大型結構物吊裝索具計算分析

李 鷺*

（海洋石油工程股份有限公司）

0 引言

海上油氣平臺建設是保證海洋汽油資源開發的基礎。平臺的海上安裝、維修以及退役拆除，都涉及到大型結構物的吊裝過程；吊裝過程關系到海上施工的作業效率、成本，甚至影響到現場作業船組及施工團隊的人身安全。

決定吊裝作業成敗的關鍵是索具，若索具選擇不當，吊裝作業將存在巨大的安全隱患，不僅會帶來經濟損失，也會引發安全事故。因此吊裝索具的相關計算，是前期進行方案設計及施工準備的重要部分。吊裝索具的選擇主要受吊裝資源，結構物的結構形式、質量，以及結構的吊點尺寸等因素的影響。本文以海上平臺組塊吊裝為例，對吊裝索具的計算，尤其是鋼絲繩的長度及破斷力的選擇進行淺析。

1 吊裝分析

吊裝分析是索具計算的基礎，其主要作用是校核吊裝過程中各結構桿件的負載以及吊裝索具的受力情況。在吊裝分析前，應先完成結構物的整體質量計算，即重控報告。

1.1 質量控制報告

以平臺組塊為例，搟控報告其主要目的就是為計算出組塊的整體吊裝質量以及重心。

根據平臺組塊現有結構、設備、設施、管線以及其他附屬設施的吊裝質量，累加計算出組塊整體的吊裝質量。

根據組塊各結構、設備等的重心，計算出結構整體重心。在進行索具計算過程中，一般主要關注重心在水平坐標系x及y方向中的位置。如圖1 所示，以0 為坐標原點，那么重心在x方向與原點的距離為1 340 mm，在y方向與原點的距離為0。

圖1 組塊重心水平坐標系示意圖（單位：mm）

1.2 吊裝分析

根據質量控制報告、圖紙等資料，利用SACS 軟件建立吊裝模型并進行分析，主要對整體質量及重心進行重新校核，并對桿件整體強度、節點強度、吊點強度、鋼絲繩受力等進行分析。

在桿件、節點及吊點強度滿足要求的情況下，通常還要關注結構整體重心以及鋼絲繩受力情況。一般情況下，經吊裝分析校核后，結構物重心位置與質量控制報告所示位置不會有較大誤差。如表1 所示，圖1 組塊經建模校核后，重心位置與吊裝質量與重控報告相比略有誤差。

表1 組塊重量及重心位置比較

為了較為精確地計算出吊裝鋼絲繩的受力情況，在進行吊裝分析前，應先確定索具高度，也就是吊裝狀態下索具（鋼絲繩+卡環）在垂直方向上的投影長度，即鋼絲繩上部頂端到吊點孔中心的垂直高度；同時應注意，上述索具高度需保證在吊裝狀態下索具與水平面的角度不應小于60°。

另外，在進行桿件、節點、吊點強度及鋼絲繩受力校核時，還應考慮極限工況，即結構實際重心偏離理論重心時的情況。

2 吊裝索具計算

以圖1 所示組塊為例，組塊4 個主腿上均有一個吊點，假設吊點形式為Padeye，主浮吊為單勾頭四勾齒。那么該組塊吊裝需要利用四根鋼絲繩，每根鋼絲繩上部與浮吊勾頭的勾齒相連，下部連接卡環，卡環安裝在相應的吊點上。在吊裝過程中浮吊勾頭應在組塊重心正上方，且重心位置應以吊裝分析重新校核的位置為準，索具布置的俯視圖應如圖2 所示。

圖2 索具布置示意圖（單位：mm）

2.1 索具理論長度

索具理論長度可根據下式計算：

H——吊裝狀態下索具高度；一般情況下，若組塊各吊點結構形式及尺寸相同，無論計算哪個方向的索具，索具高度H的值應不變。

其中，A和B可用以下公式計算，以圖4 中L1方向上的索具為例：

2.2 索具實際長度

以圖2 中L1方向上的索具為例，索具實際長度為：

2.3 索具長度誤差

根據索具理論長度及實際長度，計算長度誤差為：

根據規范要求，若T≤±0.25%，那么所選的鋼絲繩長度及所選卡環弓高滿足要求。

2.4 鋼絲繩破斷力及卡環安全工作載荷

根據吊裝分析中得出的鋼絲繩最大靜態載荷，確定鋼絲繩破斷力（MBL）及卡環的安全工作載荷（SWL）。根據規范要求，所選鋼絲繩破斷力應不小于最大靜態載荷的4 倍；卡環的安全工作載荷應不小于鋼絲繩最大靜態載荷。

3 應用實例

以泰國灣JKWB 平臺組塊為例，其索具布置圖即如圖2 所示，索具吊裝高度為25 410 mm，各吊點孔中心與其所在主腿中心的距離為864 mm,那么在L1方向上索具理論計算長度即可根據上述公式計算：

誤差數值小于±0.25%，可見在L1方向上，選擇的鋼絲繩長度及卡環弓高滿足吊裝要求。其余方向上的索具，均按照此方法進行計算校核。

JKWB 組塊四個方向上的索具規格如表2 所示。按照上述計算方法，索具長度誤差如表3 所示。

表2 JKWB組塊索具規格計算

表3 JKWB組塊索具理論長度及長度誤差

由表3 可知，索具長度誤差均小于±0.25%，因此，4 個方向上的鋼絲繩長度及卡環弓高均滿足吊裝要求。

鋼絲繩破斷力及卡環安全工作載荷按照文內2.4章節中的方法進行選擇。

另外卡環的弓高、口寬、銷軸直徑等參數選擇時，亦應充分考慮吊點及所選鋼絲繩等的相關尺寸，確保在實際使用中卡環能順利連接鋼絲繩及吊點。

4 結論

大型結構物常規吊裝索具選擇時，主要應確定以下2 個因素：（1）鋼絲繩長度及破斷力；（2）卡環尺寸及安全工作載荷。通過合理計算，優化索具選擇，不但可以保證海上吊裝作業順利實施，也可節省施工成本。