大型半潛式平臺船體分段履帶吊合攏工藝

連 鑫， 劉俊斐， 田旺生， 郭 寧， 馮英磊

(海洋石油工程(青島)有限公司，青島 266520)

0 引 言

隨著油氣開發(fā)加速向深水、超深水延伸，深水浮式平臺這些年來也在快速發(fā)展，未來深水浮式平臺將成為國內(nèi)外海洋石油工程裝備制造領域最主要的一種形式，建造訂單也會日益增多。半潛式生產(chǎn)平臺(semi-submersible production platform)是深水浮式平臺的主要裝備之一，即大部分浮體沒于水面以下的一種小水線面的浮式生產(chǎn)平臺，它是從坐底式平臺演變而來的，具有運動性能好、抗風浪能力強、造價相對較低等優(yōu)點[1]。半潛式生產(chǎn)平臺主要分成兩大部分，由下部的船體和上部的組塊構成，上部的組塊和海洋工程其他組塊差別不大，而半潛式平臺下部船體的結構形式比較復雜，吊裝難度比較大，如何更高效地合攏、集成組塊一直是深水半潛式平臺建造的難題之一。

國外建造半潛式平臺的歷史很長，自1961年世界首座半潛式平臺誕生到現(xiàn)在已經(jīng)有60余年，世界上只有少數(shù)幾家公司有能力承接建造。目前國際上能夠承建半潛式平臺的主要公司有新加坡的吉寶公司，韓國的三星重工公司、大宇造船海洋工程公司和挪威的AKER集團等。圖1所示是在韓國大宇造船海洋工程公司建造的半潛式平臺，其在船塢內(nèi)建造，使用大型龍門吊來實現(xiàn)船體分段合攏、集成。圖2所示是在美國某公司建造的半潛式平臺，其在陸地建造，使用兩臺大型龍門吊來合攏、集成。

圖1 半潛式平臺船塢內(nèi)建造Fig.1 Construction of semi-submersible platform in dock

圖2 半潛式平臺船塢外建造Fig.2 Construction of semi-submersible platform outside dock

國內(nèi)建造半潛式平臺的歷史較短，自1984年國內(nèi)首座半潛式平臺——勘探3號誕生至今，已經(jīng)快40年，目前我國能夠承建半潛式平臺的主要公司有煙臺中集來福士、上海外高橋船廠和大連新船重工公司等[2]。無論是國外還是國內(nèi)公司，主流的建造方法都是在船塢內(nèi)，依靠大型龍門吊設備來實現(xiàn)船體分段合攏。

“深海一號”將船體建造安排在無龍門吊的滑道區(qū)域上進行，屬于國內(nèi)首次使用履帶吊來合攏大型半潛式平臺船體分段。這種工藝面臨諸多挑戰(zhàn)，其中最主要的挑戰(zhàn)在于船體分段艙臂薄，每個吊點周圍結構無法承受太大的力，因此需要采用多吊點的方式來進行吊裝，而履帶吊不像龍門吊那樣有多鉤頭，要使用履帶吊必須克服這個挑戰(zhàn)。本文將結合“深海一號”半潛式平臺項目建造施工實踐，詳細闡述在不使用龍門吊的條件下，通過使用履帶吊來實現(xiàn)大型半潛式平臺船體的吊裝合攏作業(yè)。

1 吊裝方案設計

1.1 吊裝方案設計流程

吊裝設計的第一步是核算分段重量、重心，通過建立3D模型得到重量、重心，與圖紙、料單進行對比，從而得到最終的理論重量、重心。接下來要進行吊點布設、計算強度、選取吊機、吊機能力校核和碰撞校核等，總的來說船體分段吊裝設計是一個復雜的逐步尋優(yōu)的過程[3]，吊裝設計流程圖如圖3所示。

圖3 船體分段吊裝設計流程圖Fig.3 Flowchart of hull lifting

1.2 船體分段分類

“深海一號”船體分段示意圖如圖4所示，其中需要吊裝合攏的是立柱分段，共有4條，每條立柱分為7個船體分段，按照吊裝類型又可分成4類，由于每條立柱的結構相似，因此僅以二號立柱為例，具體船體分段分類信息如表1所示，下面將對每種船體分段類型進行吊裝設計。

表1 船體分段分類信息Tab.1 Information of hull section

圖4 船體分段示意圖Fig.4 Schematic diagram of hull section

1.3 Ⅰ型船體分段吊裝設計

1.3.1 吊點布設

Ⅰ型船體分段外形尺寸較大，在長度方向結構不夠完整，重量不均勻，屬于半敞口船體分段，經(jīng)過計算共需要16個吊耳，4個吊耳一組豎直平行分布在船體分段上[4]，吊耳布置圖如圖5所示。

1.3.2 吊索具布置

Ⅰ型船體分段吊裝需要4個400 t吊排(后面簡稱吊排)和2根撐桿，將2個吊排與撐桿垂直成“工”字形的狀態(tài)，每個吊排連接4個吊耳，此外還需要16根鋼絲繩和32個卸扣(鋼絲繩不包含吊排系統(tǒng))，具體連接方式如圖6所示。

圖6 Ⅰ型船體分段索具連接圖Fig.6 Rigging connection diagram for type Ⅰ hull section

1.3.3 吊裝強度校核

吊裝強度校核建模采用Sesam GeniE模塊有限元分析軟件，船體分段模型用SHELL單元和BEAM單元進行模擬，吊繩采用BEAM單元進行模擬，模型網(wǎng)格尺寸為300 mm×300 mm，吊點處結構采用細化網(wǎng)格處理，網(wǎng)格尺寸為50 mm×50 mm。

船體分段結構和吊耳均為最小屈服強度為355 MPa的高強鋼，材料特性如下：

(1) 楊氏模量：2.1×1011N/m2。

(2) 剪切模量： 8.0×1011N/m2。

(3) 密度：7 850 kg/m3。

(4) 泊松比：0.3。

強度校核采用DNV GL-ST-N001規(guī)范，根據(jù)規(guī)范要求，模擬工況LC如下：

LC=K1×K2×DAF×G

式中：K1是重量不確定系數(shù)，當結構物重量100 t以下時取1.1， 100 t以上時為1.05，船體分段的重量都大于100 t，所以這里K1取1.05。K2是傾斜載荷系數(shù)，由于吊索具制作公差會產(chǎn)生偏心荷載，根據(jù)DNV GL指導文件，對于使用一個吊梁或不用吊梁的靜定吊裝，傾斜載荷系數(shù)取1.0；對于使用2個吊梁或2個以上吊梁并使用匹配索具的吊裝，傾斜載荷系數(shù)取1.1；對于4吊點超靜定吊裝，傾斜載荷系數(shù)取1.25。船體分段使用2個吊梁，傾斜載荷系數(shù)K2保守選取1.1。DAF是動態(tài)放大系數(shù)，被吊物在吊裝過程搖晃擺動會產(chǎn)生額外荷載，動態(tài)放大系數(shù)與鉤頭支反力大小有關，詳細對應關系如表2所示，根據(jù)船體分段吊裝類型DAF選取1.05。

表2 船體分段信息一覽表Tab.2 Information of hull section

結果系數(shù)保守取1.3，許用應力=最小屈服強度/結果系數(shù)，可得許用應力為273 MPa[5]。后面的船體分段強度校核都是按照上述計算要求進行的，不再贅述。

對模型施加模擬工況LC，經(jīng)過軟件計算，最大應力為58.7 MPa,小于許用應力，結構強度滿足要求；最大變形量為10 mm，結構變形滿足要求。最大應力分布云圖如圖7所示，最大變形分布云圖如圖8所示。

圖7 最大應力分布云圖Fig.7 Cloud diagram of maximum stress distribution

圖8 最大變形分布云圖Fig.8 Cloud diagram of maximum deformation distribution

1.4 Ⅱ型船體分段吊裝設計

1.4.1 吊點布設

Ⅱ型船體分段外形較為方正，尺寸較大，且結構完整性較高，共需16個吊耳，8個吊耳一組平行排列，吊耳布置如圖9所示。

圖9 Ⅱ型船體分段吊耳布置圖Fig.9 Layout of lifting lugs for type Ⅱ hull section

1.4.2 吊索具布置

Ⅱ型船體分段吊裝需要4個吊排和2根撐桿，將吊排系統(tǒng)中的兩個吊排與撐桿安裝在同一平面內(nèi)，形成一條直線，每個吊排連接4個吊耳，此外還需要16根鋼絲繩和32個卸扣(鋼絲繩不包含吊排系統(tǒng))，具體連接方式如圖10所示。

圖10 Ⅱ型船體分段索具連接圖Fig.10 Rigging connection diagram for type Ⅱ hull section

1.4.3 吊裝強度校核

經(jīng)過軟件計算，得出Ⅱ型船體分段最大應力為61.8 MPa,小于許用應力，結構強度滿足要求；最大變形量為26.9 mm，結構變形滿足要求。最大應力分布云圖如圖11所示，最大變形分布云圖如圖12所示。

圖11 最大應力分布云圖Fig.11 Cloud diagram of maximum stress distribution

圖12 最大變形分布云圖Fig.12 Cloud diagram of maximum deformation distribution

1.5 Ⅲ型船體分段吊裝設計

1.5.1 吊點布設

Ⅲ型船體分段外形尺寸較小，重量偏心嚴重，共需10個吊耳。耳布設方法為3組固定，即10個吊耳分成3組，2組4個吊耳，1組2個吊耳，吊耳布置圖如圖13所示[6]。

圖13 Ⅲ型船體分段吊耳布置圖Fig.13 Layout of lifting lugs for type Ⅲ hull section

1.5.2 吊索具布置

Ⅲ型船體分段吊裝需要2個吊排，不需要吊排系統(tǒng)的橫梁，吊排單獨裝配到履帶吊的鉤頭上，每個吊排連接一組4個吊點，剩下2個吊耳直接連接到750 t吊機掛鉤上，此外還需要6根鋼絲繩和10個卸扣(鋼絲繩不包含吊排系統(tǒng))，具體連接方式如圖14所示。

圖14 Ⅲ型船體分段索具連接圖Fig.14 Rigging connection diagram for type Ⅲ hull section

1.5.3 吊裝強度校核

經(jīng)過軟件計算，得出Ⅲ型船體分段最大應力為70.9 MPa,小于許用應力，結構強度滿足要求；最大變形量為49.9 mm，結構變形滿足要求。最大應力分布云圖如圖15所示，最大變形分布云圖如圖16所示。

圖15 最大應力分布云圖Fig.15 Cloud diagram of maximum stress distribution

圖16 最大變形分布云圖Fig.16 Cloud diagram of maximum deformation distribution

1.6 Ⅳ型船體分段吊裝設計

1.6.1 吊點布設

Ⅳ型船體分段外形尺寸較小，噸位較小，重量分布相對均勻，共需8個吊耳，分為2組，1組4個吊耳，2組上下平行排列，吊耳布置圖如圖17所示。

圖17 Ⅳ型船體分段吊耳布置圖Fig.17 Layout of lifting lugs for type Ⅳ hull section

圖18 Ⅳ型船體分段索具連接圖Fig.18 Rigging connection diagram for type Ⅳ hull section

1.6.2 吊索具布置

Ⅳ型船體分段吊裝需要2個吊排，將吊排系統(tǒng)中的吊排拆分單個吊排使用，單個400 t吊排可以裝配到履帶式吊車上，每個吊排連接4個吊耳，具體連接方式如圖18所示。

1.6.3 吊裝強度校核

經(jīng)過軟件計算，得出Ⅳ型船體分段最大應力為58.8 MPa,小于許用應力，結構強度滿足要求；最大變形量為29 mm，結構變形滿足要求。最大應力分布云圖如圖19所示，最大變形分布云圖如圖20所示。

圖19 最大應力分布云圖Fig.19 Cloud diagram of maximum stress distribution

圖20 最大變形分布云圖Fig.20 Cloud diagram of maximum deformation distribution

1.7 吊機能力校核

各履帶吊的最大鉤頭支反力、額定起重能力和利用率如表3所示，利用率均小于85%，吊機的能力滿足要求。

表3 履帶吊利用率表Tab.3 Utilization rate of crawler crane

2 吊裝作業(yè)

2.1 吊裝工藝流程

船體分段預制完成后，進入吊裝準備階段，這個階段包括準備吊機、準備吊索具、安裝吊點、安裝導向筋板和安全性分析等。等吊裝準備階段完成后，進行吊裝階段，這個階段包括試吊、切除臨時支墩、吊裝就位和摘扣撤車等，履帶吊吊裝大型船體分段工藝流程如圖21所示。

圖21 船體分段吊裝工藝流程圖Fig.21 Flowchart of hull section lifting process

2.2 準備吊排系統(tǒng)及吊索具

履帶吊需要搭配特制的吊排系統(tǒng)來實現(xiàn)船體分段的吊裝，吊排系統(tǒng)連接圖如圖22所示，實物如圖23所示。該吊排系統(tǒng)包含一個可調(diào)長度的800 t撐桿，撐桿兩端下部各連接2個400 t的吊排，吊排可以與撐桿保持平行，也可以通過轉接件使之與撐桿垂直，成工字形的狀態(tài)。吊排包含2個小平衡梁，每個平衡梁兩端各有1個定滑輪，每個定滑輪繞1根壓制鋼絲繩索具，用于連接船體分段的吊耳[7]。根據(jù)不同形式的船體分段吊裝要求，連接吊排系統(tǒng)及吊索具。

2.3 船體分段吊裝步驟

第一步： 2臺(或3臺)履帶吊起鉤平吊，共同將船體分段平吊離地面0.2 m后，停留約3 min，對分段、吊索及吊機等的狀態(tài)進行觀察，確認無異常后方可繼續(xù)吊裝作業(yè)。

圖22 履帶吊吊排系統(tǒng)連接圖Fig.22 Connection of lifting row system

圖23 履帶吊吊排系統(tǒng)Fig.23 Lifting row system

第二步： 2臺(或3臺)履帶吊超起離地后，共同將船體分段吊裝至靠近立柱下方。

第三步： 2臺(或3臺)吊機緩緩起鉤，抬升船體分段的高度，中途使用轉桿或者履帶吊行走的方式把船體分段吊裝到指定的合攏位置，然后使用倒鏈或者牽引繩等輔助完成總段的最終精確位置。

2.4 合攏搭載順序

二號船體立柱分段搭載順序如圖24所示，船體立柱分段搭載實際吊裝如圖25～圖30所示。

圖24 船體立柱分段搭載順序圖Fig.24 Lifting sequence of ship column sections

圖25 船體分段C22吊裝現(xiàn)場圖Fig.25 Lifting of hull section C22

圖26 船體分段C21吊裝現(xiàn)場圖Fig.26 Lifting of hull section C21

圖27 船體分段C23吊裝現(xiàn)場圖Fig.27 Lifting of hull section C23

圖28 船體分段C27吊裝現(xiàn)場圖Fig.28 Lifting of hull section C27

圖29 船體分段C26吊裝現(xiàn)場圖Fig.29 Lifting of hull section C26

圖30 船體分段C25吊裝現(xiàn)場圖Fig.30 Lifting of hull section C25

3 結 語

目前國內(nèi)外半潛式平臺船體建造方式是在船塢使用龍門吊實施作業(yè)，本文詳細闡述一種使用履帶吊對船體分段進行合攏的工藝，通過采用特制的吊排系統(tǒng)，滿足大型船體分段的吊裝作業(yè)要求。相比于傳統(tǒng)的龍門吊船塢建造方式，本文所述工藝有以下優(yōu)點：

(1) 資源配置更合理，由于船塢和龍門吊的建造成本非常昂貴，國內(nèi)大多數(shù)海洋工程建造公司船塢和龍門吊的資源有限，面對日益增加的深水半潛式平臺建造訂單，使用履帶吊能最大限度地發(fā)揮各個海洋工程建造公司現(xiàn)有場地的能力。

(2) 更具有靈活性，使用龍門吊吊裝吊耳鋪設會受到龍門吊上下小車距離和方向的限制，使用履帶吊則沒有相關限制，能根據(jù)船體分段的受力盡可能合理地布置吊點，選擇最合適的吊裝線路。

(3) 更具有高效性，可以根據(jù)項目的需要增加履帶吊來加快項目的進度，實現(xiàn)多個船體分段同時吊裝，縮短項目的生產(chǎn)周期。

(4) 更強的容錯率，如果一臺履帶吊出現(xiàn)機械故障時，可以使用別的履帶吊來代替作業(yè)，使項目進度不受影響，而使用龍門吊作業(yè)，一旦出現(xiàn)機械故障或者進度不順利，無法有效地加快項目進度，項目的整體工期會受到極大的影響。

綜上所述，本文所述工藝相比于傳統(tǒng)船塢龍門吊，建造方式具有更多的優(yōu)點，可以推廣到其他類似的項目中，能夠節(jié)約項目的建造成本，大幅縮短項目的生產(chǎn)周期。