自行式模塊化運輸車裝船設計與實施

呂 超，楊風艷，單吉華，李 超，張子良，陳洪昌

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

在海洋工程建造場地，千噸級或萬噸級的大型結構物建造完工后，常用的裝船方式主要有2種：①滑道上建造完工的項目使用整體滑移的方式裝船；②重量較小的結構物，使用浮吊或者履帶吊吊裝裝船。近幾年來，在海洋工程建造場地，伴隨著液化天然氣(LNG)核心工藝模塊、溶劑脫瀝青工藝模塊、超長管廊模塊、浮式生產儲油卸油裝置(FPSO)上部模塊等結構物的建造數量和規模越來越大，逐步出現了第3種裝船方式：使用自行模塊化運輸車(SPMT)進行結構物滾動裝船。采用此種裝船方式，結構物能在非滑道區域建造，大大提高了場地利用率，節約了滑道成本，加之SPMT高可靠性和卓越的可擴展性，大有異軍突起之勢。

由于大型結構物裝船作業是陸地建造階段的最后一步，也是最重要、風險最高的一步，在整個裝船設計和實施過程中的每一步都必須確保安全可行。SPMT裝船技術，一直壟斷在國外幾家專業的公司手中。本文在海洋石油工程(青島)有限公司多次自主完成某國外項目SPMT滾動裝船的基礎上，對使用SPMT裝船實施過程中涉及到的關鍵技術點逐個進行分析，期望對后續項目有所借鑒。

1 SPMT簡介

SPMT是一種模塊化生產及組裝的自行式平板車拖車，可以根據裝載貨物的不同需求配置各種結構、尺寸和重量，使用靈活、裝卸方便、載重量大且對地面要求相對較低。SPMT的基礎部件是4軸線車板、6軸線車板和動力模塊。SPMT的牽引力由液壓馬達提供，液壓馬達的動力由置于設備末端的動力模塊提供。圖1和圖2是使用SPMT進行組塊和導管架滾動裝船的照片。SPMT優點主要包括：①主要由3種單元組成，根據結構物重量和形狀決定所需單元的數量和配置形式，可以適應任何形狀和最大5萬t結構物的運輸；②最長的一個單元8.40 m，最寬的一個單元2.43 m，可直接裝載至普通貨車或集裝箱中完成陸地運輸和海洋運輸，轉場方便，不受地域限制;③自帶動力，能夠自行且操控方便;④配備多種轉向模式，可基本實現任意方式的行走;⑤高精度就位糾偏功能，就位精度達到2 mm以內;⑥行駛在路面凸起或凹陷處時，能夠保持車板上表面基本水平，保證被運輸結構物的安全。

圖1 組塊使用SPMT裝船

圖2 導管架使用SPMT裝船

2 SPMT運輸計算

2.1 數據獲取

在開始SPMT裝船作業計算之前，需要獲取以下數據：貨物(包括附加的工裝、支撐等和貨物不分割的部分)的尺寸(長、寬、高)、重量和重心，SPMT尺寸、型號、速度、加速度、轉向半徑和擺放位置(坐標)，運輸路線路面、坡度，允許作業風速，捆扎用索具機具的性能，支撐點的位置和數量等數據。

2.2 SPMT凈軸載計算

由圖3所示，支撐點位置(坐標)：

(1)

式中：(x,y)為支撐點的坐標；(xi,yi)為該支撐點區域每一個懸掛的坐標；n為該支撐點區域懸掛的數量。

圖3 三點支撐情況下各支撐點載荷分解圖

凈軸載FJi計算公式：

(2)

式中：mc為貨物的總質量；g為重力加速度；i為支撐點的編號；Hi為支撐點i到另外兩支撐點連線的垂直距離；hi為貨物重心在支撐區域的投影O到i之外兩支撐點點連線的垂直距離；Ni為支撐點i的軸線數量。

2.3 SPMT動軸載FDi計算公式

(3)

式中：Fwi為風載對支撐點i的不利因素轉化力;Fai為加速和制動對支撐點i的不利因素轉化力;Fsi為地面坡度對支撐點i的不利因素轉化力;Fti為轉向對支撐點i的不利因素轉化力；Ni為支撐點i的軸線數。

2.4 SPMT大梁強度校核

2.4.1 最大彎矩校核

支座點的彎矩方程[1]：

(4)

支座處的剪力計算公式[1]

(5)

(6)

式中：FS左n為支座n左側的剪力；FS右n為支座n右側的剪力；Mp→n為支座n與支座n-1之間中點的彎矩；Mp+1→n為支座n與支座n+1之間中點的彎矩。

2.4.2 最大剪力FSMAX計算

FSMAX=MAX(FS左n，FS右n)。

(7)

2.5 地耐力FG校核

(8)

式中：Foi為SPMT軸重；t為路面硬化處理深度。

2.6 貨物穩定角γi驗算

(9)

式中：H′為重心到支撐面垂直距離。

除上述6個方面的計算外，還需進行驅動力、制動力和貨物捆綁校核，所有校核計算均通過后，SPMT配車所需要的軸線數和動力模塊數量也將隨之確定，得到SPMT配車圖。

3 SPMT通過性設計與實施

3.1 SPMT通過性設計

SPMT裝載結構物通過棧橋時，各液壓分組內的懸掛行程發生變化，需對通過性進行分析，以確保SPMT的行程符合裝船要求。棧橋一端鋪設在碼頭上，一端連接在船側。SPMT通過棧橋時每一個獨立懸掛支撐處，液壓油缸的行程各不相同，從而保證車板上表面基本處在同一個水平面內。因此，模塊裝船時，碼頭、棧橋、船甲板3個點的高差應在SPMT安全行程內，否則將會造成以下嚴重的后果：①棧橋上表面最高點處的液壓缸行程達到最低，可能引發車板斷裂；②碼頭端車板液壓缸行程達到最高，造成車輪離地，其余軸線超載。因此，使用SPMT裝船時，SPMT通過性分析往往是設計者應著重考慮的關鍵因素之一。

3.2 模塊通過性設計

除考慮SPMT通過性，模塊通過性也須考慮。由于模塊上船之前，會在船舶甲板上提前安裝海運支墩，模塊上船后，需將模塊立柱放置在海運支墩上。SPMT通過棧橋后，還必須保證模塊的立柱距離船甲板高于海運支墩，兩者之間最好留有一定距離的間隙，否則，雖然SPMT能夠通過棧橋，但模塊立柱卻和海運支墩發生干涉。此時，如果SPMT還可以整體上升，那么裝船作業能夠繼續。模塊通過性設計除上述2個方面外，還應該綜合考慮外界環境，例如波、流、涌、風、船舶調載能力等因素對船舶甲板和碼頭高差之間的影響，保證裝船作業的安全。

3.3 SPMT通過性實施監測

圖4為在實際裝船作業中，碼頭上放置專用測量標尺，用于監測整個裝船作業過程中船舶甲板和碼頭之間的高差，這個高差須控制在要求的范圍內，如果超過要求的范圍將造成非常嚴重的后果。因此，在裝船作業中，SPMT指揮和碼頭船長通過這個高差的變化，指揮船舶調載和SPMT行車速度等關鍵因素。在實際裝船作業中，方案設計人員和SPMT指揮需對這個高差變化所造成的后果有一定的預判能力和緊急情況出現時的瞬間反應能力。除了監測此高差之外，還需要多名人員配合監測、實時溝通，在整個裝船過程中，需對SPMT各個液壓支撐區域的高度、壓力、輪胎狀況、可能的碰撞等全程進行監測，保證裝船作業的順利進行。

圖4 高差監測

4 行駛路線

SPMT行駛路線，需提前進行規劃，根據現場、現場到碼頭的路線勘查情況、系駁圖、甲板布置圖和海運支墩布置圖，選擇合理的運輸路線，并將與運輸相關的、沖突的物件和運輸需要預留的空間標識在運輸路線上，必要時，在轉彎、登船等節點，標識主要作業人員和監控人員的位置安排。

運輸路線信息至少包含：始發地初始位置、轉彎軌跡、滾裝初始位置和駁船就位位置的SPMT裝載圖，運輸路線凈寬尺寸(如果高空有障礙物，還需凈高尺寸和通過空中障礙物的圖紙)，始發地、滾裝初始位置、方位發生變化位置的方位圖，駁船上SPMT軌跡發生偏移的尺寸和位置，地耐力報告或地基處理意見，以及主要作業人員和監控人員布置圖等。路線勘查時有明顯缺陷的(凹凸、松軟)，需明確說明區域并注明解決辦法。在駁船上SPMT軌跡發生偏移須明確標識。

5 裝船窗口設計與實施

無論是哪種裝船方式，都是將模塊重量往船舶上轉移的過程。當SPMT軸線滾動至船舶上時，模塊的重量也隨著SPMT逐步上船，此時，船舶一方面借助潮水上漲抵消部分模塊重量，另一方面借助船艙往外排水抵消大部分模塊重量。裝船時機取決于駁船的調載能力和潮水，應根據駁船的調載能力和潮水情況設計裝船窗口，以便于參與裝船作業各方在此之前完成各項準備工作。

如果駁船的調載能力和潮水高度滿足全天候滾裝作業，該設計可以忽略，否則，應選擇在漲潮時間段進行滾裝。根據當地潮汐表和實測情況，選擇高潮平潮期前夕作為裝船開始時間，根據貨物的尺寸和調載能力預測裝船作業的時間，建立一個裝船作業窗口。一般情況會設計3～5 d的裝船窗口，如果時間有變化，應及時進行設計變更。裝船窗口為計劃值，也是最佳時機，實際起始時間為漲潮期間駁船通過調載達到預期高度、完成棧橋鋪設、具備滾裝條件的時間。

6 貨物保護和防滑措施

SPMT運輸裝船的貨物多為表面含漆的金屬結構，表面需要保護，同時需要通過增加貨物、SPMT車板、支撐結構之間的摩擦，或增加一定的捆扎措施確保SPMT、SPMT車板和支撐結構的相對位置保持不變。防滑物件的選擇應充分考慮貨物的材質、強度、表面油漆情況。油漆薄的應采用吸油棉，油漆厚的可采用木頭和膠皮，材質軟的貨物選用吸油棉或者膠皮，木頭則要選擇松軟一些的膠合板等，硬質的枕木適用油漆厚度足夠、材質強度較高的貨物。另外硬質的木材除了增加摩擦之外，還可發揮一定的分載作用。

防滑物件：鋪設防滑物件(木頭、膠皮、吸油棉等)可以增加摩擦力，將選用的防滑物件鋪設在SPMT、支撐結構和貨物支撐面之間，標注形狀、尺寸、數量、規格，優先選擇硬質木材(比如油浸枕木)，便于計算尺寸，提高SPMT布置圖的精度。

捆扎機具：通過捆扎機具不但可以增加摩擦力，還可以對貨物增加力的束縛。采用捆扎機具，將貨物和SPMT牢固連接在一起。捆扎機有鏈條、緊繩器、手拉葫蘆、卸扣等通用性產品，有時也有針對特殊貨物特制的機具，靈活使用可以給運輸帶來便利。

貨物捆扎：貨物摩擦力不足以滿足運輸過程中SPMT與貨物保持相對位置不變，或者盡管貨物摩擦力足夠，但是作為一種保護措施，須要設計相應的捆扎措施，供施工作業人員參照執行。應在貨物結構和SPMT的固定捆扎點上，選擇合適的捆扎位置，通過捆扎機具連接。捆扎應充分發揮其對貨物力的束縛作用，采用“八”字形捆扎方式。圖5是一種捆扎方式示例。

圖5 貨物捆扎

7 組織實施機構

裝船作業必須具有完整的組織機構，組織機構內部必須有合理的溝通方式。組織機構中的人員分工至少包含：①裝船領導小組，主要人員包括業主方、裝船經理、海事保險負責人、業主安全監督、船舶代理等；②船方實施小組，主要人員包括船舶主管、船舶調載人員、碼頭船長等；③SPMT實施小組，主要人員包括SPMT指揮、SPMT監測人員、SPMT操作手、方案設計工程師；④裝船作業輔助小組：主要人員包括場地監督、系泊輔助人員、測量人員、裝船固定人員等。

確保裝船作業時所有小組間人員的交流都能夠直接傳達給裝船經理。各個小組之間的交流必須被裝船經理監督。裝船作業時的交流需根據現場情況，通過面對面的交流，或通過雙向無線電系統。小組間的溝通由固定人員完成，且必須統一溝通語言；小組內的溝通需實時無障礙一對一、一對多或多對一溝通，每個小組內使用同種溝通語言即可。使用分配好頻道的高頻無線電進行交流，所有作業人員在各自負責的作業地點，負責各自的工作任務。當開始裝船的指令下達后，所有裝船作業和所涉及到的人員在裝船經理和業主裝船監督的指揮下作業。裝船過程中，SPMT指揮和碼頭船長直接進行溝通，當他們意見不統一時，由裝船經理負責協調處理。

8 結束語

SPMT裝船設計與實施要點主要包括：運輸計算、通過性設計、行駛路線、裝船窗口、貨物保護、組織實施機構等。運輸計算是整個運輸裝船作業的基礎，設計人員務必保證計算結果的準確性和施工指導價值。本文對SPMT裝船設計與實施要點進行了概況性分析，在具體作業中，應根據不同情況進行具體分析，制定應對措施，保證作業安全。