劉建峰，王彥多，張勝強(qiáng)

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

在海洋平臺安裝過程中，上部組塊吊裝作業(yè)是海洋工程施工中風(fēng)險(xiǎn)最大的環(huán)節(jié)之一。隨著我國海上油氣開發(fā)和海洋工程的日益發(fā)展，海洋平臺的數(shù)量不斷增加，單個(gè)海洋平臺上部組塊的吊裝重量也在不斷增大，如何保證上部組塊吊裝安全是海洋平臺設(shè)計(jì)中必須面對和解決的技術(shù)難題。

當(dāng)上部組塊吊點(diǎn)所在的頂層甲板上設(shè)備較大較多時(shí)，如果將浮吊吊鉤上的吊繩直接連接到上部組塊吊點(diǎn)上，就會出現(xiàn)吊繩與設(shè)備相互干涉的情況，因此需要使用吊裝框架使吊繩避開設(shè)備，然后進(jìn)行吊裝。在常規(guī)吊裝框架的設(shè)計(jì)中，吊裝框架吊點(diǎn)及上部組塊吊點(diǎn)均采用吊點(diǎn)板（Padeye）的形式，該類型的吊點(diǎn)通常與卡環(huán)和吊繩配套使用，以實(shí)現(xiàn)吊裝框架吊點(diǎn)與上部組塊吊點(diǎn)之間的軟連接，海上作業(yè)時(shí)需要先進(jìn)行安裝卡環(huán)的掛扣作業(yè)，待上部組塊吊裝完成后再進(jìn)行拆卸卡環(huán)的摘扣作業(yè)。對于小型上部組塊的吊裝作業(yè)，其單根吊繩力較小，所采用的卡環(huán)重量也較小，在海上進(jìn)行人工裝卸卡環(huán)作業(yè)并不太困難；但對于大型上部組塊的吊裝作業(yè)，其單根吊繩力很大，所采用卡環(huán)的重量也很大，在海上以人工方式進(jìn)行裝卸卡環(huán)作業(yè)不但施工困難而且風(fēng)險(xiǎn)大，還會大大增加施工船舶的施工天數(shù)。

本文針對常規(guī)吊裝框架應(yīng)用于海洋平臺上部組塊吊裝的局限性，研究出一種新型的一體化吊裝框架，成功解決了因使用常規(guī)吊裝框架需在海上裝卸卡環(huán)而造成的施工困難、風(fēng)險(xiǎn)大等技術(shù)問題，不但省去了對上部組塊吊點(diǎn)板等的預(yù)制和安裝，而且將吊裝框架上的吊點(diǎn)由以往的吊點(diǎn)板（Padeye）形式優(yōu)化成了耳軸（Trunnion）形式，成功取消了卡環(huán)。該技術(shù)不但可以實(shí)現(xiàn)海上快速掛扣和摘扣作業(yè)，便于海上施工，而且可以降低施工風(fēng)險(xiǎn)，減少施工船天，為項(xiàng)目節(jié)省大量成本。

1 常規(guī)吊裝框架的局限性

1.1 常規(guī)吊裝框架的結(jié)構(gòu)形式

常規(guī)吊裝框架的結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示，其主桿件和斜撐等多采用鋼管，結(jié)構(gòu)尺寸大小一般與上部組塊吊點(diǎn)間距的尺寸一致。常規(guī)吊裝框架的吊點(diǎn)通常采用Padeye 的形式，吊裝框架下方吊點(diǎn)與上部組塊吊點(diǎn)之間采用吊繩連接，其上方吊點(diǎn)與浮吊吊鉤之間也采用吊繩連接，這樣基本保證常規(guī)吊裝框架下方吊點(diǎn)與上部組塊吊點(diǎn)之間的吊繩是豎直的，從而可以避免吊繩與大型設(shè)備相互干涉的情況。

圖1 常規(guī)吊裝框架結(jié)構(gòu)示意

1.2 常規(guī)吊裝框架的局限性

常規(guī)吊裝框架的局限性主要表現(xiàn)在4個(gè)方面：

（1）使用常規(guī)吊裝框架時(shí)，其自身吊點(diǎn)和上部組塊吊點(diǎn)均為Padeye 形式，而Padeye 形式吊點(diǎn)需要與卡環(huán)配套使用，因此其吊裝能力受卡環(huán)規(guī)格限制。目前國內(nèi)在海洋工程方面使用的最大卡環(huán)規(guī)格為1 250 t（相應(yīng)吊裝能力12 500 kN），當(dāng)單根最大吊繩力大于此數(shù)值時(shí)，則Padeye 形式吊點(diǎn)就不適用，所以常規(guī)吊裝框架只適用于上部組塊吊裝重量不是很大的情況（一般不超過3 500 kN）。

（2）常規(guī)吊裝框架需要的卡環(huán)和吊繩數(shù)量相對較多，通常情況下每次吊裝作業(yè)至少配12個(gè)卡環(huán)和8 根吊繩，而這些卡環(huán)和吊繩都需要從廠家采購，費(fèi)用相對較高。以某品牌的1 250 t 卡環(huán)為例，每個(gè)卡環(huán)價(jià)格近30 萬元，一個(gè)上部組塊采用常規(guī)吊裝框架進(jìn)行吊裝，共需要12個(gè)卡環(huán)，其費(fèi)用近360 萬元。一根長10 m、直徑276 mm 的吊繩，費(fèi)用近10 萬元，8 根吊繩近80 萬元。因此，這一組吊裝索具的總費(fèi)用近440 萬元。

（3）對于大型上部組塊吊裝，當(dāng)單根吊繩力為10 000 kN 時(shí)，與其配套的單個(gè)卡環(huán)的質(zhì)量將達(dá)到2 t 左右。如此大的卡環(huán)在陸地進(jìn)行人工裝卸都不容易實(shí)施（圖2 為工人安裝卡環(huán)時(shí)的情況），而海上施工環(huán)境復(fù)雜多變，不但耗時(shí)長、風(fēng)險(xiǎn)大，而且會增加施工船舶的船天數(shù)。如海上突遇惡劣天氣，因卡環(huán)的拆卸困難還會造成施工船舶無法及時(shí)解脫撤離。

圖2 工人安裝卡環(huán)

（4）在上部組塊運(yùn)輸期間，需要單獨(dú)考慮常規(guī)吊裝框架和吊索具的擺放與運(yùn)輸。一些項(xiàng)目的常規(guī)吊裝框架及其吊索具的尺寸和質(zhì)量都比較大，無法直接放置在上部組塊的頂層甲板上進(jìn)行運(yùn)輸，需要額外提供運(yùn)輸駁船甲板面積對它們進(jìn)行擺放，這樣就會增加項(xiàng)目的運(yùn)輸成本。

2 上部組塊一體化吊裝框架技術(shù)研究

2.1 一體化吊裝框架的結(jié)構(gòu)形式及創(chuàng)新點(diǎn)

針對上述常規(guī)吊裝框架的局限性，經(jīng)過對常規(guī)吊裝框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新，研究出了一種新型的一體化吊裝框架。該一體化吊裝框架是在保留常規(guī)吊裝框架結(jié)構(gòu)形式和尺寸不變的基礎(chǔ)上，將上部組塊吊點(diǎn)位置的立柱向上延伸出頂層甲板，通過這些延伸出來的立柱將常規(guī)吊裝框架與上部組塊連接在一起，實(shí)現(xiàn)吊裝框架與上部組塊的一體化，其結(jié)構(gòu)示意如圖3 所示。

圖3 一體化吊裝框架結(jié)構(gòu)示意

該一體化吊裝框架有以下幾點(diǎn)技術(shù)創(chuàng)新：

（1）通過延伸上來的立柱替代常規(guī)吊裝框架與上部組塊之間的吊繩，以實(shí)現(xiàn)吊裝框架與上部組塊間的剛性連接，不但可有效解決常規(guī)吊裝框架的運(yùn)輸和存放問題，而且可以減少吊繩、吊點(diǎn)和卡環(huán)等的使用。

（2）針對常規(guī)吊裝框架與上部組塊間因柔性連接而抗偏心穩(wěn)定性差的問題，在該一體化吊裝框架的立柱之間增加了斜撐，從而避免上部組塊因重量偏心而對一體化吊裝框架產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)破壞。

（3）針對Padeye 吊點(diǎn)的局限性和所使用大型卡環(huán)費(fèi)用較高的問題，將一體化吊裝框架的吊耳優(yōu)化成Trunnion 形式，這樣不但可以取消對卡環(huán)的使用，直接在一體化吊裝框架上掛吊繩，而且海上掛扣和摘扣都十分方便快捷。圖4 為某項(xiàng)目Trunnion 形式吊點(diǎn)的實(shí)物照片。

圖4 Trunnion 形式吊點(diǎn)實(shí)物照片

2.2 一體化吊裝框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

一體化吊裝框架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核包括兩部分，一是延伸立柱及吊裝框架本身的強(qiáng)度校核，采用SACS 軟件進(jìn)行整體強(qiáng)度分析；二是吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核，采用ANSYS 軟件進(jìn)行局部強(qiáng)度分析。

一體化吊裝框架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核一般是將其與上部組塊結(jié)構(gòu)放在一起進(jìn)行整體吊裝分析，其強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)采用API 規(guī)范[1]和AISC[2]規(guī)范。根據(jù)API規(guī)范，在開敞暴露海域進(jìn)行的吊裝，設(shè)計(jì)吊點(diǎn)及吊點(diǎn)連接的主要傳力桿件時(shí)，應(yīng)使用最小2.00 倍吊裝重量的動荷載系數(shù)，對于其他所有傳遞吊裝力的桿件，應(yīng)使用最小1.35 倍的動荷載系數(shù)。吊裝框架屬于與吊點(diǎn)連接的主要傳力桿件，因此其強(qiáng)度校核應(yīng)滿足2.00 倍的動荷載系數(shù)的要求。

考慮到實(shí)際吊裝工況與設(shè)計(jì)時(shí)重力控制統(tǒng)計(jì)的重心存在偏差，還應(yīng)在吊裝分析中考慮±0.5 m 的重心偏差；另外，在考慮重心偏差的基礎(chǔ)上，所有吊繩與水平面的夾角α 都要不小于60°[3-4]。

以埕北油田設(shè)備設(shè)施整體升級改造項(xiàng)目新建上部組塊的一體化吊裝框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核為例，圖5為其結(jié)構(gòu)及吊繩示意，表1 為上部組塊整體吊裝分析所得最大吊繩力（包含2.00 倍動荷載系數(shù)）及吊繩角度，數(shù)據(jù)可供吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核使用。

圖5 吊繩編號及角度示意

表1 最大吊繩力及角度的計(jì)算結(jié)果

2.3 吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

對于Trunnion 形式吊點(diǎn)的強(qiáng)度校核，一般采用ANSYS 有限元軟件進(jìn)行局部強(qiáng)度分析，整個(gè)分析過程可分為建模、加載和結(jié)果3個(gè)部分。其中，在建模分析時(shí)計(jì)算單元選取8 節(jié)點(diǎn)6 自由度的Solid 45（高版本ANSYS 計(jì)算可選取Solid 185 單元代替），并在與吊點(diǎn)相連的桿件上取其直徑的3～5 倍長度處施加固支邊界條件。在加載時(shí)，吊點(diǎn)所受的荷載從表1 中提取，采用有限元線性靜力分析模塊進(jìn)行計(jì)算。

在后處理中應(yīng)查看吊點(diǎn)及相關(guān)區(qū)域Mises 應(yīng)力，根據(jù)ABS 規(guī)范[5]，計(jì)算結(jié)果中的最大應(yīng)力應(yīng)小于0.9倍屈服強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力云圖如圖6 所示，強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

圖6 吊點(diǎn)校核的應(yīng)力云圖/MPa

2.4 吊裝完成后處理

上部組塊吊裝完成后，一體化吊裝框架可以根據(jù)實(shí)際工程需要選擇保留或拆除。如果一體化吊裝框架不影響平臺安全通道及設(shè)備正常運(yùn)行和維修，并且滿足平臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及樁基承載力的要求，則在吊裝完成后可以保留；如果一體化吊裝框架影響平臺安全通道或設(shè)備正常運(yùn)行和維修，則需要對其進(jìn)行拆除。一體化吊裝框架的拆除工作比較簡單，由于該框架與上部組塊之間只有立柱連接，當(dāng)上部組塊吊裝完成后，在頂層甲板位置對立柱進(jìn)行切割，然后將框架整體移除即可。

3 上部組塊一體化吊裝框架技術(shù)應(yīng)用

上部組塊一體化吊裝框架技術(shù)已在埕北油田設(shè)備設(shè)施整體升級改造項(xiàng)目得到了成功應(yīng)用，與常規(guī)吊裝框架技術(shù)比較，采用上部組塊一體化吊裝技術(shù)后，共節(jié)省吊繩4 根、卡環(huán)12個(gè)，浮吊船海上掛扣和摘扣作業(yè)減少了2個(gè)船天數(shù)，大大降低了項(xiàng)目成本。根據(jù)現(xiàn)場反饋，上部組塊一體化吊裝框架技術(shù)的應(yīng)用效果良好，創(chuàng)造了藍(lán)鯨號浮吊船海上安裝組塊用時(shí)最短的新紀(jì)錄。

4 結(jié)束語

上部組塊一體化吊裝框架技術(shù)的成功開發(fā)，解決了常規(guī)吊裝框架需要海上進(jìn)行掛扣和摘扣的技術(shù)難題，為今后大型上部組塊吊裝設(shè)計(jì)提供了新思路。該技術(shù)在埕北油田設(shè)備設(shè)施整體升級改造項(xiàng)目中的成功應(yīng)用，可為今后類似項(xiàng)目提供參考。