半潛式起重拆解平臺重吊作業可行性分析

顏長青，布 臣，嚴 柳，陳伶翔

(招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226100)

本文基于2017年工信部高技術船舶科研項目——半潛式起重拆解平臺開發，此專項課題是以招商局重工(江蘇)有限公司為荷蘭某公司設計制造的半潛式起重拆解平臺(以下簡稱平臺)為基礎開展的。平臺主要針對海上老舊平臺拆解作業設計的，兼具進行海上風電等結構物安裝作業功能，以及為海上油田提供居住服務的功能[1]。平臺型長137.75 m，型寬81.00 m，主甲板高42.80 m；采用DP-3動力定位系統；配有2座起重能力達2 200 t的全回轉吊機。圖1為半潛式起重拆解平臺外觀效果圖。

圖1 半潛式起重拆解平臺外觀效果圖

1 平臺極限重吊作業工況

平臺配備的吊機最大安全工作載荷為2 200 t，但是吊機的起重能力與起吊半徑以及作業海況密切相關。圖2為主吊機負載曲線圖。從圖2可知，吊機起吊半徑越大，安全工作載荷越低；吊機作業海況等級越高，吊機的安全工作載荷越低。

圖2 主吊機負載曲線圖

重吊作業除了吊機本身的限制外還受到平臺穩性的限制，根據船級社規范要求，在重吊作業工況下應綜合考慮平臺完整穩性、破艙穩性、以及重物脫鉤后的穩性衡準。最終得出不同起吊工況下的限制要求，見表1。

表1 不同起吊工況下的限制要求

對于單機作業，在吊機將負載吊起之后，還需要利用吊機將負載進行旋轉，根據實際作業情況，轉角在360°方向上均有可能。對于雙機聯吊作業，在2座吊機將負載完全吊起后，不可能實現360°的回轉操作，僅能將被吊貨物移動至平臺甲板面上。在雙機聯合將被吊負載向平臺舷內轉移的過程中，負載及吊機旋轉部分對平臺造成的向右舷的橫傾力矩是在逐漸減少的。這表明只要平臺壓載系統可以保證平臺以正浮狀態從舷外將負載吊起，負載向舷內移動導致平臺整體質心的變化，完全可以通過平臺壓載系統進行平衡。

根據上述作業限定條件以及實際作業特性，對單個吊機作業選擇22.1 m半徑(單個吊機起吊2 200 t的極限半徑)起吊最大負載2 200 t的工況進行分析，同時考慮起吊后帶載旋轉的工況(單個吊機作業主要對艉吊機進行分析)。對雙機聯吊作業，選擇23.1 m半徑(單個吊機起吊2 100 t的極限半徑)起吊最大負載4 200 t的工況進行分析。

2 平臺壓載系統布置

平臺壓載系統由30個壓載艙(包括20個普通壓載艙，6個快速壓載艙，4個立柱壓載艙)以及相關管路系統、遙控閥門等組成[2]。平臺輔浮箱與主浮箱(左右兩舷)壓載環路相互獨立，左右舷各設有4臺壓載泵，所有壓載艙均通過壓載泵對壓艙內進行壓排載[3-4]。此外浮箱內的6個快速壓載艙均設有一根通海管，直徑約1 m，與外板直通，打開閥門后，海水可以在重力作用下直接經由通海管快速進入壓載艙內，實現快速壓載的功能。

4個立柱內各設有1個立柱壓載艙，可通過重力實現快速壓載的功能。除此之外，立柱壓載艙還可以通過壓縮空氣實現快速排載功能。平臺艉部2個立柱內共設有4臺空氣壓縮機，最大輸出壓力0.26 MPa。4臺空壓機共同組成一個環路，可以同時向4個立柱壓載艙或者對指定的立柱壓載艙充填壓縮空氣，對艙內增壓。在立柱壓載艙完成加壓后，打開其排舷外閥門，艙內壓載水可以在空氣壓力及自身重力的雙重作用下經由通海閥門快速排出實現快速排載功能。

3 平臺重吊作業壓載配合

3.1 舷外起吊工況

舷外起吊初始狀態指的是吊臂已經旋轉至被吊物的正上方，吊臂調整至設計仰角，平臺壓載調整到位，隨時可以開始起吊作業。起吊初始工況吃水應略小于重物完全被吊起后的吃水。起吊之前平臺應當向被吊貨物相反方向傾斜，此傾斜角度應在吊機允許的限度之內。例如被吊貨物位于平臺右舷艉部，則平臺初始狀態應當左傾艏傾，這樣有利于起吊作業的平穩開始[5]。舷外起吊結束工況指的是吊機將目標載荷完全提起，同時平臺調整至正浮狀態。考慮到起吊過程的快速性，吊機起吊過程中主要利用4個立柱壓載艙快速壓排載的功能調整平臺的浮態，壓載泵用于微調，確保平臺不會因吊機逐步加載而產生過大的傾斜角度。

在舷外起吊過程中，應當通過壓載系統確保平臺的傾角應隨著吊機載荷的逐漸增加從初始傾角變為正浮狀態，平臺的吃水也應逐漸增加至最終的吃水狀態。整個過程中應當避免平臺傾角及吃水發生快速變化的情況，快速的傾角或吃水變化對于平臺本身結構以及吊機都是不利的。吊機負載較大的情況下尤其需要注意避免上述情況。

除了起吊的首末2個節點狀態，中間壓載水調配過程也需要關注，為便于過程分析，簡化計算流程，可以采取如下的計算方案。

首先依據重吊作業需求，配置出平臺完全吊起目標載荷后的裝載狀態。然后在此基礎上通過調節立柱壓載艙內的壓載量，配置出滿足要求的舷外起吊初始工況。對于吊機起吊的中間過程，可以默認4個立柱壓載艙的壓載水量隨著吊機負載變化呈線性關系。經過對大量起吊工況的分析計算，這樣的簡化方式可以保證平臺的傾角以及平臺吃水可以隨著吊機負載穩步變化，有效避免突變。

吊機舷外卸載工況可以視為吊機舷外起吊工況的逆向過程。舷外起吊的結束狀態即為舷外卸載的初始狀態，舷外起吊的初始狀態即為舷外卸載的結束狀態。對于舷內起吊或者下放作業，即吊機旋轉到平臺甲板面上進行起吊或者下放載荷。由于這2種作業工況下吊機負載對平臺并不會產生傾斜力矩，可以直接作業，無需壓載配合[6]。

3.2 單吊旋轉工況

在吊機帶著負載進行旋轉的過程中，仍舊需要保持平臺的傾角不超過吊機作業所允許的限定范圍，同時也要保證平臺的穩性滿足各類穩性衡準要求。重吊作業吃水在立柱區域，水線面較小，平臺對于各個方向的傾斜力矩都極為敏感。因此為保證平臺的浮態穩定以及人員設備安全，在吊機旋轉作業過程中不宜采用快速壓排載的方式，而因依靠壓載泵進行調整。

針對吊機旋轉作業，指定壓載艙組分別用于橫傾及縱傾的調節，即調節縱傾的液艙僅調節縱傾，調節橫傾的液艙僅調節橫傾。這樣實際平臺作業時，作業邏輯更加清晰，避免發生混亂。

根據壓載平臺壓載艙的布置特點，考慮艏艉端，通過最少的調整量獲得最佳的調整效果，單吊旋轉調節縱傾用壓載艙見圖3。平臺左舷：1#和4#壓載艙；平臺右舷：2#、3#、5#和6#壓載艙。單吊旋轉調節橫傾用壓載艙見圖4，主要考慮對稱性，調節橫傾時不要產生額外的縱傾。平臺左舷：7#和9#壓載艙；平臺右舷：8#和10#壓載艙。

圖3 單吊旋轉調節縱傾用壓載艙

圖4 單吊旋轉調節橫傾用壓載艙

選定吊機在舷外將吊物全部吊起作為初始分析狀態，主要分析吊臂帶著負載從初始位置(0°)逆時針旋轉90°、180°、270°這3個節點狀態。在吊機旋轉過程中，調節橫傾和縱傾的壓載艙相互獨立，故而吊機旋轉到任意位置時，平臺調平方案可以視為吊機旋轉到初始狀態(0°)、90°、180°、270°這4個關鍵節點處壓載狀態的線性組合。即當4個旋轉關鍵節點可以滿足要求，則可以確保整個旋轉中間狀態的平穩過渡。

4 實際工況分析

4.1 分析工具

通過收集吊機供應商提供的吊機各個部分的質量質心數據，平臺空船質量質心數據，平臺各個液艙的艙容、測深、靜水力等原始數據，匯入EXCEL電子表格中。采用EXCEL表格公式化語言對上述數據進行匯總分析，實現以下功能。

1)通過控制吊機仰角及轉角，獲得吊機不同姿態下相對平臺的質心位置。

2)將負載的質量質心與吊機吊鉤的位置綁定，吊機姿態改變，負載質心隨之變化。

3)通過控制液艙裝載率，計算出各個液艙的質量質心以及自由液面修正量等數據。

4)通過匯總計算各個分項包括吊機，負載，液艙等的質量質心，獲得整個平臺的質量質心。

5)通過整個平臺的質量質心參數，利用船舶靜力學原理計算平臺吃水，橫縱傾角等浮態參數。

在EXCEL電子表格中實現上述功能后，依據實際吊機作業特點，可以快捷的調整吊機姿態信息，并實時生成平臺浮態信息，從而輔助生成平臺壓載調配方案。

4.2 起吊工況分析

艉吊機起吊2 200 t工況如表2所示，根據裝載計算得出7#～10#壓載艙裝載率變化情況，平臺從初始起吊狀態左傾0.37°，艏傾0.40°逐漸回到正浮狀態。平臺平均吃水逐漸從21.03 m增加至22.00 m。

表2 艉吊機起吊2 200 t工況

雙機聯吊起吊4 200 t工況如表3所示，根據裝載計算得出7#～10#壓載艙裝載率變化情況。平臺從初始起吊狀態左傾0.4°，縱傾0°逐漸回到正浮狀態。平臺平均吃水逐漸從24.3 m增加至26.4 m。

表3 雙機聯吊起吊4 200 t工況

4.3 單機帶載旋轉工況分析

表4為艉吊機帶載2 200 t旋轉工況,由表4知1#～10#壓載艙裝載率變化情況。在吊機帶載旋轉過程中，通過調節壓載艙的裝載率，即可保證平臺吃水恒定、橫縱傾保持為0。其他中間狀態各壓載艙的裝載率為這4個節點裝載率的線性組合。

表4 艉吊機帶載2 200 t旋轉工況

5 結束語

本文根據平臺的實際艙室布置、吊機能力以及平臺本身對重吊作業的限定性條件，對該平臺重吊作業可行性進行分析。依據壓載系統特性以及吊機不同作業狀態的特點，對吊機作業與壓載系統配合方案進行定性分析，確定吊機在不同作業狀態下壓載系統的配合邏輯。最后通過對吊機作業過程中可能出現的極限工況進行定量分析，通過嚴密的數學計算,驗證了平臺配備的壓載系統可以滿足平臺吊機以下極限作業需求：單臺吊機在22.1 m半徑起吊2 200 t，并帶載旋轉360°；23.1 m半徑雙機聯合起吊4 200 t。確保平臺在各種重吊作業工況下，可以通過自身的壓載系統調配壓載水，保證平臺在重吊作業過程中保持合理的浮態，避免出現過大的傾角[7]。