超深水海洋鉆井平臺中海洋折臂吊的應用

任新溫，王文臣

（中國石油集團海洋工程有限公司鉆井工程事業部,天津 300280）

伴隨著浮式超深水鉆井平臺的逐步發展，傳統的起貨吊機已經無法與鉆井作業需求相適應，此時海洋折臂吊孕育而生，在近幾年其技術水平不斷深化，已經被廣泛運用于超深水作業中。

1 超深水海洋鉆井平臺中海洋折臂吊的概述

縱觀當下各大超深水作業平臺，其采用的大多為雙折臂吊結構的設備，非異常狀況下工作載荷最大可達600t。引入先進的電 液驅動機制，在提升起吊工作載荷的同時還具有高度的靈活性，所需占用的空間小，帶來顯著的作業效率。

超深水作業海洋折臂吊具備如下主要功能：（1）輔助完成水下管線的鋪設，實現起吊作業；（2）在開敞性海域中，通過起吊實現材料以及設備的輸送；（3）輔助推進器的維修；（4）屏蔽海區港口及碼頭起吊作業；（5）作業人員上下平臺人員吊運作業；（6）鉆井過程中隔水套管起吊作業；（7）鉆桿起吊作業。

2 超深水作業海洋折臂吊的組成及作用

基座為設備的支撐結構，回轉裝置提升了設備的運行效率，變幅油缸等液壓裝置增強起吊載荷，起升以及折臂等結構增強了設備運行的靈活性，減少對空間的消耗，此外還配備了防撞控制等系統，為設備的運行創造了安全穩定的環境。在海洋折臂吊運行過程中，其電力需求來源于主船體，具體結構如圖1所示。

單人操作椅是實現人與設備交互的途徑，作業者可以通過操作椅實現對設備的控制。控制室采用模塊化設計，進而提升了吊裝靈活性，在減震器的作用下實現與吊機的連接。控制室通風性能良好，配備了手動門以及側窗等結構，提升了采光量，內部的雨刮器等結構可以起到清潔作用。監測系統可以對液壓絞車的溢流壓力進行測定，并反饋至恒張力系統，將其調節至合理范圍。為了提升設備的安全性，采用了應急停機機制，此外還使用了聲光報警系統，一方面可以在控制室內啟動應急模式，另一方面就地應急按鈕也能實現此功能。海洋折臂吊的運行模式大體可劃分為2種，在轉換開關的作用下，能夠實現正常與應急兩種模式之間的切換。當設備處于正常作業模式時，設備的各類運行動作均可由手柄與按鈕進行操控；若設備處于應急模式，手柄可以實現單獨的動作控制，此模式廣泛運用于傳感器異常等場景。

圖1 海洋折臂吊外形圖

3 超深水作業海洋折臂吊系統介紹

（1）提升卷筒系統。以滾筒為核心，配備鋼絲繩以及滑輪組，這便是提升卷筒的主要構件。恒張力裝置可以穩定泵排量，以此確保驅動功率穩定在合理范圍內；負荷探測閥能夠對壓力進行分析，并以此為基礎對泵排量進行調整。在海上浮態作業環境下，受海浪的影響海面穩定性不足，在主驅動裝置的引領下，配合使用恒張力裝置，可以對鋼絲繩的松緊狀態進行調節。在起吊重物時，若達到合適高度，此時主驅動裝置停止工作，并隨即啟動恒張驅動裝置，鋼絲繩在絞車滾筒的調控下處于拉緊狀態。若波浪運動幅度大，為了增強吊鉤重物的穩定性，作業者可以對設備發出 提升 指令，此時驅動控制器將會分析現場環境并確定合適的起升點。如果絞車滾筒的運動與起升方向保持一致，那么當該過程的向上轉速趨近于 零 狀態時，將會停止恒張力裝置的運行，而后由驅動裝置完成重物提升作業。

（2）操作控制和監測系統。控制與檢測系統是吊機的核心組件，而吊機要想實現高效、穩定的作業，還應輔助使用CCR主控、危險物質檢測系統等。在非異常情況下，吊機內外部均為安全作業區域，而吊臂的端部則屬于危險作業區域。

（3）電氣系統。諸如油泵馬達、電滑環等均是設備電氣系統的重要組成部分。各類燈具在電氣系統中起到了至關重要的作用：障礙燈位于吊臂的最頂部位置；泛光燈位于旋轉機構處，可以實現對甲板的高強度照明；強光燈位于吊臂頭部，可以實現對貨物的跟蹤處理。此外還應在引入CCTV系統，以此提升操作者的監控效率。

（4）主動波浪補償系統。在一些深水作業中，受到潮汐以及浮力等因素的影響，繩索以及重物的穩定性普遍偏弱，此時主動波浪補償系統可以削弱波動性，創造較為穩定的環境。實際經驗表明，如果水深大于200m，船舶姿態將會與水下負載運動形成較大差別，嚴重時還會出現震蕩現象。基于補償裝置的特性，可以控制繩索的張力，緩解沖擊現象。

受海浪的影響，重物表現出明顯的橫、豎向搖動以及垂蕩現象，基于主動波浪補償系統，可以均衡三者的恢復力矩，使其處于正常范圍內。受現場海況的影響，系統對應的環境參數將會隨即發生改變，具體如表1。

表1 主動波浪補償環境參數

（5）隔水套管、鉆桿抓管器連接器系統。液壓膨脹接頭是完成隔水套管起吊作業的核心構件，當該裝置處于收縮狀態時，將會延伸至隔水管內壁，并運用膨脹壓緊的方式增強彼此之間的摩擦程度，最終將隔水管順利吊起。鉆桿起吊作業是基于抓管器實現的，并在液壓鎖緊裝置的作用下提升吊具的鎖緊程度，避免鉆桿出現松動現象。

4 超深水作業海洋折臂吊的布置

以海洋鉆進工程規劃為總體指導，應當充分確保吊機覆蓋面積能夠滿足工程作業需求，首先需要確定好鉆井平臺所需的吊機數量以及最大工作半徑，同時明確當處于不同半徑時設備對應的起吊重量。而后參考相關規范，明確各吊機對應的起升與回轉速度，以此獲悉吊機的實際工作水平。最后，以吊機最大工作半徑為基準，其作業范圍應當覆蓋所有的吊裝區域，不可出現工作死角。作為平臺建設的關鍵環節，折臂吊的布局應當充分考慮設備制造等方面的因素。

海洋折臂吊可以直接放置在露天甲板上，應當充分考慮吊車的作業高度，增強二者的協同性，并開辟相應通道以便人員與設備的流動。其具體布置示意圖如圖2。

5 超深水作業海洋折臂吊的基座及船體底座強度較核

圖2 海洋折臂吊在鉆井平臺上的參考布置圖

事實上，海洋折臂吊安裝位置的作用載荷涉及的內容較多，除了折臂吊的自重外，還應包括彎矩風載荷等。當冰雪載荷與船體彎矩載荷發生作用時，便會引發船體變形現象，此外船舶還將出現橫縱向的傾斜現象。通常，基座自重大多為500t左右，在設計時需要以DNV海工范圍為基準展開校核工作，明確其疲勞強度，具體可參見圖3。

圖3 海洋折臂吊的基座及船體底座強度較核圖

6 發展趨勢

伴隨著海洋鉆進作業的深度進步，超深井作業對設備的綜合性能提出了更高層次的要求。折臂吊是其中的重要作業設備，它可與排管機械手等設備形成聯動效應，將鉆進作業提升至自動化水平。隨著技術的進步，折臂吊的作業范圍正在逐步提升，承載水平也顯著進步，產品已經具有多樣化的特性。

7 結語

綜上所述，超深水海洋鉆井平臺中，海洋折臂吊發揮著相當重要的作用，在使用中需掌握其關鍵技術，選擇合適的安裝位置，充分發揮其應有的價值，更好地為超深水海洋鉆井行業服務，提升其工作效率。