油碼頭輸油臂的研究與安裝探析

何曉凱，趙冠宇，呂榮貴

(1 廣州市天河弱電電子系統(tǒng)工程有限公司，廣東 廣州 510520；2 上海河圖工程股份有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430223；3 廣東省粵建項目管理有限公司，廣東 廣州 511400)

船用流體輸油臂是海洋石油港口碼頭中，用于碼頭與油輪之間對接，并完成石油裝卸船作業(yè)的一種理想而高效的船岸連接設(shè)施，并具有適應(yīng)不同潮汐和船體運動的能力，廣泛應(yīng)用于石油、民航、碼頭等場合。目前大型油碼頭均采用輸油臂，作為碼頭輸油管道與油輪輸油管道的聯(lián)接設(shè)備[1]。

輸油臂固定在碼頭岸邊，通過其前端的三向回轉(zhuǎn)接頭與油輪上法蘭相連接，通過其底部法蘭與碼頭上設(shè)備輸送管路相連接，從而實現(xiàn)液體裝卸油品的工藝流程。

1 背景介紹

圖1 碼頭輸油流程圖Fig.1 Flow chart of oil transportation

港口油碼頭工程項目包含四個泊位，其中一個泊位為預(yù)留，裝卸的油品包含煤油DPK、柴油AGO、汽油PMS、燃料油HFO、原油Crude Oil。該工程將通過泊位上的輸油臂，將油品通過輸油管道，裝卸至罐區(qū)的儲罐中。

2 輸油臂簡介

輸油臂結(jié)構(gòu)主要由立柱、內(nèi)臂、外臂、三向旋轉(zhuǎn)接頭、鎖緊裝置、支撐結(jié)構(gòu)、配重等構(gòu)成。旋轉(zhuǎn)接頭是輸油臂的關(guān)鍵部位，其性能的好壞直接影響整個輸油臂設(shè)計的成功與否[2]。輸油臂系統(tǒng)主要由裝卸臂、電氣控制設(shè)備、液壓控制系統(tǒng)三部分組成。

輸油臂的液壓系統(tǒng)由一臺液壓鉆、管線、液壓缸構(gòu)成，滿足裝卸臂6個方向在設(shè)計范圍的運動，可實現(xiàn)手動、無線遙控兩種操作方式，在對接完成后，裝卸臂處于自由浮動狀態(tài)，滿足船舶的運動[3]。輸油臂的法蘭接頭同樣采用液壓系統(tǒng)，可自動與船方法蘭連接并自動耦合，省去手動連接法蘭并上緊螺栓的步驟，方便高效。

電氣控制系統(tǒng)主要包括無線電遙控盤、防爆控制臺、接線盒、報警信號、電纜等。

圖2 關(guān)于輸油臂結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of marine loading arm

緊急脫離系統(tǒng)ERS(Emergency Release System)主要由報警系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)和脫離裝置3部分組成。輸油臂系統(tǒng)中的緊急脫離裝置，是為了油輪在遇到漂離正常工作范圍時，使得油輪及時與輸油臂迅速脫離的裝置。在液壓系統(tǒng)的作用下，打開緊急脫離裝置的緊急脫離接頭，上/下切斷閥的分離，從而實現(xiàn)輸油臂與油輪的脫離[4]。

同時關(guān)于輸油臂的布置和間距，要滿足JTJ 165-2013《海港總體設(shè)計規(guī)范》中有關(guān)要求，還要綜合考慮該碼頭與岸邊距離、碼頭前沿的水深、可充分依托的岸上有利資源，預(yù)留出充分空間供設(shè)備檢修使用[5]。

3 輸油臂技術(shù)參數(shù)

以境外新建油碼頭工程項目使用的輸油臂為例，進(jìn)行輸油臂的技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)確定。油碼頭輸送的石油產(chǎn)品數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 關(guān)于石油產(chǎn)品的數(shù)據(jù)Table 1 Data on petroleum products

按照J(rèn)T/T398-2013《港口輸油臂》5.1.5節(jié)中規(guī)定，輸油臂內(nèi)液體流速不宜超過11m/s。裝載臂的尺寸將根據(jù)所需流速確定，按照業(yè)主要求流速最大為8 m/s，同時設(shè)備和管線尺寸應(yīng)考慮通過加載臂的總壓降，因此可得輸油臂的相關(guān)計算數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 輸油臂基礎(chǔ)計算數(shù)據(jù)Table 2 Calculation data of marine loading arm

根據(jù)參數(shù)確定輸油臂的立柱、內(nèi)臂、外臂尺寸，三向回轉(zhuǎn)接頭的長度尺寸是根據(jù)回轉(zhuǎn)接頭及彎頭的結(jié)構(gòu)尺寸確定的，再選用合適的鋼材材質(zhì)，可得詳細(xì)技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 關(guān)于輸油臂的技術(shù)參數(shù)Table 3 Technical parameters of marine loading arm

根據(jù)數(shù)據(jù)做出輸油臂的包絡(luò)圖如圖3所示，輸油臂水平最大角度53°，其伸展高度是包絡(luò)圖中最重要的一個方面，是衡量能否正確地接上各種型船的基礎(chǔ)技術(shù)保證。

圖3 關(guān)于輸油臂包絡(luò)圖Fig.3 Envelope diagram of marine loading arm

圖4 安裝工藝流程Fig.4 Installation process flowchcrt

根據(jù)以上技術(shù)參數(shù)和包絡(luò)圖，將選用廠家的MLA270 20”-150#型得輸油臂作為油碼頭項目的輸油臂設(shè)備。

4 輸油臂安裝方案

4.1 施工工藝流程

4.2 船機(jī)選用和吊裝計算

在安裝大型石油化工設(shè)備的過程中需要充分考慮設(shè)備的吊裝問題，大型設(shè)備吊裝過程中吊車與被吊設(shè)備間的空間位置非常重要，直接決定著吊裝的效益和進(jìn)度[6]。根據(jù)輸油臂設(shè)備的外形尺寸，重量、安裝位置等參數(shù)，結(jié)合項目現(xiàn)場的船機(jī)設(shè)備配置情況。

項目將選用打樁船(樁-11)實施輸油臂的吊裝工作。樁-11的起重性能如表4所示，在俯角10°內(nèi)，雙鉤的起重量達(dá)50 t，大于輸油臂總重量45 t，因此樁-11其起重能力符合吊裝施工要求。

表4 打樁船起重性能Table 4 Lifting performance of piling barge

首先將打樁船停在需要吊裝的泊位一側(cè)，并使打樁船的三角桁架式樁架機(jī)構(gòu)正對需要安裝的輸油臂基礎(chǔ)中心。設(shè)備基礎(chǔ)中心與平臺邊緣的間距為3.5 m。由方駁裝運供給浮吊起吊裝運。

輸油臂就位至泊位平臺基礎(chǔ)面時，樁架機(jī)構(gòu)與水平面的夾角約為81.487°，鉤頭底至打樁船甲板平面的間距約為52 m，如圖5所示。

圖5 輸油臂就位時樁架機(jī)構(gòu)傾角示意圖Fig.5 Schematic diagram of marine loading arm is in place

圖6 輸油臂吊裝作業(yè)圖Fig.6 Lifting operation diagram of marine loading arm

圖7 輸油臂吊裝現(xiàn)場施工作業(yè)圖Fig.7 Site construction of marine loading arm lifting

設(shè)備吊裝高度 H=H1+H2+H3=29.9+4+3.5=37.4 m

式中：H1——設(shè)備高度≈29.9 m
H2——設(shè)備基礎(chǔ)標(biāo)高EL+5.6 m，根據(jù)業(yè)主提供數(shù)據(jù)平均大潮低潮EL+0.3 m，樁-11甲板高于水面1.4 m，所以在最低潮位時設(shè)備離樁-11甲板最大高度4 m

H3——設(shè)備頂部與鉤頭底間距，取3.5 m

4.3 吊裝前準(zhǔn)備

(1)工程部與廠家、船運公司一定要提前做好溝通因為項目在國外，溝通事項包括如何裝船、組裝情況、出運情況、發(fā)運時間、到港時間以及協(xié)調(diào)清關(guān)等。

(2)專項施工方案一定要切實可行，先對安裝現(xiàn)場進(jìn)行全面勘察，根據(jù)設(shè)備布置規(guī)劃以及周邊環(huán)境，綜合考慮現(xiàn)場實際情況，制定出詳細(xì)的設(shè)備吊裝方案。

(3)現(xiàn)場進(jìn)行人工機(jī)具配備，做好船舶機(jī)具的調(diào)配，安裝人員應(yīng)熟悉安裝圖紙和流程。起吊作業(yè)應(yīng)進(jìn)行事先進(jìn)行受力分析，選擇合適的吊具。

(4)完成設(shè)備進(jìn)場驗收、土建基礎(chǔ)驗收、吊裝機(jī)具性能檢查以及預(yù)埋件的檢查。輸油臂的安裝之前應(yīng)注意輸油臂的基座預(yù)埋件的預(yù)埋與水平處理[7]。

4.4 輸油臂的吊裝方案

(1)完成對輸油臂的清洗后，樁-11將對輸油臂進(jìn)行起吊。因船運貨物的高度限制，廠家在對輸油臂整體打包的時候，為減少輸油臂的整體高度，部件銷在出廠的時候未進(jìn)行裝配。因此需要在吊運安裝前將銷安裝完成，才能將輸油臂進(jìn)行整體的吊裝。

(2)安裝并固定銷子后，樁-11起吊繼續(xù)整體提升輸油臂，待輸油臂離開底部支撐100 mm時，靜止10 min，若無異常情況，執(zhí)行下一步操作；

(3)待銷子安裝完畢，將樁-11背板上倒鏈移除，頂部銷子處雜物清理干凈，將輸油臂內(nèi)臂與外臂及三向回轉(zhuǎn)接頭利用之前倒鏈固定；

(4)樁-11吊掛輸油臂BB吊耳處慢慢抬升，吊掛AA吊耳處慢慢下降，使輸油臂成直立狀態(tài)，若輸油臂不垂直，利用樁-11背板的倒鏈，利用吊帶系住輸油臂底板肋板慢慢調(diào)整至垂直；

???《魏書》卷六七《崔光傳》，中華書局 1974 年版，第 1487、1487、1492～1497頁。

(5)樁-11利用絞車將船移至泊位正前方，利用絞車調(diào)整輸油臂至碼頭設(shè)備基礎(chǔ)的正確位置，將輸油臂以直立位置安裝在碼頭基礎(chǔ)上。調(diào)整立管的垂直度，用經(jīng)緯儀在兩正交方向測量，通過調(diào)整底板下螺母等手段使之能夠達(dá)到圖紙或相關(guān)技術(shù)文件要求(允許偏差為H/1000，且≤10 mm)；

(6)上緊地腳螺栓，拆除AA與BB吊點鎖具，拆除內(nèi)臂與外臂及三向回轉(zhuǎn)接頭固定用倒鏈。注意吊裝過程輸油臂兩頭都需要溜繩控制，防止晃動幅度過大。

(7)之后對碼頭面所有輸油臂立柱先安裝調(diào)平，對輸油臂基座進(jìn)行二次灌漿，灌漿至指定的高度。

4.5 安裝驗收

輸油臂待設(shè)備及電氣液壓各系統(tǒng)安裝完畢后需要進(jìn)行：水壓試驗、氣密性試驗、回轉(zhuǎn)試驗和運轉(zhuǎn)試驗。無論用何種操作控制方法，連續(xù)運轉(zhuǎn)時間均不應(yīng)少于20 min，輸油臂應(yīng)達(dá)到下列要求：

(1)電機(jī)、油泵運轉(zhuǎn)正常，無異常噪聲；

(2)液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，油溫不超過60 ℃，油缸動作平穩(wěn)、無阻；

(3)各運動部分工作正常，動作靈活、平穩(wěn)，無異常噪聲；

(4)電氣控制部分工作靈敏、準(zhǔn)確，無異?，F(xiàn)象；

(5)所有緊固件無松動。

5 安裝總結(jié)及注意事項

(1)在輸油臂安裝過程中，應(yīng)采取有效措施避免三向回轉(zhuǎn)接頭與立柱碰撞，應(yīng)采取措施固定轉(zhuǎn)動部件，防止在安裝過程中發(fā)生轉(zhuǎn)動。

(2)法蘭面和旋轉(zhuǎn)接頭填料室是至關(guān)重要的密封表面，不得存在任何形式的劃痕或損壞。法蘭密封面必須清潔，沒有缺陷，以確保有效的密封[8]。

(3)大型設(shè)備專項施工方案要根據(jù)現(xiàn)場實際情況和機(jī)具情況進(jìn)行編制，確保方案切實可行。同時大型設(shè)備的安裝會有很多交叉施工的順序，只有對其進(jìn)行優(yōu)化處理，才能不斷提升施工流程的合理性和及時性，為設(shè)備安裝帶來便利[9]。

(4)大型設(shè)備安裝過程中要設(shè)置專門的技術(shù)人員，重點工作首先是要檢查前一工序和交叉工序的完成情況，必須在前一道工序驗收合格之后再進(jìn)行下一工序的實施。

(5)大型設(shè)備基礎(chǔ)預(yù)埋的時候，特別要注意按照廠家圖紙進(jìn)行地腳螺栓預(yù)埋，注意預(yù)留露出地面的地腳螺栓的長度，因最后施擰完成的額螺紋要高出螺帽三扣，以防使用時松扣降低頂緊力。

(6)對于船機(jī)的選擇要可行，以及船機(jī)操作的穩(wěn)定性及可靠性要有保障。大型化工設(shè)備在現(xiàn)場吊裝時候，吊裝作業(yè)場所要有足夠的吊運通道，并與附近的設(shè)備、建筑物保持一定的安全距離，在吊裝前應(yīng)先進(jìn)行地次低位置的試吊，以驗證其安全牢固性，吊裝的繩索應(yīng)用軟材料墊好或包好。

(7)若設(shè)備預(yù)留孔與預(yù)埋螺栓不對中，主要原因可能是預(yù)埋螺栓埋設(shè)時，未設(shè)固定架進(jìn)行固定，澆灌混凝土?xí)r受碰或振動發(fā)生錯位等。因此預(yù)埋螺栓在澆灌基礎(chǔ)混凝土前，應(yīng)用固定卡盤或固定架固定，同時應(yīng)進(jìn)行測量復(fù)核。

(8)緊固扭矩或預(yù)拉力不夠，即高強(qiáng)螺栓按規(guī)定扭矩緊固后，螺栓仍達(dá)不到要求的預(yù)拉力而影響連接強(qiáng)度。主要原因緊固順序不正確，螺栓緊固未分兩次進(jìn)行。緊固順序應(yīng)從螺栓組中間向兩端對稱緊固，操作必須分兩次進(jìn)行；第一次初擰不小于終擰扭矩的30%，第二次終擰使達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)緊固扭矩，加強(qiáng)檢查防止漏擰。

(9)若設(shè)備安裝垂直度偏差過大，主要原因可能是設(shè)備在制作時過程中，本身存在較大的側(cè)向彎曲未予糾正即吊裝；或者安裝工藝不合理吊裝后未進(jìn)行校正就固定。因此嚴(yán)格檢查構(gòu)件幾何尺寸，超過允許值應(yīng)及時處理好再吊裝；同時應(yīng)嚴(yán)格按照合理的安裝工藝安裝，設(shè)備安裝后及時校正避免誤差積累。