一種海洋工程大型結構物非滑道拖拉工藝

趙秀美

海洋石油工程股份有限公司

1 引言

海洋結構物的建造過程一般包括陸地建造、碼頭裝船、海上運輸和安裝調試幾個階段。其中碼頭裝船階段有滑道建造拖拉滑移、非滑道建造SPMT(自行式模塊運輸車)滾裝、整體吊裝等工藝形式[1]。

拖拉滑移裝船工藝一般需要將結構物建造在有滑道的碼頭區域，滑道設施稀缺且昂貴，同時受駁船和SPMT設備資源等因素影響，研究非滑道區域建造拖拉吊裝裝船工藝有重要的應用價值。NAUTILUS采礦船底座的建造裝船工藝首次采用了非滑道建造拖拉后整體吊裝新工藝。

2 裝船分步實施步驟

大型結構物裝船分步實施過程一般分為裝船方案設計、拖拉/滾裝工藝設計、裝船施工等幾個階段[2]。

裝船方案設計需要考慮浮吊、駁船、拖拉設備等資源因素，結合結構物本身的參數特點，在安全的基礎上選擇最經濟的方案。拖拉裝船工藝設計首先進行受力計算，然后進行拖拉系統設備選型及布置方案設計。拖拉裝船施工有兩個步驟，首先由拖拉系統將結構物沿滑道拖拉到碼頭岸壁附近，然后再滑移或吊裝到駁船上[3]。

3 裝船方案設計

3.1 結構物簡介

NAUTILUS采礦船是全世界首艘海上采礦船，需要裝船的對象是該采礦船上部模塊井架底座部分，上部為海洋工程甲板片形式，下部為常規4樁腿導管架形式，整體三維模型見圖1，主要參數見表1。

圖1 NAUTILUS采礦船井架底座模塊

表1 結構物主要參數

3.2 裝船方案設計

該模塊凈重僅370 t，非滑道施工區域受力條件能夠滿足需求，為節省滑道資源，采礦船模塊選擇非滑道建造方案。

非滑道碼頭區域滑移裝船時駁船無法調載，綜合考慮滾裝及浮吊設備資源，采礦船模塊選擇先拖拉后整體吊裝的裝船方案。拖拉系統設備有液壓拉力千斤頂、線性絞車、滾筒絞車等[4]。滾筒絞車簡單實用，可連續拖拉，效率高。若模塊自重小于6 000 t首選滾筒絞車[2]，因此采礦船模塊選擇滾筒絞車。

4 拖拉裝船工藝設計

4.1 拖拉系統設備布置

滾筒絞車拖拉系統一般由鋼纜束、滑輪組、鋼纜錨固結構、絞車或千斤頂等組成[5]。

絞車方式拖拉滑移裝船工藝需要在駁船上與模塊A、B軸對應安裝2個鋼纜錨固結構，用于安裝改變鋼纜束受力方向的滑輪組，鋼絞線通過滑輪組直接牽引模塊②軸2個滑靴從而帶動模塊滑行(見圖2)。受浮吊能力影響，拖拉吊裝裝船工藝需要首先將模塊拖拉至碼頭邊緣，盡量靠近岸壁。非滑道拖拉吊裝裝船工藝無安裝錨固結構的駁船，需要在碼頭岸壁布置兩套抓錨作為錨固物，受空間影響，抓錨需遠離模塊A、B軸布置。同時需要在模塊①軸2個滑靴后端增加1根扁擔梁，鋼絞線牽引扁擔梁兩端，扁擔梁帶動①軸2個滑靴從而帶動模塊滑行。

圖2 NAUTILUS采礦船拖拉系統布置圖

4.2 受力分析計算

此采礦船模塊②軸距碼頭岸壁約52 m，自重約為370 t。輔助結構包含4個10 t滑靴，1根約36 t扁擔梁，重約4 t的滑靴連接管材。拖拉總重量為450 t。

4.2.1 摩擦力計算

結構物拖拉的實質是拖拉設備克服滑靴與滑板的摩擦力使滑靴帶動結構物移動。圖3中WA和WB分別為模塊A軸和B軸作用在滑板上的壓力，W＇為滑靴和扁擔梁作用在滑道上的下壓力。

滑靴軟木與滑板的滑動摩擦系數一般取值為f=0.20。

圖3 摩檫力計算示意圖

通過模塊整體頂升稱重測量WA=201 t；WB=169 t，W′=(40+4+36)/2=40 t。

由摩擦力計算公式得：

總摩擦力：

F=482+418=900 kN

(3)

4.2.2 絞車選型布置及牽引力計算

結合現場實際環境確定鋼絞線距離A、B軸分別為3.4 m和2 m。根據拖拉系統布置方案得出牽引力：F1=F2=450 kN。

考慮現有資源情況，選用2臺25 t絞車和4個80 t的滑輪組進行牽引，每個滑輪組繞3個輪子。

4.3 扁擔梁強度校核

扁擔梁長30 m，材料許用應力：[σ]=31.5×103t/m2。截面尺寸見圖4。經過計算扁擔梁的抗彎截面系數：W=23.75×10-3m3。

圖4 扁擔梁截面結構簡圖

圖5是扁擔梁的簡化受力圖，經過計算A軸處彎矩最大：Mmax=1 530 kN

圖5 扁擔梁受力簡圖

根據彎曲應力計算公式，取安全系數k=0.66,驗算扁擔梁最大應力：

65 MPa<0.66[σ]=207.9 MPa

(4)

此扁擔梁強度滿足要求。

5 非滑道拖拉施工過程注意事項

雖然拖拉過程無傳統的滑道，但要在滑靴拖拉路徑下鋪上厚度大于32 mm鋼制滑板，滑板上涂黃油，建立摩擦面。

雖然無固定滑道建立滑行路線，但模塊仍要按設計軌跡滑行。因此需要在滑板上安裝導向角鋼，裝船過程要時刻監控調整模塊滑移方向。

由于無水泥滑塊，滑板無法焊接固定。為避免滑板偏移或變形失效，除了在滑板上安裝導向角鋼外，還需在滑板尾部增加配重。

為防止抓錨向上翻起，需要在抓錨上放置至少5 t的配重。為避免壓壞碼頭岸壁，需要在抓錨下部墊上鋼板。

6 結語

采用非滑道建造拖拉后吊裝的裝船方式，成功將NAUTILUS采礦船井架底座模塊從施工場地裝到駁船上。該海洋工程大型結構物拖拉裝船施工方案，綜合考慮了技術、經濟、安全和資源因素，簡單高效、經濟適用，可為類似結構的裝船工藝設計提供參考。