起重船舶作業時升沉補償系統操作分析

徐 鋒

上海振華重工（集團）股份有限公司海工船舶事業部，上海 200125

海上起重船舶在進行安裝拆除作業時，工件需要平穩降落在海床上或從海床上吊起，必須嚴格避免碰撞。但海上天氣多變，遇到洶涌的波浪會引起船體及起重機在多個維度的復雜運動，尤其是豎直方向上的起伏會引起被吊負載的嚴重垂蕩。此時，需要使用帶升沉補償功能的起重機。

1 升沉補償系統概述

升沉補償系統的基本結構有三類：絞車收放型、液壓缸伸縮型、吊臂變幅型。其中，液壓缸伸縮型由于具備系統相對獨立，補償能力大同時系統功率需求較小的優點，成為目前大型升沉補償起重機的首選方案。

振華重工建造的5000噸級起重船在原有常規起重機的基礎上，通過加裝單繩300噸級波浪補償系統及相應的滑輪組、鋼絲繩及吊鉤，實現了升沉補償功能。該系統支持臂架頂部鋼絲繩出口點下300t、水下3000m的補償能力。通過增加滑輪組及鋼絲纏繞數量，該系統還可以實現600t甚至1200t的補償能力，但注意此時可補償的升沉量（位置和速度）為單繩倍率模式下的1/2和1/4，并且工作水深也需相應折減。

2 補償器結構及原理

起重船升沉補償的目的是在將負載降落到海床的過程中保持恒定的垂直位置，減少船體起伏的影響。為了實現升沉補償，必須不斷增加或減少鋼絲繩長度。液壓缸伸縮型升沉補償系統利用油缸補償器來實現鋼絲繩的縮短和加長。補償器結構及液壓系統示意圖如圖1所示。

圖1 補償器結構及液壓系統示意圖

伸縮油缸型補償器本質上是一個液壓油缸和滑輪的組合，可以比作一個單作用油缸（被動補償部分）和較小的雙作用油缸（主動補償部分），補償器分為3個腔室：被動補償腔；主動補償A腔；主動補償B腔。

被動補償腔與蓄能器系統相連，形成氣液彈簧，因此被動補償部分提供一種隨以下因素而變化的力：（1）油缸位置（由于蓄能器中氮氣體積的膨脹和壓縮引起的壓力波動）；（2）油缸速度（由于液壓系統中的壓力損失）；（3）運動方向（由于滑輪、補償器和蓄能器中的摩擦產生力的損失）。當補償器被動部分在船體做正弦上下起伏運動的影響下，鋼絲繩上的負載和補償油缸位置的函數如圖2所示。

圖2 被動補償力與油缸位置關系

在圖2中，回路的下部表示油缸延伸期間（船體下沉）的被動推力，上部表示油缸縮回時（船體上浮）的被動推力，前后兩端的垂直“跳躍”是由這些點的方向變換引起的。

被動補償腔通過調節蓄能器中的氮氣量來平衡3325kN的負載。被動補償部分提供的力在2730～3920kN變動。只有當補償力高于鋼絲繩重量且低于鋼絲重量和（水下）負載的總和，被動補償才能工作，否則需要啟動主動補償部分。僅使用被動補償，如負載降至海床之前，可以減少約70%的負載運動。在負載接近海床時，為使負載更加平穩精確地著陸，需要開啟主動補償，糾正被動補償調整中的偏差。主動補償部分可用來抵消±595kN的偏差（接近負載的18%），使最終總補償力與鋼絲重量和（水下）負載的總和平衡，從而進一步減少負載隨起重機（船體）的運動。

3 升沉補償系統的操作

基于上述原理，通過液壓系統內電磁液壓控制閥的不同啟閉組合，升沉補償系統具有三種不同的工作模式。（1）被動鋼絲繩張緊，即僅使用被動補償部分形成氣液彈簧來減少起重機（船體）隨機起伏的沖擊。（2）主動鋼絲繩張緊，即不使用MRU來控制補償油缸的位置，而是使用電磁液壓控制閥來精確地提供主動推力或拉力來補償被動推力的變化。換言之，即使用圖1中的控制閥A使主動補償腔和被動補償腔合力保持恒定，以提供鋼絲繩恒定的張緊力。（3）主動升沉補償，即基于MRU信號的位置控制模式，液壓系統為主動補償AB腔供油以主動控制補償器的伸縮。

結合三種不同的模式，升沉補償起重機可以適應不同的起重工況下，典型的工況如下。

3.1 海底安裝作業

典型下放操作分如下階段進行：（1）升沉補償系統的準備階段，開展系統檢查，啟動液壓系統使系統適應預期的水下荷載；（2）將起重船甲板上的負載連接到起重吊鉤上并提升負載（在開始升沉補償之前，補償器保持靜止固定狀態）；（3）起重機回轉和變幅到正確的下放位置，下放吊鉤至負載完全淹沒；（4）將補償器被動補償壓力設置調整為起重機測量得到的負荷（如果預估的浸沒狀態下的負荷是正確的，則無須更改設置），在此階段，負載仍隨起重機頂部上下移動；（5）繼續下降負載（降低負載期間，由于下放的鋼絲繩重量增加，補償器被動補償壓力需不斷調整以不斷適應新的要求），在此階段，負載仍隨起重機頂部上下移動；（6）在抵達海床前的特定位置時，需要提前啟動被動補償系統降低荷載的運動，因為當放出一定長度的鋼絲繩時，鋼絲繩的彈簧效應將導致負荷上下振動，此時起重機頂部鋼絲繩出口點下方鋼絲繩的對地速度將和絞車的放繩速度一致，該情況下負載位置補償精度可達5%的油缸行程；（7）將負載下放至海床后，被動補償壓力降低，由于過長的鋼絲繩本身也類似與彈簧，為防止諧振，系統需要切換到主動鋼絲繩張緊模式；（8）隨著補償器壓力進一步降低，鋼絲繩張力也降低，尤其是當鋼絲繩較長時，絞車應繼續松放來彌補鋼絲繩的彈性拉長；（9）系統切換至主動升沉補償模式，以允許負載脫鉤；（10）鋼絲繩被收回（在上升過程中，補償系統可以完全關閉）。

3.2 海底拆除作業

從海床上提升負載時，起重機無法測得負荷，因此需要事先預估負載的重量，精度不得超過±5%，尤其是水深較深時。如果實際負載比預估輕得多，當補償器的壓力增加時負載將被不經意間提起；當負載重于預估，鋼絲繩的彈性拉伸量抵消掉了補償器的行程，負載反而提升不起來。典型的提升程序分如下階段進行：（1）鋼絲繩松放，在吊鉤接近負載時，必須啟動主動升沉補償模式；（2）掛鉤已連接；（3）補償系統將切換到主動鋼絲繩張緊模式；（4）補償器的推力設置緩緩增加，直到剛好低于預估的水下重量；（5）系統切換到主動升沉補償模式，同時絞車以最大的速度提升負載；（6）在負載提升期間，隨著水下鋼絲繩的重量不斷減少，補償器被動壓力需要不斷調整；（7）當負載離開海床足夠高度時，為防止諧振，補償器關閉并保持固定，直至負載離開水面；（8）起重動作完成，將負載放在起重船甲板上。

4 升沉補償系統的操作限制

4.1 負荷變化

負載的狀態不能快速變化，即負荷應緩緩增加或減少。受蓄能器調節單元功率限制，補償器需要一定的時間來調節被動補償部分的壓力來適應大的突變負荷，因此負載從空氣到水下或從水下到空氣中的過渡過程中需要關閉升沉補償系統。

4.2 吊機位置

在升沉補償操作期間，起重機的首選位置應對準船尾，此時，船體橫搖對鋼絲繩位于臂架頂部的出口點高度的影響有限。在其他回轉位置，升沉補償系統還要補償船體周期橫搖引起的升沉，這往往會超出補償的極限。

4.3 起重船運動

為減少負荷的突變，不建議在升沉補償系統運行期間進行起重船回轉變幅操作及船位移動。

5 結束語

隨著國家海上資源的開發從近海逐漸走向遠海，人類所面臨的海洋環境挑戰也更加惡劣。當前我國海洋開發過程中雖然已經廣泛使用帶升沉補償功能的起重機，但基本為國外進口產品，還沒有成熟的國產產品投入使用。文章通過對某升沉補償系統的原理展開研究，分析了沉補償系統的幾種工作模式及實際操作程序，為發展國產升沉補償起重機制造技術提供了一定的參考。未來我國制造的海洋裝備勢必會朝著高技術含量的方向不斷發展，為海洋資源開發提供有力的技術保障。