牟啟同,劉傳彬,許海東
(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津 300452)
海工起重機(jī)主要是在海洋平臺(tái)上使用的起重機(jī),是一種海洋平臺(tái)裝卸貨物和吊運(yùn)人員到平臺(tái)上的設(shè)備,是海洋石油生產(chǎn)中最重要的生產(chǎn)和安全設(shè)備之一。海工起重機(jī)受作業(yè)環(huán)境影響較大,工作模式較多,又因結(jié)構(gòu)類型、驅(qū)動(dòng)方式和制造廠商的不同而品種繁多。不同功能的平臺(tái)需求的海工起重機(jī)的型式和能力也不同。為了更好地適應(yīng)海上比較惡劣的工作環(huán)境,更好地滿足海洋平臺(tái)作業(yè)需求,選擇合適的海工起重機(jī)非常關(guān)鍵。
目前海工起重機(jī)從動(dòng)力方面分為電動(dòng)和液壓2種,根據(jù)需求不同有多種結(jié)構(gòu)類型。設(shè)計(jì)者在選擇起重機(jī)時(shí)候應(yīng)根據(jù)平臺(tái)類型、工作環(huán)境、平臺(tái)總布置圖、設(shè)備資料、起重機(jī)作業(yè)工況、作業(yè)區(qū)域等初步確定起重機(jī)的型式及主要參數(shù),如起重機(jī)的驅(qū)動(dòng)型式、回轉(zhuǎn)角度、起重能力、工作半徑及起吊高度等。結(jié)合平臺(tái)實(shí)際情況,對(duì)初步選型參數(shù)做出適當(dāng)調(diào)整及參數(shù)驗(yàn)證,合理布置位置并輔以相應(yīng)的平臺(tái)強(qiáng)度校核等計(jì)算。再根據(jù)起重機(jī)主流廠商的產(chǎn)品資料及設(shè)計(jì)能力、生產(chǎn)能力、生產(chǎn)周期、價(jià)格等來(lái)最終確定起重機(jī)型號(hào)及具體參數(shù)等信息,為平臺(tái)選擇最合適的海工起重機(jī),確保起重機(jī)的合理利用及可靠性。
本文通過(guò)確定起重機(jī)重點(diǎn)參數(shù),來(lái)確定起重機(jī)的能力及合適的型號(hào)。對(duì)其他類型的海洋平臺(tái)及船舶的起重機(jī)選型具有一定的參考價(jià)值,從而更加準(zhǔn)確地選擇合適的海工起重機(jī),來(lái)滿足海上各種功能的作業(yè)需求。
海工起重機(jī)主要包括起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)等。起升機(jī)構(gòu)一般為絞車形式,起升絞車一般為液壓?jiǎn)尉硗矄纬隼K式,多層纏繞。變幅機(jī)構(gòu)使貨物沿一條直線遠(yuǎn)離或接近起重機(jī),常用的驅(qū)動(dòng)型式有繩索驅(qū)動(dòng)、齒條驅(qū)動(dòng)、螺桿驅(qū)動(dòng)和液壓缸驅(qū)動(dòng)?;剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的回轉(zhuǎn)支承一般采用三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承,回轉(zhuǎn)減速機(jī)帶液壓制動(dòng)器,具有偏心調(diào)整嚙合側(cè)隙功能,2套旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)整機(jī)做正反360°全回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。金屬機(jī)構(gòu)中臂架一般采用鋼管桁架結(jié)構(gòu),由高強(qiáng)度鋼管焊接而成,臂架根部結(jié)構(gòu)通過(guò)滑動(dòng)軸承和銷軸與轉(zhuǎn)臺(tái)聯(lián)結(jié)。
海工起重機(jī)必須滿足API-2C《海洋平臺(tái)吊機(jī)規(guī)范》及各大船級(jí)社規(guī)范。海工起重機(jī)一般可以進(jìn)行起升、變幅、回轉(zhuǎn)三聯(lián)動(dòng),但在聯(lián)動(dòng)時(shí)各動(dòng)作的速度會(huì)有一定降低。
按驅(qū)動(dòng)方式,海工起重機(jī)可分為2類,分別為:柴油機(jī)-液壓驅(qū)動(dòng)起重機(jī)、電動(dòng)-液壓驅(qū)動(dòng)起重機(jī)。
柴油機(jī)-液壓驅(qū)動(dòng)起重機(jī)由柴油機(jī)、液壓泵、彈性聯(lián)軸器組成,可以實(shí)現(xiàn)360°全回轉(zhuǎn),但柴油機(jī)較貴,起重機(jī)整體也會(huì)略重,價(jià)格稍貴一些。電動(dòng)-液壓驅(qū)動(dòng)起重機(jī)由電機(jī)、液壓泵、彈性聯(lián)軸器組成,操作平穩(wěn)、質(zhì)量輕、體積小、功率大,但對(duì)平臺(tái)電站要求高,需要安裝電纜拖鏈,且無(wú)法實(shí)現(xiàn)360°全回轉(zhuǎn)。
按結(jié)構(gòu)型式,海工起重機(jī)可分為4類,分別為:油缸變幅海工起重機(jī)、鋼絲繩變幅海工起重機(jī)、將軍柱海工起重機(jī)、繞樁式海工起重機(jī)。
油缸變幅海工起重機(jī)整機(jī)重心低、穩(wěn)定性好、箱式吊臂結(jié)構(gòu)、占用空間小,但自重較重,吊臂迎風(fēng)面積大,適用于各種固定平臺(tái)、自升平臺(tái)、半潛平臺(tái)、FPSO等。鋼絲繩變幅海工起重機(jī)重量輕,結(jié)構(gòu)緊湊,便于運(yùn)輸,適用于所有海工設(shè)施。將軍柱海工起重機(jī)無(wú)配重,自重輕,基柱直徑小,大幅度時(shí)起重量大,適用于特別惡劣的工況,如鉆井船、鉆井平臺(tái)、深海半潛平臺(tái)等。繞樁式海工起重機(jī)重量輕,結(jié)構(gòu)緊湊,所占用平臺(tái)甲板空間小,尾部回轉(zhuǎn)半徑小,適用于自升平臺(tái)。
應(yīng)根據(jù)吊裝需求、作業(yè)工況及作業(yè)區(qū)域,選擇合適的海工起重機(jī)型式。
①驅(qū)動(dòng)方式的選擇:應(yīng)考慮作業(yè)工況及作業(yè)區(qū)域、平臺(tái)電力負(fù)荷大小、平臺(tái)重量控制、起重機(jī)造價(jià)等因素。
②起重能力的選擇:主要取決吊運(yùn)物品的種類,同時(shí)也應(yīng)考慮起重機(jī)造價(jià)因素。
③工作半徑的選擇[1-3]:通常舷外跨距應(yīng)不小于6 m,同時(shí)也要滿足平臺(tái)內(nèi)吊裝物品的布置及覆蓋范圍,此外還要考慮吊臂擱架的位置。
④起吊高度的選擇[1-3]:起吊高度取決于平臺(tái)類型及作業(yè)工況。起吊高度直接決定了起重機(jī)起升卷筒的容繩量,選型時(shí)應(yīng)確定從最低起吊點(diǎn)至吊臂下鉸點(diǎn)的高度。另外,起吊高度與吊臂的工作角度也有一定的關(guān)系,應(yīng)考慮吊運(yùn)物品的高度,以及甲板上其他設(shè)施的高度,避免干涉。
⑤其他參數(shù)的選擇:起重機(jī)的回轉(zhuǎn)速度、變幅和起貨速度等其他參數(shù),如沒(méi)有特殊要求,可參考各廠商的產(chǎn)品參數(shù)。
3.2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介
該平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)酸化壓裂作業(yè)、液壓舉升作業(yè)等功能。根據(jù)不同作業(yè)需求能夠經(jīng)濟(jì)快速地改造、變換功能,確保滿足市場(chǎng)應(yīng)用需求。
平臺(tái)根據(jù)需求配備海工起重機(jī),應(yīng)具有滿足各功能模塊自安裝、拆卸的吊裝能力,在海上實(shí)現(xiàn)功能變裝。除了可以覆蓋甲板面,還需要考慮常規(guī)的物料運(yùn)輸以及設(shè)備拆卸維修,保證生產(chǎn)和生活的需要[4-5]。平臺(tái)的裝載工況較多,各功能模塊布置在主甲板,采用整體吊裝或分體吊裝方式[6]。
3.2.2 選型依據(jù)
主要依據(jù):平臺(tái)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、規(guī)格書(shū)要求、總布置圖、相關(guān)設(shè)備資料,作業(yè)工況等[7-8]。
①平臺(tái)主要參數(shù)如表1所示。
表1 平臺(tái)主要參數(shù)表Tab.1 Main parameters of platform
②液壓舉升模塊最大吊裝需求。液壓舉升系統(tǒng)舉升能力154 t,面積130 m2,安裝前存放440 m2。設(shè)備布置集中于陰影區(qū)域尾部,靠近右舷,半徑24 m范圍內(nèi)。若采用整體吊裝,最大模塊為高壓泥漿泵撬35 t,高度16 m,如圖1中黑色框處。若設(shè)備拆分吊裝,最大重量約10 t。
③酸化壓裂模塊最大吊裝需求。模塊為2層結(jié)構(gòu),布置面積966 m2,布置覆蓋面積較大,最重模塊位于陰影區(qū)域艏部,靠近左舷。若采用整體吊裝,平均重量不到20 t,高度3 m左右,最大模塊為壓裂泵撬34 t,如圖2黑色框處。
3.2.3 初步選型要點(diǎn)
①起重機(jī)結(jié)構(gòu)形式確定。因平臺(tái)需要布置功能模塊,甲板空間比較少,為節(jié)省平臺(tái)的甲板空間,因此首選繞樁式起重機(jī)。
②驅(qū)動(dòng)方式確定。電動(dòng)-液壓驅(qū)動(dòng)方式需要安裝電纜拖鏈,無(wú)法實(shí)現(xiàn)360°全回轉(zhuǎn),并且回轉(zhuǎn)的受限位置直接影響作業(yè)區(qū)域和電纜拖鏈安裝位置。因此首選柴油機(jī)-液壓驅(qū)動(dòng)方式,無(wú)需平臺(tái)提供電力。
③數(shù)量及位置確定。平臺(tái)左右舷各布置一臺(tái)起重機(jī),既可單獨(dú)作業(yè),也可配合作業(yè)。為了覆蓋面更合理,起重機(jī)利用率更好,采用對(duì)角線布置。分別布置于左舷艏部樁腿,右舷尾部樁腿,可有效覆蓋甲板區(qū)域。
液壓舉升模塊靠近右舷艉部,并且重量較大,而酸化模塊布置均勻,重量較輕。所以首先考慮右舷尾部為主,左舷艏部起重機(jī)為輔。
④起重能力確定。兩大功能模塊設(shè)備中重量最大為35 t,平均10~20 t,右舷艉部主鉤最大起重能力設(shè)定為最大35 t,最小起重能力設(shè)定為10 t左右??蓾M足所有模塊整體吊裝或拆分吊裝,基本合理。
因海上運(yùn)輸船位于平臺(tái)外部,平臺(tái)外起升應(yīng)考慮風(fēng)浪因素。所以將主吊鉤最大起重能力設(shè)定為平臺(tái)外起升35 t左右。
⑤工作半徑確定。液壓舉升模塊需求跨距較小,酸化模塊覆蓋面積較大,需求跨距較大,則最大吊重的工作半徑設(shè)定為26 m較為合理。根據(jù)平臺(tái)尺寸以及吊臂支架的布置,起重機(jī)最大工作半徑設(shè)定為40 m較為合理。起重機(jī)基本可以覆蓋80%甲板面工作區(qū)域,可以滿足從運(yùn)輸船起吊兩大功能模塊,也能滿足平臺(tái)內(nèi)大部分拆卸維修等吊裝需求。
⑥輔助起重機(jī)參數(shù)調(diào)整。因右舷艉部起重機(jī)設(shè)定參數(shù)基本滿足平臺(tái)主要吊裝需求,所以左舷艏部可以設(shè)定為起重能力相對(duì)小一些,工作半徑小一些,滿足常規(guī)物料運(yùn)輸和重量較小設(shè)備吊裝需求即可,考慮到平臺(tái)外運(yùn)輸船吊運(yùn)以及盡量覆蓋平臺(tái)內(nèi)其他區(qū)域,因此最大工作半徑設(shè)定為35 m,起重能力設(shè)定為20 t較為合理。
因左舷艏部起重機(jī)起重能力較小,設(shè)定為電動(dòng)-液壓驅(qū)動(dòng)方式的甲板吊更為合理。為避免平臺(tái)樁腿干涉起重機(jī),布置在左舷艏部樁腿的艉側(cè)甲板上較為合適。
⑦起吊高度確定。模塊最高的為16 m,其他模塊高度要求較低,吊機(jī)最大吊重處有一定仰角,所以吊重最大處的吊高超過(guò)16 m,再有一定余量空間即可。因最大工作半徑設(shè)定為40 m,那么起重機(jī)做大仰角位置吊高基本接近40 m,而最大起重能力角度的吊高預(yù)計(jì)在25 m左右。再加上起重機(jī)下部底座的高度,最大起吊高度應(yīng)該會(huì)超過(guò)40 m,最大起重能力角度的吊高應(yīng)該也會(huì)超過(guò)25 m,滿足吊裝需求。
考慮海上運(yùn)輸船與平臺(tái)的高度差,甲板下起吊高度設(shè)定為20 m左右。
綜上,起重機(jī)初步選型參數(shù)如表2所示。
表2 起重機(jī)初步選型參數(shù)表Tab.2 Preliminary selection parameters of crane
3.2.3 初步選型結(jié)果
根據(jù)設(shè)備商的同類型產(chǎn)品資料,主起重機(jī)選擇柴油機(jī)-液壓驅(qū)動(dòng)的繞樁式起重機(jī)190 t×9.5 m/38 t×40 m滿足要求。輔起重機(jī)選擇電動(dòng)-液壓驅(qū)動(dòng)的甲板起重機(jī)20 t×7.5 m/10 t×35 m滿足要求[9]。
主起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。
表3 主起重機(jī)技術(shù)參數(shù)表Tab.3 Technical parameters of main crane
輔起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表4所示。
表4 輔起重機(jī)技術(shù)參數(shù)表Tab.4 Technical parameters of auxiliary crane
3.2.4 選型論證
①液壓舉升模塊:
模塊布置范圍半徑24 m,主起重機(jī)最大起重能力工作半徑26 m,滿足需求;模塊最大重量35 t,主起重機(jī)在26 m工作半徑處起重能力60 t,舷外35 t,半徑26 m以內(nèi)起重能力更大,滿足需求;模塊最高16 m,主起重機(jī)起吊高度39.2~45 m,滿足需求。
②酸化模塊:
模塊布置范圍半徑<40 m,主起重機(jī)最大工作半徑40 m,滿足需求;模塊最大重量<20 t,主起重機(jī)在40 m工作半徑處起重能力約38 t,舷外20 t,滿足需求;模塊平均高度高約3 m。主起重機(jī)起吊高度39.2~45 m,滿足需求。
另外,應(yīng)考慮海工起重機(jī)的自身重量及支反力對(duì)平臺(tái)和樁腿的影響進(jìn)行計(jì)算校核,適當(dāng)調(diào)整[9]。
本文是以多功能海洋平臺(tái)的2個(gè)功能模塊為例,對(duì)海工起重機(jī)的選型依據(jù)、選型方法以及甲板合理布置等進(jìn)行研究論證,重點(diǎn)闡述了海工起重機(jī)主要參數(shù)的選擇方法:
①根據(jù)模塊布置圖確定海工起重機(jī)作業(yè)范圍,根據(jù)作業(yè)范圍確定工作半徑。
②根據(jù)模塊重量確定海工起重機(jī)作業(yè)重量需求,根據(jù)作業(yè)需求來(lái)確定起吊能力。
③根據(jù)模塊外形尺寸及平臺(tái)布置圖確定海工起重機(jī)作業(yè)高度需求,根據(jù)高度需求確定起吊高度。
結(jié)合平臺(tái)實(shí)際情況,對(duì)初步選型參數(shù)做出適當(dāng)調(diào)整及驗(yàn)證,再根據(jù)起重機(jī)廠家資料確定起重機(jī)規(guī)格型號(hào)及具體參數(shù)等[11-12]。
本文通過(guò)海工起重機(jī)選型的研究論證,更加準(zhǔn)確地選擇合適的海工起重機(jī),來(lái)滿足海上起重機(jī)作業(yè)的實(shí)際需求。■