趙秀美

海洋石油工程股份有限公司

1 引言

海洋結(jié)構(gòu)物的建造過程一般包括陸地建造、碼頭裝船、海上運(yùn)輸和安裝調(diào)試幾個階段。其中碼頭裝船階段有滑道建造拖拉滑移、非滑道建造SPMT(自行式模塊運(yùn)輸車)滾裝、整體吊裝等工藝形式[1]。

拖拉滑移裝船工藝一般需要將結(jié)構(gòu)物建造在有滑道的碼頭區(qū)域，滑道設(shè)施稀缺且昂貴，同時受駁船和SPMT設(shè)備資源等因素影響，研究非滑道區(qū)域建造拖拉吊裝裝船工藝有重要的應(yīng)用價值。NAUTILUS采礦船底座的建造裝船工藝首次采用了非滑道建造拖拉后整體吊裝新工藝。

2 裝船分步實(shí)施步驟

大型結(jié)構(gòu)物裝船分步實(shí)施過程一般分為裝船方案設(shè)計、拖拉/滾裝工藝設(shè)計、裝船施工等幾個階段[2]。

裝船方案設(shè)計需要考慮浮吊、駁船、拖拉設(shè)備等資源因素，結(jié)合結(jié)構(gòu)物本身的參數(shù)特點(diǎn)，在安全的基礎(chǔ)上選擇最經(jīng)濟(jì)的方案。拖拉裝船工藝設(shè)計首先進(jìn)行受力計算，然后進(jìn)行拖拉系統(tǒng)設(shè)備選型及布置方案設(shè)計。拖拉裝船施工有兩個步驟，首先由拖拉系統(tǒng)將結(jié)構(gòu)物沿滑道拖拉到碼頭岸壁附近，然后再滑移或吊裝到駁船上[3]。

3 裝船方案設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)物簡介

NAUTILUS采礦船是全世界首艘海上采礦船，需要裝船的對象是該采礦船上部模塊井架底座部分，上部為海洋工程甲板片形式，下部為常規(guī)4樁腿導(dǎo)管架形式，整體三維模型見圖1，主要參數(shù)見表1。

圖1 NAUTILUS采礦船井架底座模塊

表1 結(jié)構(gòu)物主要參數(shù)

3.2 裝船方案設(shè)計

該模塊凈重僅370 t，非滑道施工區(qū)域受力條件能夠滿足需求，為節(jié)省滑道資源，采礦船模塊選擇非滑道建造方案。

非滑道碼頭區(qū)域滑移裝船時駁船無法調(diào)載，綜合考慮滾裝及浮吊設(shè)備資源，采礦船模塊選擇先拖拉后整體吊裝的裝船方案。拖拉系統(tǒng)設(shè)備有液壓拉力千斤頂、線性絞車、滾筒絞車等[4]。滾筒絞車簡單實(shí)用，可連續(xù)拖拉，效率高。若模塊自重小于6 000 t首選滾筒絞車[2]，因此采礦船模塊選擇滾筒絞車。

4 拖拉裝船工藝設(shè)計

4.1 拖拉系統(tǒng)設(shè)備布置

滾筒絞車拖拉系統(tǒng)一般由鋼纜束、滑輪組、鋼纜錨固結(jié)構(gòu)、絞車或千斤頂?shù)冉M成[5]。

絞車方式拖拉滑移裝船工藝需要在駁船上與模塊A、B軸對應(yīng)安裝2個鋼纜錨固結(jié)構(gòu)，用于安裝改變鋼纜束受力方向的滑輪組，鋼絞線通過滑輪組直接牽引模塊②軸2個滑靴從而帶動模塊滑行(見圖2)。受浮吊能力影響，拖拉吊裝裝船工藝需要首先將模塊拖拉至碼頭邊緣，盡量靠近岸壁。非滑道拖拉吊裝裝船工藝無安裝錨固結(jié)構(gòu)的駁船，需要在碼頭岸壁布置兩套抓錨作為錨固物，受空間影響，抓錨需遠(yuǎn)離模塊A、B軸布置。同時需要在模塊①軸2個滑靴后端增加1根扁擔(dān)梁，鋼絞線牽引扁擔(dān)梁兩端，扁擔(dān)梁帶動①軸2個滑靴從而帶動模塊滑行。

圖2 NAUTILUS采礦船拖拉系統(tǒng)布置圖

4.2 受力分析計算

此采礦船模塊②軸距碼頭岸壁約52 m，自重約為370 t。輔助結(jié)構(gòu)包含4個10 t滑靴，1根約36 t扁擔(dān)梁，重約4 t的滑靴連接管材。拖拉總重量為450 t。

4.2.1 摩擦力計算

結(jié)構(gòu)物拖拉的實(shí)質(zhì)是拖拉設(shè)備克服滑靴與滑板的摩擦力使滑靴帶動結(jié)構(gòu)物移動。圖3中WA和WB分別為模塊A軸和B軸作用在滑板上的壓力，W＇為滑靴和扁擔(dān)梁作用在滑道上的下壓力。

滑靴軟木與滑板的滑動摩擦系數(shù)一般取值為f=0.20。

圖3 摩檫力計算示意圖

通過模塊整體頂升稱重測量WA=201 t；WB=169 t，W′=(40+4+36)/2=40 t。

由摩擦力計算公式得：

總摩擦力：

F=482+418=900 kN

(3)

4.2.2 絞車選型布置及牽引力計算

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境確定鋼絞線距離A、B軸分別為3.4 m和2 m。根據(jù)拖拉系統(tǒng)布置方案得出牽引力：F1=F2=450 kN。

考慮現(xiàn)有資源情況，選用2臺25 t絞車和4個80 t的滑輪組進(jìn)行牽引，每個滑輪組繞3個輪子。

4.3 扁擔(dān)梁強(qiáng)度校核

扁擔(dān)梁長30 m，材料許用應(yīng)力：[σ]=31.5×103t/m2。截面尺寸見圖4。經(jīng)過計算扁擔(dān)梁的抗彎截面系數(shù)：W=23.75×10-3m3。

圖4 扁擔(dān)梁截面結(jié)構(gòu)簡圖

圖5是扁擔(dān)梁的簡化受力圖，經(jīng)過計算A軸處彎矩最大：Mmax=1 530 kN

圖5 扁擔(dān)梁受力簡圖

根據(jù)彎曲應(yīng)力計算公式，取安全系數(shù)k=0.66,驗(yàn)算扁擔(dān)梁最大應(yīng)力：

65 MPa<0.66[σ]=207.9 MPa

(4)

此扁擔(dān)梁強(qiáng)度滿足要求。

5 非滑道拖拉施工過程注意事項(xiàng)

雖然拖拉過程無傳統(tǒng)的滑道，但要在滑靴拖拉路徑下鋪上厚度大于32 mm鋼制滑板，滑板上涂黃油，建立摩擦面。

雖然無固定滑道建立滑行路線，但模塊仍要按設(shè)計軌跡滑行。因此需要在滑板上安裝導(dǎo)向角鋼，裝船過程要時刻監(jiān)控調(diào)整模塊滑移方向。

由于無水泥滑塊，滑板無法焊接固定。為避免滑板偏移或變形失效，除了在滑板上安裝導(dǎo)向角鋼外，還需在滑板尾部增加配重。

為防止抓錨向上翻起，需要在抓錨上放置至少5 t的配重。為避免壓壞碼頭岸壁，需要在抓錨下部墊上鋼板。

6 結(jié)語

采用非滑道建造拖拉后吊裝的裝船方式，成功將NAUTILUS采礦船井架底座模塊從施工場地裝到駁船上。該海洋工程大型結(jié)構(gòu)物拖拉裝船施工方案，綜合考慮了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全和資源因素，簡單高效、經(jīng)濟(jì)適用，可為類似結(jié)構(gòu)的裝船工藝設(shè)計提供參考。