桁架式半潛平臺(tái)甲板下定滑輪安裝工藝

張子良， 楊風(fēng)艷， 宮 晨， 王 娟， 宋廣興

(海洋石油工程(青島)有限公司，青島 266520)

0 引 言

在陵水17-2桁架式半潛平臺(tái)管線回接系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了技術(shù)成熟、抗疲勞效果良好的鋼懸鏈線立管(steel catenary riser， SCR)作為水下生產(chǎn)設(shè)施與浮式系統(tǒng)之間關(guān)鍵的生產(chǎn)介質(zhì)輸送通道[1]，其立管卡子接口及配套立管提升系統(tǒng)的調(diào)試安裝在綜合考慮桁架式半潛平臺(tái)總裝建造方式及合攏方式后，對(duì)用于提升鋼懸鏈線立管的滑輪組安裝造成了較大的難度[2]。對(duì)應(yīng)滑輪組各個(gè)滑輪之間不僅要滿足精準(zhǔn)布置于立管卡子上方設(shè)計(jì)位置，還要滿足鋼絲繩合適的導(dǎo)向角度，滑輪同時(shí)也要具備充足的負(fù)載提升能力。

在陵水17-2桁架式半潛平臺(tái)建造過(guò)程中，采用船體部分和桁架式上部組塊部分分別建造并總裝裝船，而后泰山吊整體吊裝組塊與船體合攏的集成方式?；谏喜拷M塊總裝及裝船過(guò)程中結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算，裝船滑靴設(shè)計(jì)布置在組塊2軸與5軸立柱節(jié)點(diǎn)下方,其中位于C2軸位置的裝船滑靴占據(jù)了用于提升組塊下方立管的定滑輪安裝位置,如圖1所示。如果待組塊與裝船滑靴脫離并與船體合攏后再進(jìn)行安裝，將不得不從水面上提升定滑輪至就位位置，施工難度巨大，安裝精度難以保證，同時(shí)高空長(zhǎng)距離提升定滑輪存在著與組塊下已安裝的結(jié)構(gòu)碰撞的問(wèn)題，極大地增加了人員操作的風(fēng)險(xiǎn)。本文為解決該技術(shù)問(wèn)題，提出滑移提升安裝定滑輪的技術(shù)方案。設(shè)計(jì)了用于臨時(shí)固定(見(jiàn)圖2)與合攏后滑移提升定滑輪的工裝結(jié)構(gòu)，具體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)下文闡述。

圖1 滑靴與滑移工裝相對(duì)位置Fig.1 Position of skid shoe and slid platform

圖2 臨時(shí)固定平臺(tái)三維圖Fig.2 Three dimensional chart of slid platform

1 安裝工藝設(shè)計(jì)

1.1 工裝設(shè)計(jì)

成功應(yīng)用于陵水17-2桁架式半潛平臺(tái)立管提升系統(tǒng)主定滑輪安裝的工藝，其設(shè)計(jì)前提條件主要包含以下因素： ①桁架式半潛平臺(tái)上部組塊的總裝建造高度為11.5 m，而一層甲板下3 m的高度內(nèi)分布有管線，電氣儀表部件及相關(guān)專業(yè)支架，如圖2所示。②上部組塊采用泰山吊整體吊裝下放至船體集成的方式，陵水17-2桁架式半潛平臺(tái)的上部模塊總質(zhì)量為15 534 t，目前能滿足整體吊裝集成要求的龍門吊為國(guó)內(nèi)2萬(wàn)噸級(jí)泰山吊，泰山吊吊起組塊后，將下部船體拖航至組塊正下方，基于泰山吊吊裝要求被吊物與下部合攏船體最小安全距離為5 m，在船體水平移動(dòng)進(jìn)入組塊下方的過(guò)程中，組塊一層甲板下懸掛的結(jié)構(gòu)與半潛船體腿柱艙之間的距離不小于5 m，避免船體移動(dòng)過(guò)程中干涉碰撞。同時(shí)為合攏預(yù)留出調(diào)整空間。③所安裝定滑輪設(shè)備包含底座總計(jì)20 t，高度超過(guò)4 m，定滑輪就位位置與組塊2軸呈23°的夾角。④在配套滑移提升的設(shè)備工具中，滾輪小車工作載荷需要考慮定滑輪及滑移工裝的重量，手拉葫蘆的額定工作載荷也要滿足提升整個(gè)臨時(shí)固定平臺(tái)的重量，同時(shí)手拉葫蘆提升工作鏈條有效長(zhǎng)度要滿足定滑輪就位提升高度的要求。

基于以上設(shè)計(jì)安裝背景進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)，將定滑輪安裝的工裝分為4個(gè)部分，分別如下： ①用于固定定滑輪并整體滑移提升的定滑輪滑移工裝；滑移工裝由底部型鋼框架、四根支撐立柱、立柱蓋板及十字花加強(qiáng)筋板組成；滑移工裝4個(gè)支撐立柱外側(cè)分別進(jìn)行開(kāi)槽貫通，開(kāi)槽口尺寸滿足可以插入板式吊點(diǎn)[3]、焊接板式吊點(diǎn)與立柱。②用于放置滑移工裝及定滑輪的臨時(shí)固定平臺(tái)；臨時(shí)就位平臺(tái)由型鋼框架、4根支撐立柱及立柱間拉筋、折疊合葉組成，如圖3所示。③構(gòu)成滑移路徑及工人操作路徑的滑移通道平臺(tái)，該滑移平臺(tái)分2部分，一個(gè)部分通過(guò)折疊設(shè)計(jì)與臨時(shí)固定平臺(tái)固定，滑移平臺(tái)在折疊后其外沿需符合最小吊裝合攏安全距離的要求。另一部分預(yù)制成整體提前固定在臨時(shí)固定平臺(tái)附近，這部分滑移平臺(tái)在滑移前與折疊部分的滑移平臺(tái)拼接在一起。④由多組手拉葫蘆及布置于平臺(tái)一層甲板下吊點(diǎn)和工裝上的吊點(diǎn)組成的輔助滑移提升控制系統(tǒng)。

考慮平臺(tái)吊裝集成的最小安全碰撞距離，臨時(shí)固定平臺(tái)安裝位置距離組塊A軸水平方向大于5 m，同時(shí)為了保證定滑輪在滑移工裝上放置的角度與安裝角度保持一致，避免提升后旋轉(zhuǎn)定滑輪，對(duì)應(yīng)措施是加長(zhǎng)滑移平臺(tái)，滑移工裝行走距離由直線路徑的6 m改變?yōu)?4.5 m。另外，從定滑輪臨時(shí)固定位置至就位位置這一斜直線路徑的角度與距離確定后，還需在三維模型中檢查是否具有焊接固定工裝立柱空間的位置，盡量避開(kāi)甲板下管線及電氣儀表線路，最終篩選出滿足強(qiáng)度要求同時(shí)沒(méi)有干涉的懸掛支撐立柱的安裝位置。

圖3 滑移通道平臺(tái)折疊部件設(shè)計(jì)及折疊過(guò)程示意圖Fig.3 Design of folding parts and folding process of sliding path platform

1.2 工裝安裝流程

1.2.1 定滑輪固定與運(yùn)輸

定滑輪由制造廠家運(yùn)輸至總裝場(chǎng)地時(shí)是呈水平狀態(tài)放置于運(yùn)輸框架上的，運(yùn)輸至總裝場(chǎng)地后安裝定滑輪。通過(guò)定滑輪上的吊耳，將定滑輪吊裝至高墊墩上焊接定滑輪底座及定滑輪底座上的吊點(diǎn)。而后利用定滑輪底座上的吊點(diǎn)進(jìn)行吊裝翻身后，定滑輪以直立狀態(tài)嵌入滑移工裝4根立柱中間，滑移工裝立柱頂端的十字花筋板與底座焊接固定。然后將滑移工裝吊裝至臨時(shí)操作平臺(tái)上，焊接固定滑移工裝上用于固定滑移工裝與臨時(shí)固定平臺(tái)的限位筋板。

1.2.2 臨時(shí)固定平臺(tái)的安裝

待折疊的滑移平臺(tái)合葉與臨時(shí)固定平臺(tái)一側(cè)的合葉經(jīng)通過(guò)銷軸連接。手拉葫蘆連接待折疊的滑移平臺(tái)和臨時(shí)固定平臺(tái)一側(cè)立柱上的吊點(diǎn)，操作手拉葫蘆手鏈，將滑移平臺(tái)折疊至臨時(shí)固定平臺(tái)一側(cè)，可折疊的滑移平臺(tái)的長(zhǎng)度及折疊角度的確定需要考慮避開(kāi)甲板下的管線及支架，確保下放折疊滑移平臺(tái)的過(guò)程中滑移平臺(tái)外邊緣不碰撞管線支架。然后使用液壓平板運(yùn)輸車將臨時(shí)固定平臺(tái)運(yùn)輸至場(chǎng)地建造的桁架式半潛平臺(tái)上部模塊甲板下，如圖4所示。通過(guò)Navisworks三維模型模擬出甲板下用于提升臨時(shí)固定平臺(tái)的吊點(diǎn)位置，進(jìn)行焊接，同時(shí)檢查手拉葫蘆與吊點(diǎn)連接后手拉葫蘆鏈條與管線的干涉情況。確認(rèn)無(wú)干涉后，操作手拉葫蘆手鏈條將臨時(shí)固定平臺(tái)提升直至立柱與上部模塊梁下翼緣接觸，對(duì)立柱及下翼緣接觸位置進(jìn)行焊接固定。臨時(shí)固定平臺(tái)懸掛固定在桁架式半潛平臺(tái)的上部模塊一層甲板下方。

圖4 臨時(shí)固定平臺(tái)提升過(guò)程示意圖Fig.4 Promotion process of temporary fixed platform

1.2.3 滑移平臺(tái)拼接及軌道布設(shè)

桁架式半潛平臺(tái)上部組塊與船體集成后，下放折疊的滑移平臺(tái)，合葉端口處的型鋼T形口插入臨時(shí)固定平臺(tái)的型鋼框架內(nèi)焊接，同時(shí)下放提前布置于臨時(shí)固定平臺(tái)附件的剩余的滑移平臺(tái)部分，與折疊的滑移平臺(tái)拼接，然后安裝滑移平臺(tái)兩側(cè)的支撐立柱。在滑移平臺(tái)中間兩根型鋼上安裝槽鋼軌道。

1.3 定滑輪滑移提升安裝

定滑輪的安裝總體包括預(yù)提升，布置滾輪小車，滑移，就位提升4個(gè)主要節(jié)點(diǎn)。如圖5(a)～圖5(e)所示，具體步驟如下： ①預(yù)先布置在甲板下的吊點(diǎn)和定滑輪底座上的吊點(diǎn)通過(guò)手拉葫蘆連接，切割滑移工裝的限位筋板，操作手拉葫蘆手鏈，將滑移工裝預(yù)提升200 mm，留出放置滾輪小車的空間，滾輪小車高度為180 mm，放置滾輪小車在滑移工裝上的槽鋼軌道內(nèi)，4個(gè)滾輪小車位置分別位于4根滑移工裝立柱下方。②下放滑移工裝至滾輪小車上，直至滾輪小車承擔(dān)滑移工裝及定滑輪的全部重量。③滑移工裝框架上的吊點(diǎn)與滑移平臺(tái)立柱上的吊點(diǎn)通過(guò)手拉葫蘆連接，作為牽引端向前水平拖拉滑移工裝，后端滑移工裝型鋼框架上的吊點(diǎn)同樣連接手拉葫蘆至臨時(shí)固定平臺(tái)立柱位置焊接的吊點(diǎn)上，作為控制端控制滑移過(guò)程的速度。滑移工裝移動(dòng)到相應(yīng)位置時(shí)，定滑輪底座與甲板下的吊點(diǎn)通過(guò)手拉葫蘆連接，維持手拉葫蘆在輕微張緊的狀態(tài)，作為防止滑移工裝側(cè)傾的保護(hù)手段，三處手拉葫蘆協(xié)同配合直至定滑輪滑移至就位位置立柱節(jié)點(diǎn)下方。④將甲板下節(jié)點(diǎn)板周圍的4個(gè)吊點(diǎn)與滑移工裝立柱的4個(gè)插入板吊點(diǎn)通過(guò)手拉葫蘆連接，提升滑移工裝直至定滑輪底座與節(jié)點(diǎn)板接觸，微調(diào)定滑輪角度，將定滑輪底座與立柱下節(jié)點(diǎn)板焊接固定，如圖6所示。⑤切割滑移工裝與定滑輪底座之間連接十字花筋板，滑移工裝與定滑輪主體分離，通過(guò)手拉葫蘆下放滑移工裝至平臺(tái)上，定滑輪安裝完成。

(a) 滑移過(guò)程1

(b) 滑移過(guò)程2

(c) 滑移過(guò)程3

(d) 提升定滑輪

(e) 下放滑移工裝

(a) 滑移工裝牽引至就位節(jié)點(diǎn)下 (a) Movement of sliding platform to the position

(b) 定滑輪提升到位

1.4 工裝強(qiáng)度校核

1.4.1 滑移平臺(tái)強(qiáng)度校核

定滑輪及滑移工裝從臨時(shí)固定平臺(tái)提升放置在滾輪小車上開(kāi)始滑移，到滑移至定滑輪就位位置正下方的過(guò)程中，對(duì)滑移工裝在不同位置時(shí)臨時(shí)固定平臺(tái)及滑移平臺(tái)的立柱支撐強(qiáng)度及平臺(tái)型鋼框架強(qiáng)度。使用SACS軟件建模，采用WSD AISC 13th/API 21st規(guī)范核算[4]，滑移平臺(tái)立柱規(guī)格為φ325×13的鋼管；邊界條件為立柱頂端全約束，如圖7所示，計(jì)算構(gòu)件的總體重量信息如表1所示。

圖7 滑移平臺(tái)SACS模型及約束條件Fig.7 SACS model and constrain condition of sliding platform

表1 結(jié)構(gòu)總體重量信息Tab.1 Weight information of structure

計(jì)算工況選取了滑移工裝在起始位置、中間位置、就位位置三處核算，需滑移部件總重為21.337 t，計(jì)算時(shí)采用2倍安全系數(shù)，即4個(gè)立柱分別對(duì)滑移平臺(tái)施加向下的110 kN的力，對(duì)立柱及型鋼框架強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)，SACS軟件中工況顯示及最危險(xiǎn)工況下主要構(gòu)件類型的計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

計(jì)算結(jié)果立柱抗拉強(qiáng)度都在允許范圍內(nèi)，型鋼框架的強(qiáng)度及變形均滿足滑移施工的安全要求。不同位置運(yùn)動(dòng)過(guò)程中SACS計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖8 主要構(gòu)件類型的計(jì)算結(jié)果Fig.8 Calculation results of main component types

(a) 滑移工裝初始位置工況 (a) Calculative condition of initial position of slip tooling

(b) 滑移工裝初始位置計(jì)算UC云圖 (b) Calculative UC chart of initial position of slip tooling

(c) 滑移工裝中間位置工況 (c) Calculative condition of middle position of slip tooling

(d) 滑移工裝中間計(jì)算UC云圖 (d) Calculative UC chart of middle position of slip tooling

(e) 滑移工裝就位位置工況 (e) Calculative condition of final position of slip tooling

(f) 滑移工裝就位位置計(jì)算UC云圖 (f) Calculative UC chart of final position of slip tooling

1.4.2 提升板式吊點(diǎn)強(qiáng)度校核

對(duì)于框架類結(jié)構(gòu)通常設(shè)計(jì)采用直接將板式吊點(diǎn)焊接與立柱管壁，而本文中的滑移工裝所采用的是將板式吊點(diǎn)主板插入立柱中，通過(guò)有限元軟件ANSYS Workbench軟件應(yīng)用von-Mises法[5]分別對(duì)直接焊接板式吊點(diǎn)與開(kāi)槽后焊接插入式的板式吊點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在立柱管直接焊接板式吊點(diǎn)立柱管局部達(dá)到768.4 MPa，如圖10(a)所示，不符合強(qiáng)度要求。而采用插入式板式吊點(diǎn)其最大應(yīng)力只有123.92 MPa，如圖10(b)所示，因此方案中選用開(kāi)槽焊接板式吊點(diǎn)的方案滿足滑移工裝提升強(qiáng)度要求。

(a) 直接焊接板式吊點(diǎn)計(jì)算應(yīng)力云圖

(b) 焊接貫穿式板式吊點(diǎn)計(jì)算應(yīng)力云圖

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

本工藝方法相較于傳統(tǒng)設(shè)備側(cè)裝方案，主要有3處亮點(diǎn)設(shè)計(jì)： ①優(yōu)化安裝工藝所需的提升吊點(diǎn)設(shè)計(jì)，對(duì)立柱規(guī)格和板厚要求更低，同時(shí)提升負(fù)載能力更強(qiáng)[6]。②擴(kuò)展了轉(zhuǎn)軸式平臺(tái)安裝技術(shù)的應(yīng)用范圍，創(chuàng)新應(yīng)用于超高空設(shè)備滑移平臺(tái)固定中，降低甲板下滑移平臺(tái)安裝和對(duì)接難度。③未來(lái)應(yīng)用可根據(jù)實(shí)際設(shè)備位置和安裝角度進(jìn)行調(diào)整，可滿足更高的安裝高度，更長(zhǎng)的滑移距離的設(shè)備安裝，此工藝具有可推廣應(yīng)用的潛質(zhì)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文所述超高空定滑輪滑移提升安裝工藝為國(guó)內(nèi)獨(dú)創(chuàng)的距水面60 m以上大型設(shè)備的甲板下安裝工藝，并已首次成功應(yīng)用于陵水17-2桁架式半潛平臺(tái)定滑輪設(shè)備安裝中。工藝具有保障桁架式半潛平臺(tái)合攏建造的完整性及流暢性，對(duì)平臺(tái)一體化調(diào)試管線電纜破壞小，解除對(duì)所需安裝定滑輪的尺寸及重量要求限制，保證了大型設(shè)備安裝的精確度及安全性等優(yōu)勢(shì)，極大地提高了工效，同時(shí)為國(guó)內(nèi)超高空水面上長(zhǎng)距離水平滑移提升安裝大型設(shè)備組件提供了可借鑒的技術(shù)工藝及施工經(jīng)驗(yàn)。