新型可移動(dòng)式集成舷吊的設(shè)計(jì)

黃海龍，銀世威，姜宇飛，趙 剛，郭永婕，辛 娟，陳佳佳

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

海底油氣管線的輸送工藝與陸地上油氣管線基本相同，但是由于海底油氣管線的鋪設(shè)是在海上進(jìn)行的，施工方法與陸地油氣管線不同。同時(shí)，海底油氣管線還具有輸運(yùn)量大、穩(wěn)定和很少受氣候影響等優(yōu)勢(shì)[1]。不過(guò)，在海底油氣管線不斷延伸的同時(shí)，管線破裂引起的油氣泄漏事故在國(guó)內(nèi)外都呈上升趨勢(shì)。海底油氣管線出現(xiàn)泄漏，勢(shì)必需要對(duì)其進(jìn)行維修處理，通常比較安全可靠的維修方法是對(duì)受損管線進(jìn)行更換。而舷吊在受損海底油氣管線維修中起著重要作用。

1 新型舷吊設(shè)計(jì)思路

海底油氣管線出現(xiàn)泄漏需要維修時(shí)，首先潛水員在海底把海底油氣管線在受損處切斷，然后通過(guò)臨時(shí)安裝在施工支持船上的數(shù)個(gè)舷吊把需修復(fù)的管線端逐步提起，直至到船舶的甲板面上進(jìn)行修復(fù)作業(yè)。在整個(gè)管線修復(fù)過(guò)程中，舷吊起到關(guān)鍵性作用。

1.1 傳統(tǒng)舷吊

傳統(tǒng)的舷吊一般由背纜、背纜吊耳、舷吊底座、舷吊臂、定滑輪和動(dòng)力機(jī)構(gòu)電動(dòng)絞車等部分組成。其主要的工作原理是通過(guò)背纜和背纜吊耳、舷吊臂及底座形成一個(gè)承力結(jié)構(gòu)，電動(dòng)絞車的鋼絲繩穿過(guò)舷吊臂底端和頂端的定滑輪吊起和下放管線。這種舷吊的不足主要有4點(diǎn)。

（1）舷吊的組成部分通常以零件形式保存、運(yùn)輸，每次使用時(shí)需臨時(shí)組裝和焊接，使用完后再拆卸，并在組裝和拆卸過(guò)程中還需要吊機(jī)配合。這種形式不利于使用、運(yùn)輸及存儲(chǔ)，利用率低，還增加了使用成本。

（2）背纜只能提供拉力，舷吊臂與舷吊底座間是可以旋轉(zhuǎn)，這種模式存在安全隱患。當(dāng)船舶遇到比較惡劣的天氣時(shí)，容易造成舷吊臂倒扣到船舶甲板上，對(duì)船舶和設(shè)備造成損壞，同時(shí)對(duì)人員安全造成威脅。

（3）背纜吊耳一般在確定安裝位置后需滿焊在船甲板上，如果想調(diào)整舷吊臂的角度，需要把背纜吊耳重新爆開在新的位置重新滿焊，在調(diào)整舷吊臂角度過(guò)程中還需要吊機(jī)配合，而且可調(diào)整的角度范圍較小。

（4）背纜長(zhǎng)度一般5 m多，掛到背纜吊耳上后水平長(zhǎng)3 m多，再加上絞車距離背纜吊耳2 m多，整個(gè)舷吊的安裝占用船舶甲板面積較大，不利于甲板預(yù)制施工的開展。

圖1 傳統(tǒng)舷吊現(xiàn)場(chǎng)

1.2 新型舷吊

針對(duì)傳統(tǒng)舷吊諸多的技術(shù)不足，設(shè)計(jì)了一款新型舷吊。設(shè)計(jì)思路首先是要解決傳統(tǒng)舷吊的零碎化問(wèn)題，將原來(lái)各個(gè)分散的臨時(shí)拼裝式的零部件固定下來(lái)，形成一個(gè)整體，從而實(shí)現(xiàn)集成化；其后通過(guò)設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)舷吊角度的調(diào)節(jié)，最后動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，從而使整個(gè)舷吊系統(tǒng)形成一個(gè)完整的橇裝設(shè)備（圖2、圖3）。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選型

新型舷吊是由舷吊臂承重系統(tǒng)、液壓伸縮系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)組成。首先對(duì)這3個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算，然后分析各系統(tǒng)的不同功能特點(diǎn)。

2.1 舷吊臂系統(tǒng)

舷吊臂系統(tǒng)是由帶吊耳的吊臂和底座組成（圖4、圖5）。

圖2 新舷吊設(shè)計(jì)思維導(dǎo)圖

圖3 新型舷吊設(shè)計(jì)原理

圖4 舷吊臂模型和帶吊耳模型

圖5 舷吊底座模型

2.1.1 舷吊臂整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算分析

舷吊臂整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析設(shè)計(jì)條件為：舷吊在作業(yè)時(shí)，主體結(jié)構(gòu)所在平面與水平面夾角為60°；假定支撐舷吊作業(yè)的船舶甲板強(qiáng)度足夠，能保證舷吊的正常工作；依據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》，風(fēng)速選取20 m/s；船舶傾斜角度為橫傾5°、縱傾2°；舷吊額定起升重量15 t。計(jì)算結(jié)果如表1和表2所示，其中最大UC值是實(shí)際應(yīng)力值與許用應(yīng)力值之比。

由表1和表2可以看出，節(jié)點(diǎn)沖剪和桿件的最大UC值均＜1，所以舷吊臂主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足相關(guān)規(guī)范[2]和使用要求。

2.1.2 舷吊臂上吊耳的有限元分析

如圖6所示，計(jì)算應(yīng)力值均小于板材及管材的許用應(yīng)力（284 MPa），因此舷吊臂上的吊耳的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1.3 舷吊底座設(shè)計(jì)計(jì)算分析

對(duì)舷吊底座進(jìn)行有限元計(jì)算分析（圖7）。

由上述計(jì)算結(jié)果得知，銷軸產(chǎn)生的最大應(yīng)力為363.1 MPa。這是由于模擬銷軸與吊耳的接觸而產(chǎn)生的應(yīng)力集中，但是面積非常小（小于整體面積的3%），其余絕大部分面積的應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力（284 MPa），因此舷吊支座的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是由液壓伸縮裝置和液壓動(dòng)力站組成；標(biāo)準(zhǔn)的液壓伸縮裝置已有系列產(chǎn)品供應(yīng)，用戶可依據(jù)需求選型[3]。經(jīng)舷吊臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析，得到的伸縮桿最大拉力值：桿件屬性為CS，組合荷載為COM1，桿件號(hào)03-01和04-02和最大拉力值分別為824.52 kN和834 kN。液壓伸縮裝置依據(jù)拉力值進(jìn)行選型。按照液壓廠家提供的選型手冊(cè)，最終選擇液壓伸縮裝置直徑為250 mm，能提供拉力920 kN。

2.3 動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)由絞車和滑輪組組成，絞車的選型原則是體積盡量小、優(yōu)先選用液壓絞車。同時(shí)設(shè)置動(dòng)滑動(dòng)組，放大絞車的牽引力。液壓絞車選型參照選型手冊(cè)，型號(hào)為ISYJ444-150/75-160-24-ZPLB，最大拉力150 kN。

3 關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

該新型可移動(dòng)式集成舷吊關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)了集成的布置、集成的控制，舷吊臂的自動(dòng)調(diào)節(jié)和絞車的提升和下放等功能。盡管這種新型舷吊系統(tǒng)是針對(duì)海底管線維搶修所設(shè)計(jì)的，但是這種設(shè)計(jì)思想和做法可以推廣應(yīng)用于石油平臺(tái)的維修改造、船舶改造等工程中，依據(jù)具體的施工條件和環(huán)境進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意下述關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

首先，這種新型可移動(dòng)式集成舷吊對(duì)集成化程度要求較高，在整體設(shè)計(jì)中要求確保各系統(tǒng)設(shè)備布置必須緊湊合理。其次，要做到可移動(dòng)，即方便整體運(yùn)輸及吊裝，同時(shí)需要注意增強(qiáng)各系統(tǒng)各操作崗位之間的協(xié)同能力，提高集成舷吊的操作安全性和工作效率。最后，設(shè)計(jì)中需要對(duì)整體布置進(jìn)行優(yōu)化，體現(xiàn)人性化的設(shè)計(jì)理念。

表1 節(jié)點(diǎn)沖剪結(jié)果

表2 組合荷載COM1條件下的桿件應(yīng)力校核

圖6 舷吊臂吊耳有限元分析云圖

圖7 底座吊耳和銷軸的Misesr整體應(yīng)力云圖

4 結(jié)語(yǔ)

目前，這種新型可移動(dòng)式集成舷吊已經(jīng)投入使用，從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，各項(xiàng)功能均滿足使用要求，整體吊裝運(yùn)輸安全方便，裝備的使用操作簡(jiǎn)單可靠。近年來(lái)，石油平臺(tái)、海上風(fēng)電風(fēng)場(chǎng)的維保市場(chǎng)廣闊，設(shè)計(jì)的新型舷吊為這些方面的業(yè)務(wù)提供一種方案選擇。