海上平臺(tái)翻轉(zhuǎn)立罐就位作業(yè)方法及施工技巧

徐慶東

(中海石油(中國)有限公司天津分公司秦皇島32-6作業(yè)公司 天津300459)

0 引 言

隨著海上油田開采進(jìn)入中后期，原油中的含水率越來越高，過多的生產(chǎn)水不僅增加了輸送動(dòng)力的消耗，還增加了下游設(shè)備的負(fù)荷。原油產(chǎn)量受到限制的同時(shí)，原設(shè)計(jì)的生產(chǎn)水處理系統(tǒng)、工藝也不能滿足處理能力提升的需求，排海的生產(chǎn)水指標(biāo)也往往達(dá)不到。所以近幾年海上平臺(tái)升級(jí)改造水處理系統(tǒng)項(xiàng)目逐年增加，每個(gè)水處理系統(tǒng)有 4個(gè)立式大罐，為便于從陸地到海上運(yùn)輸，必須水平放置，到現(xiàn)場后需要翻轉(zhuǎn) 90°垂直安裝。因此，后期在平臺(tái)上翻轉(zhuǎn)大罐作業(yè)隨之增多。

1 翻轉(zhuǎn)立罐的方法分類

任何物體的旋轉(zhuǎn)都是以一根軸為中心進(jìn)行的[1]。無論物體怎樣旋轉(zhuǎn)，軸相對(duì)于物體是靜止不動(dòng)的。換句話說，任何一個(gè)物體圍繞一個(gè)固定的軸都可以旋轉(zhuǎn)起來。大罐翻轉(zhuǎn)最關(guān)鍵的就是找到這樣一根軸。軸找到了，大罐轉(zhuǎn)多少度，就只是時(shí)間問題了。按照翻轉(zhuǎn)時(shí)大罐的位置可分為空中翻轉(zhuǎn)法(也叫空間翻轉(zhuǎn)法)和地面翻轉(zhuǎn)法(也叫翻滾法)2種方法[2]。地面翻轉(zhuǎn)法可分為滑移法和扳轉(zhuǎn)法。海上平臺(tái)立罐翻轉(zhuǎn)作業(yè)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，可分別采用 2臺(tái)起重機(jī)空中翻轉(zhuǎn)法、平臺(tái)單臺(tái)起重機(jī)與守護(hù)船配合滑移法、平臺(tái)單臺(tái)起重機(jī)扳轉(zhuǎn)法及平臺(tái)單臺(tái)起重機(jī)工裝扳轉(zhuǎn)法等。

2 2臺(tái)起重機(jī)空中翻轉(zhuǎn)法立罐吊裝

平臺(tái)上如果有2臺(tái)起重機(jī)，且起重能力和作業(yè)半徑滿足受力需要，最好采用 2臺(tái)起重機(jī)空中翻轉(zhuǎn)立罐。大罐頭部吊點(diǎn)選擇在頂部頭蓋處或在大罐重心以上的筒體兩側(cè)，尾部吊點(diǎn)選擇在裙座附近。起吊大罐頭部所用的起重機(jī)稱為主吊起重機(jī)，罐體尾部送尾用的起重機(jī)稱為輔吊起重機(jī)。當(dāng)主吊起重機(jī)提升大罐頭部時(shí)，輔吊起重機(jī)抬吊大罐尾部向預(yù)定主吊起重機(jī)臂桿范圍內(nèi)送尾，這就是起重機(jī)空間翻轉(zhuǎn)法立罐吊裝。平臺(tái)起重機(jī)空間翻轉(zhuǎn)法立罐吊裝過程主要分3個(gè)狀態(tài)，即起吊狀態(tài)、45°狀態(tài)、直立狀態(tài)。

2.1 起吊狀態(tài)

當(dāng)主吊起重機(jī)抬吊大罐頭部開始提升時(shí)，輔吊起重機(jī)抬吊大罐尾部同時(shí)提升。由于大罐平臥時(shí)罐體尾部重量全部由輔吊起重機(jī)承擔(dān)，故此時(shí)輔吊起重機(jī)抬尾力處于最大受力工況。通常計(jì)算抬尾力和選擇輔吊起重機(jī)和索具以此為據(jù)。

2.2 45°狀態(tài)

當(dāng)大罐起升達(dá) 45°時(shí)，主吊起重機(jī)提升速度不變，輔吊起重機(jī)送尾的速度應(yīng)由原來較慢變?yōu)榧涌?，以保證主吊起重機(jī)垂直受力。通常計(jì)算和選擇輔吊起重機(jī)行走或降桿性能時(shí)以此為據(jù)。

主、輔起重機(jī)雖然不能做到操作速度完全匹配，但可以通過對(duì)罐體的運(yùn)動(dòng)分析得到二者速度之間的關(guān)系，從而指揮協(xié)調(diào)主、輔起重機(jī)的配合和控制起重機(jī)操作速度，以盡可能減少載荷分配的不均衡。當(dāng)罐體仰角小于 45°時(shí)，可適當(dāng)加快提升速度和控制前送速度；而當(dāng)設(shè)備仰角大于 45°以后，大罐每提升一點(diǎn)，都需要輔吊起重機(jī)隨之向前抬送很長距離，此時(shí)應(yīng)放慢提升速度，適當(dāng)加快輔吊起重機(jī)向前抬送的速度。

2.3 直立狀態(tài)

當(dāng)主吊起重機(jī)提升大罐到送尾的索具不受力時(shí)，大罐已達(dá)直立狀態(tài)，此時(shí)主吊起重機(jī)承擔(dān)大罐全部重量，保持最大受力工況。通常計(jì)算最大起吊力和選擇主吊起重機(jī)性能時(shí)以此為據(jù)。最后主吊起重機(jī)需要調(diào)整起升高度和臂桿方位，使大罐底部超過平臺(tái)基礎(chǔ)地面，吊至大罐底座對(duì)準(zhǔn)基礎(chǔ)地腳螺栓，主吊起重機(jī)回落，設(shè)備就位、找正，緊固地腳螺栓，摘除吊裝索具。

2.4 起重機(jī)空間翻轉(zhuǎn)法立罐吊裝作業(yè)要點(diǎn)

起重機(jī)安全負(fù)載能力必須滿足受力需要。當(dāng)大罐起升約 45°時(shí)，主吊提升速度不變，輔吊起重機(jī)送尾的速度由原來較慢變?yōu)榧涌?，必須保證主吊起重機(jī)垂直受力。大罐直立狀態(tài)前的瞬間，輔吊起重機(jī)由受力到不受力，主吊起重機(jī)突然承受大罐的全部重量，需要控制作業(yè)速度，不得有擺動(dòng)或沖擊力，以確保安全平穩(wěn)地吊裝大罐。

3 單臺(tái)起重機(jī)與守護(hù)船配合滑移法立罐吊裝

如果海上天氣和海況良好，起重機(jī)作業(yè)半徑和起重能力滿足，可采用平臺(tái)起重機(jī)與守護(hù)船配合滑移法立罐。待吊大罐平臥守護(hù)船后甲板，頭部靠近起重機(jī)，大罐軸線與吊車回轉(zhuǎn)中心成一線，大罐尾部裝尾排行走或守護(hù)船移動(dòng)送尾，大罐吊點(diǎn)在大罐頂部頭蓋處或在大罐重心以上的筒體兩側(cè)，當(dāng)起吊提升時(shí)，大罐隨尾排或守護(hù)船向起重機(jī)方向行走，這就是滑移法立罐吊裝?；品⒐薜跹b過程主要分為起吊、脫排和直立3種狀態(tài)。

3.1 起吊狀態(tài)

當(dāng)大罐頭部開始提升時(shí)，大罐尾部的行走靠守護(hù)船移動(dòng)，使大罐向起重機(jī)方向行走。由于大罐平臥時(shí)尾部重量全部壓在守護(hù)船甲板上，起動(dòng)牽引索具從靜止?fàn)顟B(tài)到行走，故此時(shí)牽引力在立罐過程中處于最大受力工況。通常計(jì)算牽引力和選擇牽引索具以此為據(jù)，采用守護(hù)船送尾可省略牽引力計(jì)算。

3.2 脫排狀態(tài)

當(dāng)大罐接近直立時(shí)，大罐尾部的后溜控制索具開始受力，起重機(jī)大鉤提升，使得大罐底部脫離甲板。此時(shí)起重機(jī)各部位受力都最大，通常計(jì)算平衡梁各部位受力和選擇吊索具以此為據(jù)。

3.3 直立狀態(tài)

當(dāng)大罐提升離開甲板時(shí)，起吊至大罐安裝位置，調(diào)整、找正、控制索具，使得設(shè)備底座對(duì)準(zhǔn)基礎(chǔ)地腳螺栓。此時(shí)各部位受力比脫排狀態(tài)要大，計(jì)算各部位受力和選擇機(jī)索具應(yīng)以此為據(jù)。

3.4 滑移法立罐吊裝的作業(yè)要點(diǎn)

控制好尾排行走中心線，在脫排狀態(tài)時(shí)，不得有橫向擺動(dòng)或前后沖擊力，以確保安全平穩(wěn)地吊裝設(shè)備。

4 單臺(tái)起重機(jī)扳轉(zhuǎn)法立罐吊裝及受力計(jì)算

扳轉(zhuǎn)法吊裝大罐就是大罐平臥在就位基礎(chǔ)旁，尾部設(shè)置鉸鏈與基礎(chǔ)連接，大罐軸線與基礎(chǔ)中心成一線。大罐吊點(diǎn)在大罐頂部頭蓋處或在大罐重心以上的筒體兩側(cè)(圖1)。為防止大罐頭部左右橫向擺動(dòng)，需要在大罐頭部設(shè)置對(duì)稱控制耳繩。為防止大罐起扳到自轉(zhuǎn)角(大罐重心越過鉸鏈)時(shí)產(chǎn)生大罐自轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，還需要在大罐頭部設(shè)置防后仰控制索具。當(dāng)平臺(tái)起重機(jī)提升時(shí)，大罐尾部在基礎(chǔ)鉸鏈上旋轉(zhuǎn)，這就是扳轉(zhuǎn)法吊裝。扳轉(zhuǎn)法吊裝大罐過程主要分為起扳、控制后仰和直立3種狀態(tài)。

圖1 起扳狀態(tài)受力圖Fig.1 Sketch map of lifting force

4.1 起扳

起扳力：F起＝K(WL1＋qL)/L

鉸鏈垂直受力：T＝KW(L-L1)/L

鉸鏈水平受力：F水平＝F起cosα

式中：K為動(dòng)載安全系數(shù)，K＝1.1[3]；W為罐體總重量(kN)；q為吊點(diǎn)索具重量(kN)；L為吊點(diǎn)到輔助吊點(diǎn)的距離(m)；L1為罐體重心到鉸鏈支撐點(diǎn)的距離(m)；α為罐體中心線與地面水平線夾角(圖1)。

4.2 控制后仰狀態(tài)

當(dāng)起重機(jī)起扳大罐到自轉(zhuǎn)角(大罐重心越過鉸鏈)時(shí)(大約在 70～80°)，由于起扳索具重量和大罐自重作用會(huì)產(chǎn)生設(shè)備向起重機(jī)方向自轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，故此時(shí)需要預(yù)先調(diào)整好控制后仰索具的受力，以防止大罐突然向起重機(jī)方向自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生巨大沖擊力。大罐的全部質(zhì)量在鉸鏈及基礎(chǔ)上，通常計(jì)算基礎(chǔ)鉸鏈垂直壓力和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)鉸鏈以此為據(jù)。

鉸鏈垂直受力：N＝K(W＋q)＋F起sinα

4.3 直立狀態(tài)

當(dāng)大罐向起重機(jī)方向自轉(zhuǎn)到直立狀態(tài)時(shí)，控制后仰索具的受力越來越大，大罐立直瞬間最大。此狀態(tài)下起重機(jī)已完全不受力。

式中：β為控制后仰繩與地面夾角，即力 S與地面的夾角(°)。

4.4 扳轉(zhuǎn)法吊裝設(shè)備的作業(yè)要點(diǎn)

調(diào)整好設(shè)備橫向擺動(dòng)的控制耳繩、控制后仰索具，在整個(gè)扳轉(zhuǎn)過程中不得有橫向擺動(dòng)或前后沖擊力，以確保安全平穩(wěn)地吊裝設(shè)備。

5 單臺(tái)起重機(jī)工裝扳轉(zhuǎn)法立罐吊裝

首先調(diào)查平臺(tái)吊車起吊能力、各種參數(shù)及吊裝曲線，確保起重機(jī)起重能力滿足受力需要。

5.1 場地清理

清理場地時(shí)，根據(jù)大罐擺放位置圖，將有干涉的部位移除，對(duì)吊裝移動(dòng)通道進(jìn)行溝通和確定。選擇和確定拖拽固定點(diǎn)，對(duì)拖拽工具進(jìn)行檢查和完善。

5.2 劃線工作

在大罐安裝位置進(jìn)行劃線工作(在吊裝之前完成)以隨時(shí)等待罐體吊裝就位。立罐專用工裝處劃線，將鞍座擺放位置進(jìn)行劃線，劃線時(shí)也須將鞍座底部布置在吊貨甲板結(jié)構(gòu)梁上面。鞍座擺放位置要考慮立罐罐體下方兩支腿位于立罐工裝上方。

5.3 工裝的固定及立罐輔助防護(hù)

工裝是用型鋼制作的2層臺(tái)階框架結(jié)構(gòu)，臺(tái)階面鋪上硬木。兩臺(tái)階中心距為大罐兩支腿間距，工裝下層臺(tái)階高度以大罐平臥時(shí)下面兩支腿高度為準(zhǔn)，工裝上層臺(tái)階比下層臺(tái)階高出半個(gè)大罐兩支腿間距。工裝面用硬木制作，以免立罐過程中罐體支腿在工裝表面吃力時(shí)打滑。兩個(gè)工裝間距等于大罐兩支腿間距，底部與吊貨甲板焊接固定(盡量選擇在大梁上方)，使兩工裝中心線和起重機(jī)回轉(zhuǎn)中心重合(圖2)。

圖2 工裝和索具示意圖Fig.2 Sketch map of tooling and rigging

5.4 設(shè)備吊裝及立罐作業(yè)

先用四肢吊索具把大罐由船上平吊至吊貨甲板，擺放在畫線位置(靠近工裝結(jié)構(gòu)的位置)放好，然后更換為立罐專用吊索具。把大罐平吊至預(yù)定位置，大罐中心線正對(duì)起重機(jī)回轉(zhuǎn)中心，下面的兩支腿放在工裝的下層臺(tái)階上。就位后更換立罐專用吊索具，在罐體下部吊耳拴好牽引繩。安全人員及吊裝人員仔細(xì)檢查索具完好情況，即卸扣螺栓是否擰緊，銷鎖是否插緊、牽引繩是否栓牢固，無關(guān)人員是否撤離現(xiàn)場，檢查周邊是否還存在妨礙的設(shè)施，檢查無誤后準(zhǔn)備立罐。司索指揮吊車慢慢起鉤和升臂，使罐體緩慢平穩(wěn)起立。待起到一定高度時(shí)，確認(rèn)罐體最下面的兩個(gè)腿角與工裝結(jié)構(gòu)表面木料接觸，吊車起鉤暫停，利用罐體自身重力讓腿腳底板周圍棱角處壓進(jìn)木料表面，以避免打滑。確認(rèn)罐體腿腳與工裝木料壓緊后，繼續(xù)慢慢起鉤和升臂，直到罐體上面的兩支腿接觸上層臺(tái)階吊車暫停，利用罐體自身重力讓上面腿腳底板壓進(jìn)木料表面。壓緊后，再繼續(xù)慢慢起鉤和升臂，直到立罐成功(圖3)。整個(gè)過程要確保起重機(jī)提升繩與鉛垂線間夾角不大于 3°。立罐成功后吊裝到安裝位置，找正后緊固地腳螺栓，摘除吊裝索具。以同樣的立罐作業(yè)流程吊裝就位下一個(gè)水罐。

圖3 工裝扳轉(zhuǎn)法示意圖Fig.3 Sketch map of tooling turning method

5.5 工裝扳轉(zhuǎn)法立罐作業(yè)亮點(diǎn)

海上平臺(tái)空間有限，設(shè)備較多，無法在大罐基礎(chǔ)位置實(shí)現(xiàn)扳轉(zhuǎn)立罐。因此，對(duì)扳轉(zhuǎn)法進(jìn)行了技術(shù)升級(jí)，創(chuàng)新了工裝扳轉(zhuǎn)法，在相對(duì)寬敞的吊貨甲板翻轉(zhuǎn)直立后再吊裝就位。

5.5.1 工裝代替鉸鏈

工裝受力框架結(jié)構(gòu)用型鋼制作，工裝下層高度是以大罐下面兩支腿高度為準(zhǔn)，上層高度是以限制大罐直立前自轉(zhuǎn)為準(zhǔn)。工裝面用硬木制作，以便于立罐過程中罐體支腿在工裝表面吃力時(shí)不會(huì)打滑，從而可代替鉸鏈。

5.5.2 工裝重復(fù)利用

制作一對(duì)工裝可完成4個(gè)罐體的翻轉(zhuǎn)作業(yè)，相比扳轉(zhuǎn)法每個(gè)立罐制作一個(gè)鉸鏈要簡單得多。

5.5.3 工裝能消除大罐自轉(zhuǎn)

立罐作業(yè)首先是以平臥大罐下面的兩支腿與工裝的接觸點(diǎn)連線為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在大罐的重心還沒有越過旋轉(zhuǎn)軸時(shí)，也就是尚在大罐自轉(zhuǎn)角之前，大罐上面的兩支腿已與工裝的上層臺(tái)階接觸，隨著起重機(jī)起升和變幅聯(lián)動(dòng)，大罐開始以上面兩支腿與工裝的接觸點(diǎn)連線為軸旋轉(zhuǎn)，由于大罐直立過程重心不會(huì)越過旋轉(zhuǎn)軸，自然就不會(huì)產(chǎn)生大罐自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，能有效防止大罐瞬間自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生巨大的沖擊力，從而降低翻轉(zhuǎn)立罐的風(fēng)險(xiǎn)。

5.5.4 工裝扳轉(zhuǎn)法無需控制后仰的索具

由于工裝扳轉(zhuǎn)法可有效消除大罐自轉(zhuǎn)，只需要安裝牽引繩，無需安裝控制后仰的索具，可有效節(jié)約立罐作業(yè)施工時(shí)間。

5.5.5 工裝扳轉(zhuǎn)法無需過多復(fù)雜受力計(jì)算

海上平臺(tái)基本上都是鋼結(jié)構(gòu)，制作的工裝只要安裝在大梁上方就沒問題。吊索具按照大罐重量來選擇即可。

6 結(jié) 語

翻轉(zhuǎn)立罐是起重吊裝作業(yè)中難度最大的工序，配合作業(yè)多，翻轉(zhuǎn)過程中力系變化復(fù)雜，必須做好周密的策劃和制定切實(shí)的措施。大罐翻轉(zhuǎn)時(shí)，吊索具、罐體、起重機(jī)械均處于動(dòng)態(tài)過程，需要多人通力合作才能實(shí)現(xiàn)。因此，在海上平臺(tái)翻轉(zhuǎn)立罐操作時(shí)必須注意：吊索具能承受該吊點(diǎn)的最大受力，并應(yīng)留有一定的裕度，以保證遇見外載荷影響的作業(yè)安全；在設(shè)備翻轉(zhuǎn)過程中，索具與罐體的相對(duì)位置發(fā)生變化，設(shè)計(jì)吊索具時(shí)，注意吊索具與罐體的間距，嚴(yán)禁吊索具與罐體碰擦；在輔助索具放松時(shí)，及時(shí)調(diào)整設(shè)備高度，避免設(shè)備碰擦地面；為了安全起見，盡量使翻轉(zhuǎn)作業(yè)在低空進(jìn)行，以物件及其附屬件不碰地面和地面構(gòu)筑物為準(zhǔn)。如果平臺(tái)上有 2臺(tái)起重機(jī)，且起重能力和作業(yè)半徑滿足受力需要，最好采用2臺(tái)起重機(jī)空中翻轉(zhuǎn)法立罐吊裝；如果海上天氣和海況良好，起重機(jī)作業(yè)半徑和起重能力滿足，可采用平臺(tái)起重機(jī)與守護(hù)船配合滑移法立罐，此吊裝方法受外界環(huán)境影響較大；如果海上平臺(tái)有作業(yè)空間，可采用起重機(jī)工裝扳轉(zhuǎn)法立罐吊裝，此吊裝方法比較簡單，易控制，能切實(shí)縮短作業(yè)時(shí)間、減少作業(yè)程序和降低吊裝風(fēng)險(xiǎn)。