)輸船甲板面略高于碼頭面→運(yùn)輸船調(diào)載與水平度監(jiān)視→SPMT將模塊運(yùn)至設(shè)計(jì)位置并放到支墩上就位→SPMT撤出和海綁扎固定。

5 結(jié)論

(1)在地基處理方案中分別闡述打樁方案、滑靴分載方案及分載梁方案的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。

(2)在多點(diǎn)稱重方案中采用變頻調(diào)速控制的超高壓泵作為比例控制元件，依靠成熟的變頻技術(shù)，克服了缺少超高壓閉環(huán)伺服控制元件的難題。

(3)通過分析布車、模塊強(qiáng)度、滑道承載力及運(yùn)輸船舶系泊，設(shè)計(jì)布橋，計(jì)算運(yùn)輸船調(diào)載，介紹了滾裝接載的步驟。

(4)重型海洋工程模塊總裝關(guān)鍵技術(shù)研究，不僅解決了重型模塊在建造、稱重、裝船等關(guān)鍵工藝技術(shù)難題，保障了建造工程順利、安全、高效執(zhí)行，同時(shí)為其他類似項(xiàng)目提供了有益的借鑒。