API SPEC 2C規范在海上平臺起重機設計中的應用

付萬里，黃田忠，劉 剛，謝松蓮

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

海上平臺起重機主要是在海洋平臺上使用的起重機，是一種用于海洋平臺裝卸貨物和吊運人員到平臺上的設備，是海洋石油生產中最重要的生產和安全設備之一，其安全可靠性、可維修性、可抗風性和耐腐蝕性要求很高。海上平臺起重機通常安裝在固定平臺結構或浮動平臺結構上，用于深海油氣的鉆井和開采作業。這些平臺包括固定平臺（Fixed Platform）、張力腿平臺（Tension Leg Platform，TLP）、單柱式平臺（Spar）、半潛式平臺（Semi-sub Platform）、鉆井船（Drill S hip）和浮式生產儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）。目前，國際上廣泛采用的海上平臺起重機設計規范有 2種：1）美國石油協會（American Petroleum Institute，API）制定的API SPEC 2C規范；2）歐洲標準化委員會（Comité Européen de Normalisation，CEN）制定的EN 13852-1規范。除上述2種規范外，還有美國船級社（American Bureau of S hipping，ABS）、挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）、英國勞氏船級社（Lloyd’s Register of Shipping，LR）和中國船級社（China Classification Society，CCS）等船級社制定的規范，然而這些規范屬于起重設備的入級檢驗規范，不完全是設計規范的范疇。API SPEC 2C規范是關于海上基座式起重機設計、制造和試驗的規范，該規范在國際上被廣泛采用，也是目前國內唯一采用的基座式海上起重機設計規范，國內基本所有的海上平臺起重機均按照此規范進行設計和建造。

1 適用范圍

隨著海洋石油工業的發展，API SPEC 2C規范已從1971年的第1版（API SPEC 2C-1971）發展到2012年的第7版（API SPEC 2C-2012）。相較于前一版本，API SPEC 2C-2012規范將船用起重機和重型起重機納入適用范圍之中。船用起重機是在海上環境中執行運輸作業的一種特殊起重機，主要用于艦船間貨物的運輸轉移、 海上補給、水下作業設備的投放與回收等重要任務。重型起重機安裝在駁船、自升式船舶或其他船舶上，常用于港口、遮蔽水域或非常平靜的近海環境下的施工和救助作業。API SPE C 2 C-2012規范將基座式起重機總成類型劃分為A～E 5種類型，其中，A型為直臂式起重機，B型為伸縮臂式起重機，C型為折臂式起重機，D型為桅桿式起重機，E型為將軍柱式起重機。各類型基座式起重機的結構特點見表1。

表1 各類型基座式起重機的結構特點

2 載荷工況和載荷組合

在不同作業條件下，海上平臺起重機受到的載荷組合不同。在設計時，應考慮各種作業工況下的安全作業范圍，以免載荷超過規定值。起重機作業過程中受到多種載荷的作用，主要包括垂直設計極限載荷、供應船傾斜載荷、起重機傾斜側載、起重機運動載荷和環境載荷。垂直設計極限載荷是安全工作載荷與垂直動態系數的乘積，主要表示額定載荷受到的動態作用力；供應船傾斜載荷是指由于供應船運動而產生的作用在起重機吊臂頂端的水平載荷，包括前傾載荷和側傾載荷；起重機運動載荷是指由于平臺/船舶運動而產生的作用在起重機基礎上的載荷；環境載荷是指風、雪和地震等引起的載荷。

海上平臺起重機在設計時應考慮4種作業工況：1）船外起升；2）船上起升；3）不工作（吊臂不收車）；4）不工作（吊臂收車）。不同作業工況下需考慮的載荷組合如表2所示，√表示需考慮某種載荷；×表示不需考慮某種載荷。

表2 不同作業工況下需考慮的載荷組合

3 許用應力

在明確載荷組合和載荷數值后，可通過經典力學計算方法或有限元軟件對不同作業工況下海上平臺起重機結構的應力值進行計算。對于金屬結構，要根據美國鋼結構協會制定的AISC 335 89規范對許用應力進行驗收。此外，當載荷組合中包含地震載荷或極端風載荷時，AISC 335 8 9規范中的許用應力值應增加 1/3。不同受力情況下金屬結構的許用應力見表3。

表3 不同受力情況下金屬結構的許用應力

4 垂直設計極限載荷

作用在起重機臂架頂端的垂直設計極限載荷等于額定載荷與垂直動態系數的乘積。

式中：為垂直設計極限載荷；為安全工作載荷；為垂直動態系數，船外起升和船上起升工況下，的計算公式分別見式（2）和式（3）。

式（2）和式（3）中：為起重機垂直彈性剛度；為重力加速度；為垂直吊臂頂部的加速度；為相對速度，計算公式見式（4）。

式中：為起吊安全工作載荷的最大穩定起升速度；為供應船的速度；為起重機吊臂頂部速度。

起重機垂直彈性剛度用于表示施加規定的載荷后，吊鉤在垂直方向的位移量，計算公式為

式中：為臂架系統剛度系數，計算公式見式（6）；為起升繩剛度系數，計算公式見式（7）。

式（6）和式（7）中：Δ為加載時起重機吊臂頭部的位移量；Δ為加載時起升繩端部的位移量。

5 斷裂韌性

采用具有足夠斷裂韌性的材料對關鍵件進行制作，可最大程度地降低危險發生的概率。對于工作溫度接近設計溫度的部件，宜提高對其沖擊韌性的要求。設計溫度定義為最低平均日溫，該值根據年度氣象資料確定。結構鋼、鑄件和鍛件的斷裂韌性要求見表4，螺栓材料的斷裂韌性要求見表5。

表4 結構鋼、鑄件和鍛件的斷裂韌性要求

表5 螺栓材料的斷裂韌性要求

6 零件設計

6.1 繩索

繩索是起重設備非常重要的零件，繩索的安全關系著貨物/人員是否能夠順利吊放。繩索安全系數的計算公式為

式中：為繩索的安全系數，3≤≤5。

繩索最小破斷強度的計算公式為

式中：為單根鋼絲繩的標稱破斷載荷；為鋼絲繩載荷；為繩段數；為穿繩效率。

6.2 提升絞車

提升絞車主要用于實現貨物和人員在海洋平臺和供應船之間的轉移。提升絞車的工作負載為，工作速度為，提升絞車的負載功率計算公式為

提升絞車的卷筒直徑可通過式（11）計算。

式中：為纜繩直徑；為卷筒直徑系數，=18。

電動機的輸出扭矩計算公式為

式中：為傳動系統的機械總效率；為傳動系統的減速比；為繩段數。

電動機功率的計算公式為

由于液壓馬達不具備電動機的過載能力，且馬達工作壓力又受系統壓力的限制，故液壓馬達的輸出扭矩和輸出功率受到垂直動態系數的影響，計算公式分別見式（14）和式（15）。

式（14）和式（15）中：為液壓馬達輸出扭矩；為液壓馬達需要輸出功率。

7 結論

海上平臺起重機主要是在海洋平臺上使用的起重機，是一種用于海洋平臺裝卸貨物和吊運人員到平臺上的設備，是海洋石油生產中最重要的生產和安全設備之一。本文在對API SPEC 2C規范在載荷組合、設計系數、許用應力和低溫韌性等方面規定進行分析，并對繩索和提升絞車進行了總體設計。研究成果可為設計人員選取海上平臺起重機總體參數提供幫助，為起重機的總體設計提供理論依據。