將軍柱式海洋平臺吊機設計研究

張茄新， 徐小鵬， 畢小鈞， 羅震， 姜小剛

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西寶雞 721002）

0 引言

海洋平臺吊機屬于海洋工程領域特種起吊設備，安裝在海洋鉆采平臺、工程船舶、鉆井勘察船等海洋工程裝備上，是海洋工程裝備與外界物資交換的“橋梁”。其主要用來進行維修、物資供給和人員輸送等吊運作業，是海洋工程裝備上重要的生產和安全設備。

海洋平臺吊機按結構形式主要分為將軍柱式、回轉軸承式、液缸變幅式、折臂式及懸臂式等類型。將軍柱式吊機是海洋平臺廣泛配套的類型之一，其主體采用上、下回轉軸承和將軍柱承載由吊臂傳遞的傾覆力矩，使吊臂承受的垂直載荷直接傳遞到平臺基座上；吊臂的主體部件采用桁架結構，既減輕了自身重量，又降低了風阻系數，使其抗傾覆和側載能力更強，整體穩定性和承載可靠性更好。該類型吊機應用前景廣闊，是國內外研究開發的重點,為此，本文對將軍柱式平臺吊機的設計進行介紹與分析。

1 結構設計與工作原理

1.1 總體結構

將軍柱式海洋平臺吊機主要由承載部件、動力部件、執行部件、液壓系統、控制系統和載荷監控系統組成。如圖1所示，吊機主體主要包括將軍柱、門架、轉臺、吊臂、主副吊鉤、上下回轉軸承、回轉驅動裝置、動力機械房、控制房等部件。通過絞車卷揚鋼絲繩實現吊鉤起升、吊臂變幅，起升絞車安裝在吊臂下臂節內，變幅絞車安裝在轉臺后部。其各項功能設計應滿足海洋環境下船舷內、船舷外兩種作業工況正常安全作業。

1.2 將軍柱

將軍柱是吊機主體與平臺連接的固定部件，柱體為錐形柱狀結構，由不同厚度鋼板卷制焊接而成。在工作時，柱體主要承受和傳遞吊機在各種工況時承受的載荷以及抵抗吊臂引起的傾覆力矩。因此其材料一般為高強度鋼材，可以有效抵抗傾覆力矩，及減輕整機重量，提高吊機安全系數。柱體底部通過焊接與平臺基座連接，為保證較高的圓柱度公差，焊接前在柱體底部提前制好焊接坡口。

1.3 轉臺、門架

轉臺與門架是吊機的主要旋轉部件，兩部件通過高強度螺栓連接后套裝在將軍柱上。吊臂、動力機械房、操作控制房分別通過銷軸連接到轉臺的前側和兩側耳座上；轉臺后部設有人員通道，尾部回轉半徑應盡可能小，使吊機整體結構緊湊，占用平臺空間小。轉臺底部安裝回轉驅動裝置，采用液壓馬達驅動齒輪嚙合，帶動轉臺及轉臺上部件繞將軍柱作360°旋轉。門架前端安裝吊臂變幅上限位緩沖裝置，避免了變幅角度超過限定位置引起機械碰撞的安全隱患。

圖2 主鉤舷外工況有限元計算位移和應力云圖

1.4 吊臂

吊臂采用桁架式結構，主要采用鋼管等型鋼制成，可分成多段，各段之間通過高強度螺栓連接。通過各種載荷工況，應用ANSYS軟件建立三維模型，施加各種載荷和邊界條件，通過有限元分析（圖2），結果表明在使用和停放時，吊臂頭部崩繩耳板承受較大載荷，設計時應提高該處材料性能等級，同時降低吊臂前端自身重量，滿足整體強度、剛度和穩定性要求并具有一定安全裕度。

1.5 上、下軸承

將軍柱式吊機的上、下軸承既要承擔吊機整體傾覆力矩，承受較大徑向作用載荷，又要傳遞垂直作用力，承受自重產生的軸向端面載荷，同時還應具備較好的旋轉抗磨性能。為滿足以上要求，其材料可使用高強度尼龍，與金屬相比，質量輕且旋轉耐磨性好；外型可設計成多瓣分體式軸套，在旋轉磨損或偏磨后更換量小，具有更好的經濟性。

1.6 控制室

吊機的控制室又稱駕駛室，是整臺吊機控制操作的中樞，一般安裝在吊機回轉機構體的中部或吊臂一側的位置，隨吊機回轉機構體一起在工作時旋轉。在設計時，要綜合考慮整體布局、使用環境、隔音防震、功能設置、安全逃生等因素。內部布局設計符合人機工程學原理，按照各種顯示器、操作器使用的頻率及重要性進行功能區域劃分，保證操作人員工作時的便捷性和有效性；增大觀察視窗面積，具備良好的觀察視野；安裝空調、減振器，使工作環境更為舒適。

1.7 工作原理

吊機使用電動機或柴油機作為主動力，執行元件一般采用液壓驅動。主動力機通過分動箱驅動液壓系統油泵，向變幅、提升、回轉的液壓馬達提供動力，分別驅動主、副絞車、變幅絞車和回轉齒輪副，實現主、副吊鉤的起吊動作，吊臂的變幅和整體回轉等主要動作。液壓系統在設計中應考慮多個執行部件同時工作時合理分配系統功率，既能滿足單個執行部件高速動作又可使多個執行部件實現聯合動作；同時設置保護回路，提高作業的安全性。

2 關鍵技術分析

2.1 承載曲線分析

圖3 主吊鉤舷內、舷外承載曲線

吊機的承載曲線是在不同的海洋工況下，綜合考慮吊機各個環節的應力、位移、極限承載能力后得出的有效工作半徑與額定工作載荷之間的關系曲線，是操作者進行安全吊運作業時的重要依據。依據API 2C等相關標準，綜合分析吊機舷內、舷外各種工況，確定吊機在各種極限承載的情況下的承載能力，得出不同工作半徑對應的綜合承載曲線（圖3）。

2.2 電控系統和負載檢測系統

電控系統由數據采集單元、中心處理單元、邏輯控制單元、顯示監控單元組成，對主動力機、液壓系統、絞車、回轉機構等的運行狀態進行監視和控制。控制系統要具有友好的人機界面，采用高性能邏輯可編程控制器保證整個系統具有極高的可靠性；配置高精度負載監測系統，隨時監測和顯示吊機的載荷和運行數據，并根據預定的載荷曲線進行報警；系統數據庫對設備的相關參數和警報進行記錄，便于用戶進行故障查詢和離線分析。電控系統和負載監測系統的操作控制高度集成在吊機的控制房內，操作人員可通過手柄和按鈕方便準確地操作，實現吊機的各種吊運動作。

2.3 應急系統

吊機的應急系統主要功能是在吊機系統發生故障，失去主動力或電控系統失效時，通過其它方式實現吊運重物下放、人員應急下放，吊臂緊急回轉復位。應急系統一般通過氣控或機械操作實現，吊機的主鉤、副鉤和吊臂的變幅應急下放可利用外部氣源控制氣動泵、應急閥打開絞車制動實現；吊機的回轉應急復位可通過氣源及蓄能器驅動回轉機構實現。

2.4 吊鉤恒張力功能

吊機舷外作業時，恒張力功能可實現吊鉤在恒定負載的作用下同供給船以相同頻率和幅度主動升沉，減緩海浪升沉對吊臂的沖擊載荷，提高舷外吊運作業的安全性。吊機恒張力系統由信號采集器、恒張力控制閥、PLC、顯示器組成，當信號采集器采集到負載離開供給船的時間后，PLC模擬波浪運動，計算分析出脫離恒張力狀態的最優點，操作人員通過觀察顯示器和操作恒張力控制閥進行吊運作業。

2.5 回轉鎖緊保護裝置

吊機在停放狀態、拖航狀態或風暴自存時都需要將回轉裝置鎖止，以保證吊臂不會出現非正常的旋轉，造成安全事故。回轉鎖緊保護裝置能實現機械鎖止和反饋動力鎖止雙重鎖緊保護。當吊機停止工作需要鎖止回轉裝置時，通過將機械鎖銷插入回轉齒輪的兩齒之間，實現機械鎖止，同時鎖銷觸發傳感器，將信號傳遞到控制系統，通過PLC邏輯運算后控制液壓系統切斷執行機構液壓油路，實現第二重鎖止。

2.6 絞車加速度控制功能

吊臂變幅和吊鉤起升通過操作控制手柄調節變副絞車和副絞車液壓控制系統流量實現，當操作控制手柄過快時，可能出現速度變化過快引起的機械碰撞事故。通過電控系統編程，對絞車液壓控制系統流量變化和相應時間的正切值進行限制，實現加速度限制功能。并設定了速度從零至最大的最短時間，防止吊臂或吊鉤快速下降引起機械碰撞或鋼絲繩亂繩現象。

3 試驗

將軍柱式海洋平臺吊機研制后要在專用試驗裝置（臺）上進行試驗，為模擬海洋真實使用工況，試驗裝置（臺）應帶有前傾、側傾角度。吊機試驗分為載荷試驗和聯調功能試驗，載荷試驗包括工作載荷試驗和超載試驗，試驗后檢測部件變形、許用位移等，在設計預期范圍內，則結構部件設計合理；聯調功能試驗包括電控系統、液壓系統、安全功能、報警記錄功能等多項重點試驗內容，試驗后部件運行正常，系統功能效果良好，則整機滿足設計要求。

4 結 語

隨著海洋油氣工業的快速發展，海洋平臺吊機的需求將伴隨著平臺數量的增加呈上升趨勢。當前，國外海洋平臺吊機產品種類多、技術水平高，但我國長期以來受自身工業基礎和海洋裝備整體起步晚等因素的影響，平臺吊機的整體發展速度較慢，設計水平與國外技術相比有很大的差距。故應加快國產化研發制造速度，盡早擺脫國外高端技術壟斷現狀，使中國海洋工程裝備綜合技術達到國際先進水平。以下對海洋平臺吊機的設計和研制提出兩方面建議。

一方面，海洋平臺吊機的研制涉及多種學科，包括動態結構分析、恒張力控制、波浪補償技術、高強度材料焊接與應用、高集成控制系統、產品可靠性控制等多項關鍵技術，可對其中一項或多項關鍵技術進行深入研究，在掌握其先進的研發思路和知識產權上加大力度，以單元技術為突破口，逐漸提升整機性能質量，提高現有海洋平臺吊機的研發水平。

另一方面，隨著未來石油開采作業水深向縱深方向拓展，海洋平臺吊機的發展趨勢將向著惡劣工況安全性、承重載荷大噸位、控制系統智能化等方面不斷前進，因此，研制適用于深海平臺（船）的大噸位吊機及高可靠性、高智能化吊機對未來我國海洋吊機裝備步入國際高端市場具有重要的意義。

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