郭 寧, 張 剛, 邵志坤

(海洋石油工程股份有限公司建造事業(yè)部,青島 266520)

0 引 言

單點系泊系統(tǒng)作為一種成熟的海上油氣生產(chǎn)處理、貯存和轉(zhuǎn)運技術(shù)，已在歐美國家廣泛使用。隨著中國的深海戰(zhàn)略與海洋強(qiáng)國建設(shè)的推進(jìn)與實施，單點系泊系統(tǒng)在中國也逐漸被采用。不同于常規(guī)的模塊或者船體結(jié)構(gòu)，單點系泊系統(tǒng)多為圓筒形的塔體結(jié)構(gòu)，直徑多小于20 m，但內(nèi)嵌有大型軸承及鍛件結(jié)構(gòu)，其特點是截面尺寸較小，噸位較大，因此在建造施工階段，該種大噸位的筒狀結(jié)構(gòu)的運輸作業(yè)成為了一個難題。常用的普通液壓平板車運輸能力一般小于塔體分段重量，無法起運。自行式模塊運輸車(self-propelled modular transporter, SPMT)模塊化運輸車可以通過多軸線、多掛車輛拼裝組合的方式來達(dá)到所需要的運輸能力，但是受限于塔體底部所能頂撐的截面尺寸較小，如果使用太長的拼接車板，則會使車板因受力過于集中而出現(xiàn)較大撓度變形。本文以國內(nèi)某單點系泊結(jié)構(gòu)建造施工階段，下塔體結(jié)構(gòu)使用三掛六軸線SPMT模塊車組成三角形排布的方式成功實施運輸作業(yè)為例，闡述了圓筒形單點塔體結(jié)構(gòu)使用SPMT模塊車的方法及關(guān)鍵技術(shù)點，為海工運輸作業(yè)提供借鑒。

1 被運塔體結(jié)構(gòu)概況

如圖1所示，被運輸?shù)乃w結(jié)構(gòu)為單點系泊系統(tǒng)的下塔體分段，為大口朝下的椎體結(jié)構(gòu)，下口直徑約為17 m，上口直徑約為7 m，高度約為10 m，總重量約為400 t，塔體底部有6個平底面(每個尺寸為1.2 m×1.8 m)為SPMT模塊車可頂運支撐的平面，其余底部區(qū)域有管線法蘭探出，無法作為SPMT模塊車頂運的支撐點。該6個平底面上部結(jié)構(gòu)為海底錨鏈在單點系泊系統(tǒng)上的生根點，為整個塔體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最大的部分。經(jīng)核算，可滿足SPMT模塊車運輸頂撐的強(qiáng)度需求。

(a)

(b)

2 配車設(shè)計

2.1 配車整體規(guī)劃

SPMT模塊車常規(guī)運輸為多掛車平行對齊排列，該方式易于定位設(shè)置坐標(biāo)，易于行走轉(zhuǎn)彎校核，易于分組編點。然而對于該塔體結(jié)構(gòu)，平行對齊布車的方式卻不適用，SPMT模塊車能夠頂撐的位置只有塔體周邊分布的6個平底面，中間區(qū)域為探出的管線法蘭，SPMT模塊車無法直接跨越。因此，根據(jù)這6個平底面的幾何分布，最合理的布車方式就是按照如圖2所示的方式，即三掛六軸線呈等邊三角形排布，每掛車帶一個動力單元(power pack unit, PPU)。使用三角形排布的方式，存在分組編點困難、定位設(shè)置坐標(biāo)煩瑣、行走轉(zhuǎn)彎核算復(fù)雜等問題。此外，單獨使用一個6軸線連接PPU進(jìn)行運輸作業(yè)，還要考慮PPU自重對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的不均影響。

圖2 SPMT模塊車布車示意Fig.2 SPMT Arrangement General View

初步確定布車方式后，要先核算SPMT模塊車的整體運輸能力是否滿足要求，這是開展后續(xù)方案設(shè)計的基礎(chǔ)。如表1所示，經(jīng)核算使用三掛六軸線(共計18軸線)，整體運輸能力利用率為70%，滿足小于80%的要求。而每根軸線的軸載利用率，需要在確定分組編點及車體準(zhǔn)確定位后再進(jìn)一步核算。

表1 SPMT模塊車整體運輸能力利用率[2]

說明： 表中，單個PPU自重7.2 t；每根軸線車體自重4 t；每根軸線運輸能力為40 t。

2.2 SPMT模塊車分組編點

本次運輸使用三掛六軸線車板，成三角形排布，相互之間無法進(jìn)行剛性連接固定，需要依靠塔體壓在車板上產(chǎn)生的靜摩擦力來實現(xiàn)車板之間的相對固定。并且該單點塔體結(jié)構(gòu)的海上在位工作狀態(tài)是靠三組海底錨鏈來實現(xiàn)錨固的，而本次運輸頂撐的三個位置正好是三組止鏈器裝置在塔體上安裝的位置(見圖3)，塔體所設(shè)計的結(jié)構(gòu)更適合三點受力。

綜上所述，三點支撐相對于四點支撐更適于該塔體結(jié)構(gòu)的運輸。

圖3 單點塔體止鏈器安裝位置Fig.3 Chain connectors installation position

采用三點支撐，即18根軸線劃分成3個分組，每個分組6根軸線，同一分組內(nèi)的所有懸掛液壓連通。以本運輸為例，三點支撐有兩個可選方案(見圖4)。

方案一： 每掛車自成一個分組。

方案二： 每掛車的車頭前3根軸線與相鄰車的車尾后3根軸線分編程一組。

(a)

(b)

方案一分析： 單掛六軸線自成一組，內(nèi)部所有懸掛液壓相同，懸掛對車板的合力F0作用在車板的長度中心，如果貨物對車板的合力F3偏離車板的長度中心ΔL，則兩個力大小相等，方向相反，會對車板形成一對力偶M，其大小為

M=F3×ΔL

(1)

F3=F0

(2)

如圖5所示，該力偶會使車體有向偏重一側(cè)傾斜的趨勢，這種車體的傾斜會導(dǎo)致偏重一側(cè)液壓油流向偏輕一側(cè)；由于所有懸掛內(nèi)部液壓連通，每個懸掛的油壓全部相同，使車體傾斜的力偶M無法被平衡或消除，車體會存在傾翻的可能，因此方案一的分組方法并不安全。

圖5 編點分組方案一車板受力分析Fig.5 Force diagram for trailer of suspension mode option 1

方案二分析： 如圖6所示，每掛車在中心位置被分割成兩個分組，貨物對車板的合力F3大體在車板長度中心位置存在一定的偏心，因此車板兩端靠不同的兩組液壓懸掛支撐，每組懸掛支撐的合力F1和F2分別作用于兩端1/4車板長度位置。

圖6 編點分組方案二車板受力分析Fig.6 Force diagram for trailer of suspension mode option 2

編點分組方案二可簡化成如圖7所示的力學(xué)模型，塔體結(jié)構(gòu)對車板的合力F3作用于兩組懸掛支撐力F1和F2之間，每組液壓懸掛會根據(jù)各自分擔(dān)的負(fù)載大小，提供不同的支撐力，以實現(xiàn)車體的平衡。

圖7 編點分組方案二車板受力力學(xué)模型Fig.7 Mechanical model for trailer of suspension mode option 2

根據(jù)受力平衡原理,兩組支撐力F1和F2可通過式(3)得到

(3)

兩組懸掛會對車板兩側(cè)提供支撐以保證車體不會發(fā)生大幅度的傾斜，由于兩個分組之間的液壓不連通，因此不會發(fā)生液壓油流向傾斜一端的情況。通過上式可知，塔體結(jié)構(gòu)對車板的合力F3不能偏心過大，如果偏心過大，會造成兩個分組之間的油壓差過大，需要重新調(diào)整編點分組方式。

綜上分析可知，在現(xiàn)實中很難將貨物對車板的作用合力與車板中心重合，而方案二的編點分組方式對貨物小幅度的偏心誤差不太敏感，因此方案二更加安全可靠。

2.3 SPMT模塊車排布定位

使用單獨的六軸線SPMT模塊車加動力單元運輸作業(yè)時，動力單元的自重會增加其一側(cè)分組的負(fù)載，如果軸載較大甚至接近額定軸載，再加上動力單元自重GPPU的作用，會存在軸載超過額定載荷的可能，因此動力單元的自重不可忽略。根據(jù)2.1節(jié)的計算，本次運輸整體軸載利用率超過70%，考慮到偏心、動荷載等因素，個別軸線的軸載利用率會很高，動力單元的自重的影響不可忽略，需要采用合理的排布定位將動力單元的自重的影響降到最低。

如圖8所示，動力單元安裝在分組1一側(cè)，采用3/3分組。在空載的情況下，分組1懸掛內(nèi)的油壓會高于分組2，因此需要使塔體重量荷載的合力F3作用點稍偏向于分組2(偏移量為ΔL)，以此來抵消動力單元自重帶來的油壓不均衡。即塔體重量荷載F3和動力單元自重荷載GPPU的合力作用點正好位于車板中心，與車板自重Gcb的重心位置重合；并且如果兩個分組內(nèi)油壓相同，則地面對所有懸掛的支撐合力Fs作用點也位于車板中心。根據(jù)力矩平衡原理，可得

圖8 單掛六軸線帶動力頭受力分析Fig.8 Force diagram for trailer of 6-axle with PPU

F3×ΔL=GPPU×(2.32+4.2)

(4)

解得

(5)

以本塔體運輸作為案例，塔體和運輸框架總重量為413 t，重心位置幾乎與塔體形心位置重合，因此每掛車受到塔體重量荷載：

(6)

動力單元自重：

GPPU=7.2 (t)

(7)

將式(6)和式(7)代入式(5)，解得

ΔL=0.341 (m)

(8)

即將塔體重量荷載F3的作用點從車板中心向遠(yuǎn)離車頭方向偏移0.341 m， SPMT模塊車排布定位如圖9所示。

圖9 車板排布定位示意Fig.9 Trailer Layout Details

如圖10所示，本案例中實際的塔體運輸作業(yè)按照上述排布定位，運輸時三個分組懸掛內(nèi)油壓分別為17.1 MPa、 17.3 MPa、 17.2 MPa，每個分組承擔(dān)的塔體重量幾乎相等，且小于懸掛內(nèi)油壓最大允許值25 MPa，考慮到油壓計算負(fù)載利用率為69%，與2.1節(jié)中表1理論計算的整體運輸力能利用率70%的數(shù)值偏差量僅為1%。

(a)

(b)

2.4 行走轉(zhuǎn)彎校核

不同于常規(guī)平行對齊排布的布車方式，本次運輸中三掛車體成等邊三角形排布，在不同方向上最大輪廓尺寸大體相同；并且由于單個車輪轉(zhuǎn)向角度為-100°～+130°(每個車輪可以實現(xiàn)朝任意方向行走)，車體可以在整體朝向角不變的條件下，可以朝任何方向行駛；因此在遇到任何角度的拐彎路口時，車輛和貨物整體無須做任何轉(zhuǎn)向或者旋轉(zhuǎn)，而只須直接平移行走即可。為了調(diào)整塔體最終落地就位的朝向角度，須要繞塔體中心自轉(zhuǎn)一定角度，由于單個車板的旋轉(zhuǎn)圓心可以從車板中心到無窮遠(yuǎn)，因此該種布車可以實現(xiàn)繞塔體的自轉(zhuǎn)。經(jīng)計算，平移行走路徑的清障寬帶為19 m；進(jìn)行繞心旋轉(zhuǎn)時，需要清障的區(qū)域為直徑為27 m的圓(自轉(zhuǎn)直徑為25 m， SPMT不可能實現(xiàn)絕對精準(zhǔn)的繞心旋轉(zhuǎn)，需要增加2 m的裕量)，如圖11所示。

此外，還要校核運輸過程中的靜態(tài)穩(wěn)定角和動態(tài)穩(wěn)定角，核算是否要捆扎。具體校核方法與常規(guī)

(a)

(b)

的平行布車方式相同，因此不再贅述。

3 結(jié) 語

本文針對某已順利實施的單點系泊系統(tǒng)的塔體結(jié)構(gòu)，使用SPMT模塊車運輸實例進(jìn)行分析總結(jié)，得出如下結(jié)論：

(1) 常規(guī)單點系泊系統(tǒng)的塔體結(jié)構(gòu)多為筒體或椎體結(jié)構(gòu)，塔體直徑通常不大(多為20 m左右，本實例中的塔體最大直徑為17 m)，宜采用三掛六軸線成三角形的布車方式進(jìn)行運輸作業(yè)。

(2) 如果采用三掛六軸線排列成三角形的布車方式，宜采用三點支撐的編點分組方式，但是要避免將一個單獨的六軸線車板編點成一個分組，以避免車輛傾斜的風(fēng)險，提高運輸穩(wěn)定性。

(3) 單獨的六軸線車板如果掛載動力單元，則動力單元的自重會加大不同分組內(nèi)的油壓差，可以根據(jù)理論計算結(jié)果，微調(diào)塔體結(jié)構(gòu)對車板作用點的位置來抵消動力單元自重帶來的油壓不均衡。

(4) 三角形布車方式，可以朝任意方向平移行走，也可進(jìn)行整體繞心自轉(zhuǎn)，需要先明確平移行走時的貨與車的最大寬度、繪制行走路徑圖，并據(jù)此提前做好道路清障的準(zhǔn)備。如果要在某區(qū)域進(jìn)行繞心自轉(zhuǎn)，則應(yīng)根據(jù)最大自轉(zhuǎn)直徑，在該區(qū)域提前清障。