大型半潛式平臺(tái)船體分段履帶吊翻身工藝

連 鑫， 宮 晨， 馮英磊， 劉凌云， 尚繼飛

(海洋石油工程(青島)有限公司，青島 266520)

0 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)南海深水區(qū)域重大油氣的發(fā)現(xiàn)，深水半潛式平臺(tái)的建造需求日趨增多，大型半潛式平臺(tái)船體在建造過(guò)程中，為方便船體分段預(yù)制，經(jīng)常需要把船體分段反向建造或者旋轉(zhuǎn)90°側(cè)造，船體分段預(yù)制完成后需要進(jìn)行翻身吊裝作業(yè)，把船體分段調(diào)整到總裝狀態(tài)。目前大型船體分段翻身方式都是使用龍門(mén)吊實(shí)施作業(yè)，圖1所示是韓國(guó)某公司利用龍門(mén)吊進(jìn)行船體分段翻身，這種方式需要占用龍門(mén)吊資源，對(duì)于翻身場(chǎng)地要求條件高。如果能使用履帶吊來(lái)進(jìn)行大型船體分段翻身作業(yè)，就能釋放龍門(mén)吊資源，就能充分利用現(xiàn)有的場(chǎng)地資源，靈活進(jìn)行翻身作業(yè)。本文結(jié)合“深海一號(hào)”半潛式平臺(tái)項(xiàng)目建造施工實(shí)踐，詳細(xì)闡述在不使用龍門(mén)吊的條件下，通過(guò)使用履帶吊實(shí)現(xiàn)大型半潛式平臺(tái)船體的翻身吊裝作業(yè)。主要內(nèi)容包括翻身設(shè)計(jì)、翻身方案和翻身作業(yè)3個(gè)部分。

圖1 船體分段傳統(tǒng)翻身方式Fig.1 Traditional turnover of hull section

1 翻身設(shè)計(jì)

1.1 翻身設(shè)計(jì)流程

整個(gè)船體分段翻身過(guò)程比較復(fù)雜，在翻身過(guò)程中吊索具與船體結(jié)構(gòu)有干涉的風(fēng)險(xiǎn)，船體分段吊點(diǎn)重量有轉(zhuǎn)移的過(guò)程。翻身設(shè)計(jì)的第一步是核算分段重量重心，通過(guò)建立3D模型得到的重量、重心與圖紙、料單對(duì)比，從而得到最終的理論重量、重心。接下來(lái)要進(jìn)行吊點(diǎn)布設(shè)、計(jì)算強(qiáng)度、選取吊機(jī)、吊機(jī)能力校核和碰撞校核等，總的來(lái)說(shuō)，船體分段翻身設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的逐步尋優(yōu)的過(guò)程[1]，翻身設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 船體翻身設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 Flowchart of hull turnover

本文以“深海一號(hào)”半潛式平臺(tái)的C27船體立柱分段翻身為例，C27船體重量信息如表1所示，外形尺寸如圖3所示。

表1 C27重量信息Tab.1 Overall information of C27

(續(xù)表)

圖3 C27船體分段外形尺寸Fig.3 Overall dimensions of hull section C27

1.2 布設(shè)吊點(diǎn)

吊耳布設(shè)是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，需要綜合考慮翻身過(guò)程中旋轉(zhuǎn)軸干涉、吊耳結(jié)構(gòu)處強(qiáng)度、履帶吊的性能以及船體分段與履帶吊的相對(duì)位置和碰撞等，根據(jù)船體分段C27的特殊結(jié)構(gòu)形式和需要翻身90°的要求，特別設(shè)計(jì)翻身的吊耳，主要有以下兩種形式，分為A型、B型。A型吊耳是翻身過(guò)程中的主吊點(diǎn)，由于船體分段艙壁比較薄弱，因此需要多個(gè)吊點(diǎn)來(lái)分散應(yīng)力，保證船體分段的翻身強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)計(jì)算需要8個(gè)A型吊耳，安裝在船體分段頂部。B型吊耳是翻身過(guò)程中的輔助吊點(diǎn)，需要4個(gè)B型吊耳，安裝在船體分段底部[2]。吊耳具體形式示意如圖4所示，吊耳鋪設(shè)示意如圖5所示。

圖4 船體分段翻身吊耳示意圖Fig.4 Schematic diagram of turnover lifting lug of hull section

圖5 船體分段吊耳鋪設(shè)示意圖Fig.5 Schematic diagram of lifting lugs of hull section

1.3 翻身強(qiáng)度校核

翻身強(qiáng)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(jìn)行模擬，吊繩用beam單元進(jìn)行模擬，模型網(wǎng)格尺寸為300 mm×300 mm，吊點(diǎn)處結(jié)構(gòu)采用細(xì)化網(wǎng)格處理，網(wǎng)格尺寸為50 mm×50 mm。整個(gè)翻身過(guò)程分成3個(gè)階段來(lái)模擬，分別是原始0°狀態(tài)、翻身45°狀態(tài)和最終90°狀態(tài)[3]。

船體分段結(jié)構(gòu)和吊耳均為最小屈服強(qiáng)度為355 MPa的高強(qiáng)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(qiáng)度校核采用DNV GL-ST-N001 規(guī)范，重量不確定系數(shù)為1.05，動(dòng)態(tài)放大系數(shù)根據(jù)翻身吊裝類(lèi)型選取1.05，傾斜載荷系數(shù)根據(jù)使用吊梁和鋼絲繩的數(shù)量選取1.1，結(jié)果系數(shù)按照保守取1.3[4]。經(jīng)過(guò)強(qiáng)度校核，最大應(yīng)力和變形都是出現(xiàn)在原始0°狀態(tài)，最大應(yīng)力為125.7 MPa,小于許用應(yīng)力273 MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，最大變形量為25 mm，結(jié)構(gòu)變形滿足要求。各階段的最大應(yīng)力值如表2所示，最大應(yīng)力分布云圖如圖6所示，最大變形分布云圖如圖7所示。

表2 各階段最大應(yīng)力值Tab.2 Maximum stress of each stage

圖6 最大應(yīng)力分布云圖Fig.6 Cloud diagram of maximum stress distribution

圖7 最大變形分布云圖Fig.7 Cloud diagram of maximum deformation distribution

1.4 吊機(jī)能力校核

船體分段的8個(gè)主吊點(diǎn)使用一臺(tái)DEMAG CC8800-1型1600T履帶吊(簡(jiǎn)稱(chēng)1600T履帶吊)來(lái)吊裝，剩下4個(gè)輔助吊點(diǎn)分為2組，一組使用一臺(tái)1600T履帶吊塔況來(lái)吊裝，另外一組使用1臺(tái)LIEBHERR LR 1750型750T履帶吊(簡(jiǎn)稱(chēng)750T履帶吊)來(lái)吊裝。由于在翻身過(guò)程中，船體分段的重量會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，各吊點(diǎn)的支反力會(huì)有所變化，因此要使用吊點(diǎn)全過(guò)程中最大的支反力來(lái)校核吊機(jī)的能力。

(1) 8個(gè)主吊點(diǎn)最大支反合力出現(xiàn)在船體分段翻身90°時(shí)，支反合力大小為353 t， 1600 t履帶吊的額定起重量為528 t，算上動(dòng)載荷等系數(shù)后利用率為76.4%，吊機(jī)能力符合要求。

(2) 2組輔助吊點(diǎn)最大支反合力出現(xiàn)在船體分段為0°時(shí)，支反合力大小為132 t， 750 t履帶吊的額定起重量為216 t，算上動(dòng)載荷等系數(shù)后利用率為70.5%，1600 t履帶吊塔況的額定起重量為210 t，算上動(dòng)載荷等系數(shù)后利用率為75.8%，吊機(jī)能力符合要求。

2 翻身方案

2.1 吊排系統(tǒng)

設(shè)計(jì)的主吊點(diǎn)有8個(gè)，由于履帶吊只有一個(gè)鉤頭，需要搭配特制的吊排來(lái)實(shí)現(xiàn)履帶吊船體分段的翻身，一個(gè)400 t吊排包含2個(gè)小平衡梁，每個(gè)平衡梁兩端各有一個(gè)定滑輪，每個(gè)定滑輪繞一根壓制鋼絲繩索具，這樣總共能接8根鋼絲繩用于連接船體分段的吊耳[5]，吊排實(shí)物如圖8所示。

圖8 履帶吊400t吊排Fig.8 400 t lifting row of crawler crane

2.2 吊索具布置

船體分段翻身需要12根16 m長(zhǎng)的鋼絲繩和20個(gè)卸扣(鋼絲繩不包含吊排系統(tǒng))，其中主吊點(diǎn)需要8根鋼絲繩和16個(gè)卸扣，其余的用于輔助吊點(diǎn)，具體連接方式如圖9所示。

圖9 船體分段翻身索具連接圖Fig.9 Connection diagram of rigging of hull section turnover

2.3 吊機(jī)站位

船體分段翻身需要3臺(tái)大型履帶吊，吊機(jī)原始站位如圖10所示，翻身后吊機(jī)最終站位如圖11所示。

圖10 船體分段翻身吊機(jī)原始站位Fig.10 Original position of hull section turnover crane

圖11 船體分段翻身吊機(jī)最終站位Fig.11 Final position of hull section turnover crane

2.4 吊機(jī)碰撞校核

在船體分段翻身過(guò)程中有碰撞風(fēng)險(xiǎn)的是2臺(tái)1600t履帶吊，它們的空間碰撞校核如圖12所示。

圖12 船體分段翻身吊機(jī)空間碰撞校核Fig.12 Space collision check of hull section turnover crane

3 翻身作業(yè)

3.1 船體分段翻身流程

船體翻身作業(yè)之前需要進(jìn)行相關(guān)的準(zhǔn)備，如需要進(jìn)行翻身吊點(diǎn)安裝、輔助件搭設(shè)、碰撞檢查和吊機(jī)掛扣等，船體分段翻身的整個(gè)施工流程如圖13所示。

圖13 船體分段翻身吊機(jī)空間碰撞校核Fig.13 Space collision check of hull section turnover crane

3.2 船體分段翻身步驟

第一步： 3臺(tái)履帶吊起鉤平吊，共同將船體分段平吊離馬腿高0.2 m后，停留約3 min，對(duì)分段、吊索及吊機(jī)等的狀態(tài)進(jìn)行觀察，確認(rèn)無(wú)異常后方可繼續(xù)吊裝作業(yè)，如圖14所示。

第二步： 履帶吊同時(shí)向一個(gè)方向行駛，將船體分段從馬腿正上方挪開(kāi)，然后保持不動(dòng)，如圖15所示，用叉車(chē)將馬腿移除，給后續(xù)船體分段翻身留出足夠的空間。

第三步： 主吊的1600t-1履帶吊鉤頭緩緩升起，另外2臺(tái)履帶吊鉤頭保持高度不變，同時(shí)2臺(tái)履帶吊向1600t-1緩慢靠近，保證鋼絲繩垂直無(wú)側(cè)向傾斜，如圖16所示。

第四步： 3臺(tái)履帶吊配合直到船體分段翻身90°完成，繼續(xù)移動(dòng)將船體分段放置到事先布置好的墊木上，如圖17所示。

圖14 船體分段翻身試吊階段Fig.14 Turnover trial hoisting stage of hull section

圖15 船體分段挪移馬腿上方Fig.15 Moving the hull section above the horse leg

圖16 船體分段翻身過(guò)程Fig.16 Turnover process of hull section

圖17 船體分段在墊木上放置Fig.17 Placement of hull section on wooden mat

第五步： 3臺(tái)履帶吊鉤頭緩慢下降，鋼絲繩慢慢松開(kāi)，過(guò)程中觀察船體分段的狀態(tài)是否穩(wěn)定，等到履帶吊完全沒(méi)有受力后摘除掛扣，移除履帶吊，船體分段翻身作業(yè)完成。

5 結(jié) 語(yǔ)

船體分段翻身是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要綜合考慮多方面的問(wèn)題，通常情況下，大型船體分段翻身需要使用龍門(mén)吊，本文詳細(xì)從翻身設(shè)計(jì)、翻身方案和翻身作業(yè)3個(gè)方面闡述采用特制的吊排和多臺(tái)履帶吊配合完成船體分段翻身作業(yè)。本文工藝打破了大型船體分段翻身必須使用龍門(mén)吊的限制，可以推廣到其他項(xiàng)目中，使船體分段翻身具有更多場(chǎng)地選擇和靈活性，能夠充分利用現(xiàn)有場(chǎng)地資源，節(jié)約項(xiàng)目的建造成本，大幅縮短項(xiàng)目的生產(chǎn)周期。