海洋結構物組塊吊裝和模擬系統功能需求研究

趙乃東 魏佳廣

(海洋石油工程股份有限公司安裝公司，天津 300461)

1 概述

海洋結構物通常包括下部導管架和組塊，以及后續吊裝的鉆機模塊、生活樓等模塊。這里要討論的僅是組塊的吊裝。在吊裝組塊工作開始之前，各部分工作的狀態如下：下部導管架及附屬鋼樁已經安裝完成；鋼樁頂或者導管架頂部的水平度已經處理，達到吊裝條件；吊裝索具已經被安裝到組塊上；組塊已經被裝載在運輸駁船上，并在拖輪的拖帶下，到達施工現場附近；主作業船到達施工現場，裝備必要的機具、設備、材料和人員。組塊吊裝是指利用主作業船吊機、吊裝索具從駁船上起吊組塊，通過旋轉扒桿、變幅、起/放鉤，以及絞錨移船等操作，把組塊安放到導管架/鋼樁上的工作。組塊吊裝，對于海洋石油平臺安裝非常重要，在整個工作中占有重要的一環。因為海上的氣象、海況條件之惡劣，非陸地可比，所以組塊吊裝工作的風險性也特別高。整個組塊吊裝流程比較復雜，需要各個單位密切配合，需要所有參加人員都對自己的工作和責任熟悉精通。可以建立一套仿真模擬系統，盡可能地在辦公室環境中，模擬出真實的現場施工場景。這樣，可以對未來的組塊吊裝工作進行練習、演習，以驗證安裝設計方案的可行性。同時，也可以對新來員工，對技術和操作人員進行培訓，使其盡快了解組塊吊裝這項工作。本文以某項目約3 000 t的組塊為例，選用5 000 t級別以上主作業船，描述組塊的吊裝流程，分析各個單位、系統間的相互關系，提出模擬系統功能需求，為以后的仿真試驗室做準備。

2 組塊吊裝工作流程

主作業船拋錨就位：按照設計圖紙，主作業船在海上就位，與導管架平臺有一定安全距離，其方向角要考慮風、浪、流的影響。作業船海上施工時通常拋8根工作錨、長度約為1 600 m，拋錨長度滿足船舶就位錨泊要求。

組塊運輸駁船靠駁就位:主作業船通過絞錨，使其距離導管架平臺有一定距離，約400 m～500 m，組塊運輸駁船通過2條拖輪吊拖配合，使其緩慢由主作業船船頭側駛入，運輸駁船舷側靠主作業船頭，完成兩船間的帶纜。

組塊掛扣:通過變幅，旋轉主作業船扒桿，使浮吊鉤頭與組塊重心基本保持一致，掛扣過程中應該注意根據配扣圖紙將每根索具掛在相應的鉤齒上，并拴系控制纜。

固定切除:在切除固定筋板時，一定要保證筋板完全切除，以保證結構物與建造時的滑靴或者墊墩完全分離。

組塊起吊:主作業船開始起吊，在起吊過程中，主作業船主鉤的起吊力一定要慢慢上升，一般先上升到100 t，進行索具的受力情況核查，如果索具受力均勻，一切正常，然后再慢慢地加力，每加力50 t，進行觀察，一邊觀察，一邊加力，直到組塊脫離駁船。

組塊運輸駁船離駁:組塊吊起一定高度后，檢查駁船結構與組塊間的安全距離，需滿足駁船撤離條件。主作業船施工總監下達運輸駁船離開指令，解開主作業船和運輸駁船之間的纜繩，兩條拖輪協助運輸駁船安全撤離至指定區域。

組塊海上吊裝:1)主作業船通過絞錨移船方式，緩慢向導管架方向靠近，并保持監控主作業船、上部組塊、導管架的狀態；2)主作業船絞錨使其船頭距離導管架30 m后，停止絞錨移船；3)通過變幅或者旋轉扒桿等操作，結合收放錨纜操作，使組塊位置位于導管架上方，此時通過主作業船頭小吊機操作，送組塊指揮人員至導管架(也可以事先預留人員在導管架上)；4)浮吊主鉤開始緩慢下放，導管架上指揮人員通過觀察組塊底部插尖和導管架腿的相對位置情況，使主作業船的浮吊通過變幅起落、旋轉角度等操作，將上部模塊的插尖與導管架腿頂部對齊；5)繼續下放主鉤，使上部模塊順利、安全與導管架設計位置對接。

模塊焊接固定:組塊就位后，進行組塊的焊接固定作業。當模塊焊接固定1/3后，主作業船可以考慮進行索具拆除工作。從主作業船拋錨就位開始，整個工作過程中，監測系統一直對風、浪、流等環境條件、船舶位置、導管架位置和主作業船的運動姿態進行監測。

3 名詞定義

模擬系統：整套軟件系統。系統：模擬系統包括系泊系統、監測系統、操作系統和作業系統，這些都是分支工作系統。平臺：系統在電腦上顯示的屏幕窗口。分為核心平臺和分支平臺。核心平臺就是模擬系統的指揮系統，圍繞這數據庫，對整個吊裝監控。輸入框：平臺上的數據的輸入框，這與我們日常使用的各種窗口式軟件完全一樣，界面友好。通過鍵盤輸入，通過輸出按鈕(或者回車鍵)發出，由操作人員控制更新。數據輸出時，有文字提示。輸入框也可以設置成由軟件自動控制輸入/輸出，比如動態觀測風、浪等參數。接收框：平臺上的數據接收框，顯示最新接收到的數據，這些數據來自于其他平臺發送過來的，數據即時更新，為了減輕服務器負擔，也可以設置時間間隔。功能按鈕：此按鈕具有某一特定功能，進行某一操作，比如吊機起鉤按鈕，可以對吊機的鉤頭進行提升操作。又如吊機旋轉按鈕，可以分為向左旋轉按鈕和向右旋轉按鈕，通過點擊向左或者向右按鈕，達到吊機向左或者向右旋轉。如果功能按鈕被設置在操控臺上，也可能是搖桿或者方向盤等進行操作。

4 模擬系統功能需求

4.1 數據庫

建立數據庫，數據庫包含與組塊吊裝工作相關的所有基礎信息和數據。這些數據主要包括：風、流、浪、潮汐等環境條件。現實中，環境條件是變化的，在模擬系統中，需要認為的設計環境參數，才能最大程度的與之符合。還有，需要建立各類船舶、導管架、組塊、吊裝索具及各個系統相關設備和機具等的基礎數據模型。

4.2 環境參數

確定組塊吊裝的基本環境參數，主要包括：風、流、浪和潮汐。

4.3 系泊系統

以動畫顯示，拖輪協助起重船拋錨，后通過多次收緊和放松錨纜，調整起重船船位至設計位置，錨纜張力適時發送到系泊系統指揮平臺及數據庫。并且，錨機1～8平臺從系泊系統指揮平臺得到指令，通過收緊和放松錨纜，達到移動船舶的作業效果。

4.4 監測系統

環境監測平臺，適時監測風、波、浪、流和潮汐；位置監測平臺，適時監測主作業船、拖輪、駁船、導管架和組塊等的位置；浮吊姿態平臺，適時監測浮吊的橫搖、縱傾、升沉以及吃水、壓載等情況。監測平臺并把數據傳送到監控系統平臺及數據庫。監測平臺對整個吊裝作業提供數據支持。

4.5 操作系統

吊機操作平臺，從操作系統指揮平臺得到指令，進行起鉤、下放、變幅和旋轉操作，以完成對組塊從駁船至導管架的荷載轉移。拖纜操作平臺，從操作系統指揮平臺得到指令，進行收緊和放松操作，以控制和稍微調整組塊的方向。

4.6 作業系統

作業系統平臺，實際上是吊裝工作的附屬作業。掛扣/解扣平臺通過作業系統平臺與吊機操作平臺聯系，得到吊機操作平臺的配合，完成掛扣/解扣工作，以動畫顯示。帶纜作業平臺，指的是主作業船于駁船間的帶纜，以動畫顯示。

4.7 通信系統

通信系統就是工作人員間聯系溝通的方式。實際作業中表現為：施工人員通過對講機對話，發送指令或者交換信息。在模擬系統中，很難真實模擬出來。如果把核心平臺和分支平臺設置在同一個區域或者房間，數據輸入、輸出和對話廣播，可以簡化為直接的語言溝通，會有身臨其境的真實感。

4.8 指揮系統

在組塊吊裝作業中，所謂的指揮系統并不存在的，而是以總負責人出現的，通常是施工總監。施工總監一個人縱覽全局，指揮吊裝工作。當然，象征系泊系統的值班駕駛員/錨機操作員，象征監測系統的專業技術工程師，象征操作系統的吊機操作手，象征作業系統的甲板工作水手是確實存在的，他們都在本職的崗位上，輔助施工總監完成工作。在模擬系統中，為模擬現實及簡化相互關系，施工總監的指揮工作被分解，設置成四個系統。又針對指揮系統的四個系統，設置四個平臺，即系泊系統指揮平臺、監測系統指揮平臺、操作系統指揮平臺和作業系統指揮平臺，由四名人員分別負責。這四個指揮平臺負責對四個系統的終端指揮和發出指令。

5 結語

只要梳理了組塊吊裝工作的流程，對工作進行分解，通過搞清各個分支工作間的相互關系和邏輯順序，是可以以建立試驗室的方式，達到模擬的效果。