大型結構物滾裝裝船關鍵技術研究

王磊，佘玥霞，宋柏辰，高敏，毛堂瑾

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

SPMT運輸小車中文名稱為自由式結構物運輸車，又稱可移動自由式液壓平板車。主要用途運輸大型結構物、不規則結構物等。其優點是方便操作、功能靈活、裝卸簡單。該SPMT運輸小車可以根據結構物形式及重量進行多個車體組裝或者自行組合，可運輸結構物重量達5 000噸以上。

文章主要介紹大型鋼結構物在用運輸小車滾裝裝船過程中，小車梁載荷的分析、小車梁之間的載荷分配的關鍵技術，使其提高整個過程的科學性、安全性、可靠性，使大型結構物滾裝裝船工藝成為安全可行。

1 裝船過程及載荷分配

1.1 場地及裝船準備

確認零散桿件的固定已經按照規定完成組裝，保證零散桿件在SPMT運輸小車裝船過程中以及海運時沒有構件會散落[1-2]。在運輸大型結構物進車之前要對各個運輸抬梁下表面的水平度進行測量，大型結構物準備裝車之前，對SPMT小車運輸路線、SPMT小車進車本身和大型結構物下方區域進行專門的檢查。檢查內容包括：(1)檢查大型結構物從總裝區至裝船區運輸路線上的障礙物，包括任何可能損壞SPMT小車輪胎的尖銳物體；(2)大型結構物下方進車區域的障礙物；(3) SPMT小車在大型結構物下就位位置和總裝墊墩之間是否存在可能的碰撞；(4)核實大型結構物下方可能存在的障礙物和臨時地基的承載能力；(5)確認大型結構物運輸和裝船時可能存在的問題(比如：腳手架，管線或者突出來的其他障礙物)；(6)如果需要的話，運輸路線上需要鋪設鋼板用以承受SPMT小車的載荷。控制好SPMT小車行駛區域的路面水平度，確保沒有超過要求。

1.2 SPMT小車準備

SPMT小車作業所有必須的準備主要包括：(1)每個SPMT小車車體部分分別進行調試，例如：SPMT小車輪胎胎壓是否符合要求、輪胎轉向、懸掛液壓系統、制動和驅動系統，每部分SPMT小車車體之間連接是否牢固；(2)降低SPMT小車平板水平高度，確保和運輸抬梁下表面存在100 mm左右間隙；(3)對照運輸抬梁上標注的進車位置將SPMT小車行駛至大型結構物下面，最后檢查確保所有列的SPMT小車都在正確位置；(4)用電纜線和液壓管線將每部分SPMT小車連接，確保對大型結構物能夠進行液壓支撐；(5)緩慢將每部分SPMT小車平板定高，同時觀察壓力表數據、檢查接觸點之間的間隙，如果間隙數值超出范圍需要調平；(6)使用鏈條完成封車作業。

1.3 船舶準備

根據方案及船方相關文件完成如下船舶準備工作：(1)確保船舶調載能力及船舶甲板承載能力滿足大型結構物SPMT小車裝船需求；(2)對任何和裝船干涉的船舶上的設備進行標記，并移動至安全位置存儲，待裝船完成后恢復至原位置；(3)安裝船舶甲板面上海運支墩，海運支墩焊接完成后，還需要對海運支墩尺寸進行二次測量并記錄，根據現有情況將海運支墩上表面調平，并將其采用電焊進行固定；(4)根據SPMT小車行進路線圖和海運支墩在船舶上的實際位置，在船舶上標記出SPMT小車預計行進路線、船舶中心線及SPMT小車裝船時行駛范圍，任何影響裝船時SPMT小車行駛的障礙物均需拆除。

1.4 場地運輸

使用SPMT小車將大型結構物從總裝區域運輸至碼頭過程如下：(1)操作液壓懸掛系統，使得SPMT小車平板部分將大型結構物緩慢舉起，直至大型結構物和總裝墊墩為分離狀態；(2)對每一組SPMT小車壓力進行檢查，無誤的話對液壓支撐系統進行再次確認；(3)將載有大型結構物的SPMT小車按照設計好的運輸路線，將大型結構物緩慢運輸至碼頭前沿，同時，全程對SPMT小車運行情況進行監測，特別注意地面下沉情況以及大型結構物運輸時和地面之間的間隙。

1.5 最終裝船作業準備

標準的作業程序如下：(1)檢查SPMT小車，PPU啟動和系統運行測試；(2)檢查SPMT小車從碼頭至滾裝棧橋和船舶的通道，確保棧橋安裝位置正確；(3)檢查SPMT小車與海運支墩可能的碰撞情況，同時檢查其余可發生碰撞的障礙物；(4)檢查系纜狀態以使船舶保持在需要的位置；(5)檢查裝船時的舷梯(如果有)；(6)檢查船舶甲板與碼頭高差、船舶縱傾和橫傾情況，船舶甲板面高度要高于或者跟碼頭高度平齊，不然碼頭會損壞。

1.6 裝船窗口

每次大型結構物裝船前都應分析潮期表，選擇合適的裝船時間。詳細調載過程及裝船窗口參見調載報告。

1.7 滾裝裝船過程

大型鋼結構物的裝船工藝一般有四種方式：起重船吊裝工藝、軌道滑車工藝、滑移裝船工藝、SPMT運輸小車滾裝裝船工藝等，下面具體介紹SPMT運輸小車滾裝裝船工藝：將載有大型結構物的SPMT運輸小車從非滑道建造區域緩慢行走到碼頭。此時，調整駁船甲板面水平高度要與碼頭平齊，再次檢查攬繩與帶攬樁是否系緊。SPMT運輸小車開始準備裝船，將載有大型結構物的SPMT運輸小車緩慢行駛至駁船甲板面上，駁船甲板面與其原來靜止時水平高度相比會下沉，當駁船甲板面水平高度降低到低于與碼頭高度相差70～95 mm時，SPMT運輸小車停止前進，保持靜止。等待潮水上漲浮力將駁船拖高，待駁船甲板面水平高度與碼頭再次平齊時，SPMT運輸小車繼續緩慢前行。重復上述操作過程，直至SPMT運輸小車全部行駛到駁船甲板面。

大多數操作過程中，為了保證SPMT運輸小車滾裝過程的安全及工作效率，通常在滾裝SPMT運輸小車行駛至駁船上的過程中，也可通過調整駁船壓載水倉水位來達到駁船船尾甲板面水平高度與碼頭表面水平高度相同的位置，誤差是50 mm，同時根據潮水的水位變化實現SPMT運輸小車滾裝裝船。

最后，在完成大型結構物采用SPMT運輸小車滾裝裝船，SPMT運輸小車完全行駛至駁船甲板面后，將停在駁船甲板面指定位置處。SPMT運輸小車兩側結構物托架下安置支架，降低SPMT運輸小車的高度，將托架降落至支架上方，使SPMT運輸小車與大型結構物托架分離后，SPMT運輸小車方可從大型結構物托架下方抽離出，具體步驟如下：(1)通過往船舶里面注水或者抽水(取決于潮汐情況)，測量船舶橫傾、縱傾和靜止狀態下，船舶甲板面與海平面的差值是否滿足要求；(2)當船舶橫傾、縱傾和靜止狀態下，船舶甲板面與海平面的差值滿足要求時，承載結構物的SPMT運輸小車緩慢行駛至船舶甲板面位置，船舶數據監測人員和SPMT運輸小車指揮人員需進行全程監視；(3) SPMT運輸小車走或者停的指令由船舶監督發出，SPMT運輸小車指揮按照指令進行SPMT運輸小車操作；(4)裝船過程中，運輸小組成員在大型結構物周圍將可能的障礙物信息反饋給SPMT運輸小車操作手。

1.8 裝船過程控制

在結構物采用SPMT運輸小車裝船過程中，船舶的微移范圍應該控制在可控范圍內，并由業主和海事保障人員確認。下面的裝船參數需在整個裝船過程中監視并記錄：(1) SPMT運輸小車指揮人員和現場船舶指揮人員，要對結構物兩側相對碼頭垂直高度的差值進行監測，并在整個滾裝裝船過程中，需向小車指揮人員和船舶指揮人員連續匯報測量數據，保證船舶甲板面水平高度與碼頭保持平齊，即使出現高度差也要在10～100 mm的范圍內；(2)船舶調載需遵守調載方案；(3)如果因為客觀原因裝船不能在白天完成，夜間完成需要提供充足照明；(4)當SPMT運輸小車所有車輪都行駛至船舶甲板面后，SPMT運輸小車繼續在船舶甲板面上行駛至指定位置，行駛過程中同樣需要船舶調載滿足水平方面平衡。

在SPMT運輸小車裝船過程中，小車始終在非滑道區域行駛，非滑道區域承載力強度相對碼頭和鋼質棧橋，承載力強度偏小，大型鋼結構物重量很相對較大，要求非滑道區域地基承載力強度足夠支撐大型結構物及SPMT運輸小車重量，確保滾裝裝船過程的安全性，因此載荷分析就顯得非常必要。

1.9 載荷分配

在用SPMT運輸小車運送模塊時，首先把小車梁放在模塊的腿部，用液壓千斤頂將模塊支起來并把木塊放在小車梁的下面起到支撐模塊的作用，然后讓運輸小車進入小車梁的下面，在運輸小車擺放好位置后，運輸小車緩慢升起與小車梁接觸，并緩慢對小車梁施加作用力，將模塊撐起來，去掉起支撐作用的木塊，這樣整個模塊的重量完全通過小車梁作用在運輸小車上。由于模塊的重量不是均勻分布的，所以各個小車梁之間承受的重力也是有差別的，為了使各個小車梁充分發揮其性能，防止出現因小車梁受力過大而導致變形過大甚至是失效，需要對各個小車梁之間的載荷進行分配，使每個小車梁的受力情況基本相同，確保每個小車梁在運輸過程中安全可靠。

1.9.1 載荷分配策略

小車梁之間的載荷分配問題屬于靜不定(或稱超靜定)載荷問題。但是運輸小車的承載面在液壓缸的調解下可以實現局部上下移動，從而調節小車梁的受力情況，文章所討論的載荷分配調整都是通過運輸小車承載面的緩慢上下移動實現的。

在對小車梁之間的載荷進行分配時，需要確定一個分配標準，來決定如何根據小車梁的載荷和受力變形情況，及時合理地分配各個小車梁的載荷，從而使每根小車梁都處于最佳狀態，確保整個系統有較高的穩定性和安全性。

計算每根小車梁的安全系數，增加安全系數高的小車梁的載荷，降低安全系數低的小車梁的載荷，使每根小車梁的安全系數近似相等。

比較兩種方案：方案一保證了每根小車梁載荷狀態近似相等，但是由于每根小車梁的承載能力不盡相同，承載能力小的小車梁的載荷余量也小，對一定的載荷變化，由于靜不定問題的存在，如果載荷的變化加到承載能力小的小車梁上，就容易出現超載的情況。方案二雖然不能保證每根小車梁都處于相同的承載狀態，從單根小車梁看，承載能力大的小車梁與承載能力小的小車梁的安全系數差別較大，承載能力越大的小車梁越容易出現超載的情況，承載能力小的小車梁只能發揮很小一部分的承載能力。但是從系統整體來看，第一，承載能力大的小車梁承擔了較多的載荷。第二，對于出現的載荷變化，要么就都能承擔，要么就都不能承擔，如果嚴格控制承載能力大的小車梁的載荷，既保證安全性，又實現整體性能的最優化。第三，每根小車梁有一個明確的載荷調節目標，計算十分簡單，這樣就便于進行調整。方案三從安全系數的角度來考慮載荷分配，與方案一相似，也存在承載能力小的小車梁上較容易出現超載的問題。每根小車梁的載荷也沒有一個明確的調節目標數值，難以調節。

根據上面的分析，文章采用方案二來對每根小車梁的載荷進行調整。以目標載荷為最優目標，可以將載荷分配看成是求解的最優化問題。

1.9.2 小車梁載荷的確定

以某個項目模塊3M131為例說明小車的載荷分配情況。3M131的小車梁有五根，其中四根呈直線狀，且在尺寸、截面形狀方面是完全相同的，另外一根的截面形狀與其他的相同，只是呈折線狀。小車梁的材料是Q345。在進行強度計算時，往往需要引入許用應力，其計算公式如式(1)所示：

式中：ns為安全系數，其值大于1。

此處選用安全系數ns=1.25，則可知許用應力為[σ]=276 MPa。

則經計算可知四根相同形狀小車梁的每根額定承重載荷是1.542×106kg，呈折線狀的小車梁的額定承重載荷是1.275×106kg。

模塊3M131的小車梁有五根，即n=5。根據上述的分析可知，呈直線狀四根小車梁的每根小車梁的設計載荷為1.05×105kg，呈折線狀的小車梁的設計載荷為7.86×104kg。這樣既能充分利用材料的性能，又能保證裝船過程的安全性。

2 小結

通過上面的論述可知，小車梁在大型結構物SPMT小車滾裝裝船運輸過程中起著重要的作用，為了保證其在工作過程中安全可靠，有必要對其進行載荷分析。文章介紹了載荷分配原理以及小車梁之間載荷分配方案的選擇，從而使小車梁的受力更加合理，使大型結構物采用SPMT運輸小車滾裝裝船工藝安全可行。

3 結語

作為工程項目施工過程中的一項重大作業過程，大型結構物采用SPMT小車滾裝裝船技術的 先 進 性、安全性直接影響著裝船效率和費用支出，隨著科技不斷進步，施工單位的生產方式和建造方式也在不斷進步，裝船的工藝方法也在逐漸多樣化，以適應更大噸位的大型結構物和不同形式的大型結構物裝船運輸的需要。小車滾裝裝船方式作為安全并且經濟高效的裝船運輸方式，目前已被各大企業在工程施工領域廣泛使用。