郭學(xué)峰

（中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司技術(shù)中心 大連116600）

海洋折臂吊在超深水海洋鉆井平臺(tái)上的應(yīng)用與研究

郭學(xué)峰

（中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司技術(shù)中心 大連116600）

根據(jù)美國(guó)API Spec 2C標(biāo)準(zhǔn)和DNV近海起重設(shè)備入級(jí)規(guī)范，結(jié)合實(shí)例對(duì)海洋折臂吊的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、系統(tǒng)組成、主要設(shè)備參數(shù)、設(shè)備布置、基座強(qiáng)度校核等有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)闡述，希望能為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行類似布置設(shè)計(jì)提供借鑒，也能給國(guó)內(nèi)吊機(jī)的生產(chǎn)廠家提供一些參考，從而促進(jìn)超深水海洋鉆井平臺(tái)上海洋折臂吊的制造與應(yīng)用，使其更能適應(yīng)國(guó)內(nèi)海洋工程的發(fā)展新形勢(shì)。

海洋折臂吊；設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；系統(tǒng)組成；海洋平臺(tái)上的布置；基座強(qiáng)度

引 言

超深水作業(yè)海洋折臂吊是近幾年逐漸發(fā)展成熟起來(lái)的，其在普通船用起貨吊機(jī)和臂架式海洋鉆井平臺(tái)吊機(jī)不能滿足浮式超深水鉆井平臺(tái)獨(dú)特的鉆井作業(yè)需求條件下產(chǎn)生。目前在超深水（作業(yè)水深大于1 500 m）的浮式海洋鉆井平臺(tái)上被普遍采用，其功能不再僅局限于傳統(tǒng)意義上在甲板和岸邊使用的船用起貨吊機(jī)，以及在淺海開敞水域海洋平臺(tái)上使用的臂架式海洋鉆井平臺(tái)吊機(jī)（滿足CCS《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》近海作業(yè)要求）。

超深水作業(yè)海洋折臂吊通常是雙折臂吊，安全工作載荷為50～600 t，采用電-液驅(qū)動(dòng)方式，變幅系統(tǒng)由兩個(gè)液壓油缸進(jìn)行操作，具有操作靈活、功能全面、大工作半徑、起吊工作載荷大、吊臂存放占用空間少、作業(yè)效率高的特點(diǎn)，其外形圖見下頁(yè)圖1。

超深水作業(yè)海洋折臂吊具備如下主要功能：

（1）水下設(shè)備ROV、水下管線鋪設(shè)等安裝、起吊作業(yè)；

圖1 典型海洋折臂吊外形圖

（2）開敞海域船對(duì)船海上輸送設(shè)備、材料等起吊作業(yè)；

（3）海上浮態(tài)下開敞海域的起吊操作（如：推進(jìn)器的安裝及維修、作業(yè)海域內(nèi)的甲板面設(shè)備起吊作業(yè)）；

（4）屏蔽海區(qū)港口及碼頭起吊作業(yè)；

（5）作業(yè)人員上下平臺(tái)人員吊運(yùn)作業(yè)；

（6）鉆井過(guò)程中隔水套管起吊作業(yè)；

（7）鉆井過(guò)程中鉆桿起吊作業(yè)。

相比之下，船用起貨吊機(jī)僅有上述（2）、（4）的作業(yè)能力，而臂架式海洋鉆井平臺(tái)吊機(jī)無(wú)法滿足上述（1）、（6）、（7）的作業(yè)能力。

據(jù)了解，國(guó)內(nèi)廠家還無(wú)法設(shè)計(jì)和制造超深水作業(yè)海洋折臂吊機(jī)，目前僅歐、美、日等極少數(shù)西方發(fā)達(dá)國(guó)家能夠設(shè)計(jì)和制造該類產(chǎn)品，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)并壟斷了國(guó)際市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)制造的浮式超深水鉆井平臺(tái)上使用的海洋折臂吊主要依賴進(jìn)口，同時(shí)海洋折臂吊的布置、基座加強(qiáng)設(shè)計(jì)也主要由國(guó)外設(shè)計(jì)公司完成。

下面結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)例及美國(guó)API Spec 2C標(biāo)準(zhǔn)和DNV近海起重設(shè)備入級(jí)規(guī)范，分別對(duì)海洋折臂吊的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、系統(tǒng)組成、主要設(shè)備參數(shù)、布置、基座強(qiáng)度等進(jìn)行詳細(xì)地闡述，希望能夠?yàn)閲?guó)內(nèi)進(jìn)行類似布置設(shè)計(jì)及吊機(jī)廠家提供參考，以早日實(shí)現(xiàn)超深水鉆井設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。

1 超深水作業(yè)海洋折臂吊的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

海洋折臂吊的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和檢驗(yàn)除需要滿足美國(guó)API Spec 2C標(biāo)準(zhǔn)［1］外，還要滿足入級(jí)DNV近海起重設(shè)備入級(jí)規(guī)范［2］以及由其引申出來(lái)的規(guī)范或者規(guī)則的要求。海洋折臂吊與船用起貨吊機(jī)功能不同，滿足的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范也不同，見表1。

表1 海洋折臂吊與船用起貨吊機(jī)滿足的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范區(qū)別

海洋折臂吊主要技術(shù)參數(shù)：

（1）最大、最小工作半徑及安全工作載荷；

（2）最小提升速度；

（3）最小旋轉(zhuǎn)速度；

（4）起升高度；

（5）最低設(shè)計(jì)溫度-20℃；

（6）波浪補(bǔ)償參數(shù)；

海洋折臂吊根據(jù)工作使用頻率及載荷大小將其進(jìn)行組群級(jí)別劃分，根據(jù)該劃分的組別等級(jí)作為折臂吊的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，見表2［3］。

表2 海洋平臺(tái)折臂的組群等級(jí)劃分

2 超深水作業(yè)海洋折臂吊的組成

海洋折臂吊由吊機(jī)基座、回轉(zhuǎn)裝置、主/應(yīng)急油泵及HPU、吊臂變幅油缸、起升/折臂吊臂、主/輔提升卷筒、主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)、防碰撞智能區(qū)域控制系統(tǒng)、橋樓中央集控系統(tǒng)、緊急控制釋放系統(tǒng)等組成。海洋折臂吊由主船體動(dòng)力系統(tǒng)提供電力，參見圖2。

圖2 海洋折臂吊外形圖

海洋折臂吊的控制室是吊機(jī)自身的控制中樞，所有控制功能都可以由滿足人機(jī)工程設(shè)計(jì)的單人操作椅完成?？刂剖覟楠?dú)立可吊裝的模塊， 采用減震器將其安裝在吊機(jī)上，控制室配有手動(dòng)門、全景側(cè)窗及地窗， 并帶有雨刮器及高壓水洗系統(tǒng)， 配有獨(dú)立的通風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)。恒張力系統(tǒng)、主動(dòng)波浪補(bǔ)償則可以根據(jù)負(fù)載的大小通過(guò)調(diào)節(jié)液壓絞車上的溢流閥溢流壓力來(lái)設(shè)定。

系統(tǒng)設(shè)備除了將應(yīng)急停機(jī)作為系統(tǒng)保護(hù)的一種措施外，還有如下配置：吊機(jī)配備可隨吊機(jī)移動(dòng)而啟動(dòng)工作的聲光報(bào)警系統(tǒng)，不僅吊機(jī)控制室內(nèi)的應(yīng)急按鈕能控制吊機(jī)，吊機(jī)的就地應(yīng)急按鈕也能夠控制吊機(jī)。上述的應(yīng)急停機(jī)同樣遵循司鉆房的應(yīng)急停機(jī)原則［4］。

防碰撞智能區(qū)域控制系統(tǒng)使用在多個(gè)吊機(jī)同時(shí)作業(yè)的工況下，以防止發(fā)生相互碰撞的安全事故。該功能對(duì)于鉆機(jī)機(jī)械和吊機(jī)在操作過(guò)程中尤為重要。

海洋折臂吊有正常操作和應(yīng)急直接操作兩種工作模式， 兩種模式由轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)。在正常操作模式下， 所有的動(dòng)作由相應(yīng)的手柄和按鈕實(shí)現(xiàn)；在應(yīng)急直接操作模式下，操作者可以通過(guò)手柄單獨(dú)控制某個(gè)動(dòng)作，此種模式適用于傳感器失效、吊具失靈等應(yīng)急工況。

3 超深水作業(yè)海洋折臂吊主要參數(shù)

3.1 提升卷筒系統(tǒng)

提升卷筒主要由滾筒、提升鋼絲繩、吊鉤滑輪組組成，配置有恒張力裝置、負(fù)荷探測(cè)閥、系統(tǒng)壓力截?cái)嚅y，恒張力裝置在限定的工作壓力下控制泵的排量，實(shí)際的驅(qū)動(dòng)功率不會(huì)超過(guò)；負(fù)荷探測(cè)閥可以依照負(fù)載的壓力去調(diào)劑泵的排量。

恒張力裝置主要使用在海上浮態(tài)作業(yè)，海面波浪起伏作用下起吊操作鋼絲繩時(shí)而松懈時(shí)而緊繃，由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置即主驅(qū)動(dòng)裝置和恒張力裝置來(lái)控制，運(yùn)動(dòng)形式通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)來(lái)進(jìn)行切換。當(dāng)重物下降到位及鋼絲繩卸載后，主驅(qū)動(dòng)裝置關(guān)閉，恒張力驅(qū)動(dòng)裝置打開，絞車滾筒拉緊鋼絲繩，馬達(dá)不受運(yùn)轉(zhuǎn)方向限制雙向供油，重物載波峰時(shí)被舉高，滾筒拉緊鋼絲繩；重物載波底時(shí)下降，馬達(dá)作為泵運(yùn)轉(zhuǎn)，重物隨波浪下行。吊鉤上的重物在隨波浪運(yùn)動(dòng)時(shí)，操作人員可以在任何位置發(fā)出“提升”指令，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可以自動(dòng)尋找最佳起升點(diǎn)，即當(dāng)絞車滾筒運(yùn)動(dòng)在起升方向上轉(zhuǎn)速接近“零”時(shí)，恒張力裝置關(guān)閉，驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)滾筒進(jìn)行提升工作。

3.2 操作控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

吊機(jī)的控制和檢測(cè)系統(tǒng)與其他的系統(tǒng)結(jié)合在一起，包括CCR主控制系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、火災(zāi)和可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、負(fù)載指示系統(tǒng)等，通常情況下，吊機(jī)的內(nèi)部、外部為安全區(qū)域，吊臂的端部為一類危險(xiǎn)區(qū)域；根據(jù)該劃分等級(jí)進(jìn)行電氣系統(tǒng)的防護(hù)等級(jí)要求。

3.3 電氣系統(tǒng)

電滑環(huán)、進(jìn)入電纜、油泵馬達(dá)、馬達(dá)啟動(dòng)器以及其他用電設(shè)備構(gòu)成吊機(jī)的電氣系統(tǒng)。吊機(jī)吊臂的最頂端障礙燈為直升機(jī)導(dǎo)航，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)配備用于甲板照明的泛光燈，吊臂頭部安裝貨物跟蹤強(qiáng)光燈，以確保工作安全，吊臂頭部安裝CCTV系統(tǒng)用于駕控室人員監(jiān)控操作。

3.4 主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)

主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)在負(fù)載工作于深水環(huán)境下，水下作業(yè)要考慮水的浮力、水流、潮汐、波浪等對(duì)勾頭、繩索和重物的影響。當(dāng)水深超過(guò)200 m 后，水下的負(fù)載運(yùn)動(dòng)與船舶的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)存在明顯的偏差，負(fù)載運(yùn)動(dòng)會(huì)滯后于船舶的運(yùn)動(dòng)且有可能產(chǎn)生震蕩，此時(shí)就應(yīng)該考慮到鋼絲繩的彈性影響。補(bǔ)償裝置能夠使繩索始終有張力，避免由于繩索發(fā)生松馳而產(chǎn)生沖擊，同時(shí)重物在波浪中要左右搖擺，主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)能產(chǎn)生恢復(fù)力矩，減小搖擺角。重物在海浪中產(chǎn)生六自由度運(yùn)動(dòng)，其中橫搖、縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)操作影響最大，而繩索向上的主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)則主要影響三者的恢復(fù)力（矩）。主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)能夠抵御的環(huán)境作業(yè)參數(shù)需要根據(jù)具體工作海況等級(jí)確定，也可參見表3。

表3 主動(dòng)波浪補(bǔ)償環(huán)境參數(shù)

主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)主要使用在以下三個(gè)關(guān)鍵階段：飛濺區(qū)域附近重物與水面接觸的瞬間；接近海底階段防止重物撞擊海底以及重物落地后鋼絲繩上力的變化；摘除吊鉤階段，為了方便水下設(shè)備摘除吊鉤，需要使吊鉤與重物保持一定的張力。

3.5 隔水套管、鉆桿抓管器連接器系統(tǒng)

隔水套管的起吊采用的是一種液壓膨脹接頭型式的專用吊具，膨脹接頭在收縮狀態(tài)下伸到隔水管的內(nèi)壁，通過(guò)膨脹壓緊隔水管內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦力將隔水管吊起，并且此裝置在液壓動(dòng)力失效后也可以保證吊具鎖緊。鉆桿的起吊采用的是一種抓管的專用吊具，利用抓管器的開合將鉆桿吊起，通過(guò)液壓鎖緊裝置可以保證吊具鎖緊，防止鉆桿松動(dòng)。參見圖3。

圖3 海洋折臂吊鉆桿抓管器與隔水套管抓管器

4 超深水作業(yè)海洋折臂吊的布置

根據(jù)海洋鉆井平臺(tái)的總體布置，吊機(jī)的覆蓋面積要滿足工作需要，從而確定海洋鉆井平臺(tái)上面吊機(jī)的臺(tái)數(shù)、最大工作半徑以及在不同工作半徑處的起吊重量，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范以及船東的要求確定吊機(jī)的起升和回轉(zhuǎn)速度，從而確定吊機(jī)的工作能力。鉆井平臺(tái)上面的吊機(jī)工作半徑必須能夠覆蓋平臺(tái)需要吊裝區(qū)域及井架、鉆井區(qū)域，必須避免出現(xiàn)工作死角。折臂吊作為船舶或平臺(tái)的一項(xiàng)重要裝備，其布置由總體設(shè)計(jì)方通盤考慮，設(shè)備制造方予以配合。

海洋折臂吊布置在露天甲板上，吊臂的高度要充分考慮到吊車的作業(yè)高度需要、設(shè)備進(jìn)出及人員操作方便性，見圖4。

圖4 海洋折臂吊在鉆井船上的參考布置

5 超深水作業(yè)海洋折臂吊設(shè)計(jì)計(jì)算

海洋折臂吊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要按照美國(guó)API Spec 2C標(biāo)準(zhǔn)的要求，根據(jù)吊機(jī)的使用工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、機(jī)械設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方法分為：特定船方法；通用方法；動(dòng)態(tài)方法（僅限于座底平臺(tái)）［1］。

5.1 風(fēng)環(huán)境載荷

風(fēng)載荷是變化的，設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)吊機(jī)不同工況分別選取。本實(shí)例中，經(jīng)過(guò)修正后的最終風(fēng)壓為：

式中：Cs為吊機(jī)構(gòu)件的形狀系數(shù)；U為風(fēng)速，m/s；SWLH為包括吊鉤在內(nèi)的安全工作載荷 kN。

計(jì)算受風(fēng)面積選取受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積，風(fēng)載荷還要根據(jù)風(fēng)方向考慮對(duì)應(yīng)的作用方向。

5.2 冰雪環(huán)境載荷

冰雪載荷在寒冷地區(qū)可能成為海洋平臺(tái)的控制載荷：

式中：D為吊機(jī)各構(gòu)件的外徑；t為冰層的厚度；Pe為冰層的有效壓力。

5.3 吊筒結(jié)構(gòu)計(jì)算

海洋折臂吊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮載荷系數(shù)。海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)狀態(tài)：橫傾5℃、縱傾2℃，其載荷系數(shù)

5.4 機(jī)械部件設(shè)計(jì)

海洋折臂吊機(jī)械零件的設(shè)計(jì)需要考慮吊機(jī)使用壽命周期（參見表4）。

表4 機(jī)械設(shè)計(jì)依據(jù)的吊機(jī)使用周期分類

6 超深水作業(yè)海洋折臂吊的基座及船體底座強(qiáng)度校核

根據(jù)海洋折臂吊安裝位置作用的載荷為：折臂吊及基座自重、折臂吊的支反力及彎矩、風(fēng)載荷、冰雪載荷、上浪載荷、主船體波浪彎矩載荷引發(fā)的船體變形對(duì)基座的載荷、船舶運(yùn)動(dòng)加速度載荷、船舶的橫、縱傾影響等。海洋折臂吊及基座自重通常約500 t。采用FEMAP有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，依據(jù)實(shí)船入級(jí)DNV海工規(guī)范對(duì)其進(jìn)行校核屈服強(qiáng)度、屈曲強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度。模型根據(jù)結(jié)構(gòu)及承受載荷的特點(diǎn)，從力學(xué)上加以抽象化。實(shí)船實(shí)例計(jì)算結(jié)果見圖5。

7 結(jié) 論

本文詳細(xì)闡述了超深水作業(yè)的海洋折臂吊的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、系統(tǒng)組成、主要設(shè)備參數(shù)、布置、基座強(qiáng)度等有關(guān)問(wèn)題，希望能夠?yàn)閲?guó)內(nèi)的相關(guān)設(shè)計(jì)人員與吊機(jī)生產(chǎn)廠家提供一些參考。

［1］ API Specification 2C Offshore Pedestal-Mounted Cranes［Z］.2012：41-104.

［2］ DNV Lifting Appliances［S］.2012：05-98.

［3］ FEM1.001Rule for the Design of Hoisting Appliances［S］.1998：01-202.

［4］ 趙建亭.隔水管垂直存放系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介［J］.船舶，2010（4）：25-27.

Application and investigation of knuckle boom crane on ultra deepwater off shore drilling platform

GUO Xue-Feng
(COSCO Shipyard Technical Center, Dalian 116600, China)

According to American API Spec 2C standards and classification rules of DNV offshore crane equipment, this paper presents design foundation, system component, main equipment parameter, equipment arrangement, pedestal strength and other relevant questions in detail. It is instructive for designers to design similar arrangement, and can provide reference for the domestic crane manufactures. It also prompts the manufacture and the application of knuckle boom crane on the ultra deepwater off shore drilling platform to become more suitable for the recent development of the national off shore engineering.

knuckle boom crane; design foundation; system component; arrangement of offshore platform; pedestal strength

U664.4+3

A

1001-9855（2014）05-0050-06

2013-11-17 ；

2014-01-06

郭學(xué)峰（1971-）, 男 ，高級(jí)工程師，研究方向：海洋工程船結(jié)構(gòu)與舾裝設(shè)計(jì)。