半潜式起重拆解平台重吊作业可行性分析

颜长青，布 臣，严 柳，陈伶翔

(招商局重工(江苏)有限公司，江苏 南通 226100)

本文基于2017年工信部高技术船舶科研项目——半潜式起重拆解平台开发，此专项课题是以招商局重工(江苏)有限公司为荷兰某公司设计制造的半潜式起重拆解平台(以下简称平台)为基础开展的。平台主要针对海上老旧平台拆解作业设计的，兼具进行海上风电等结构物安装作业功能，以及为海上油田提供居住服务的功能[1]。平台型长137.75 m，型宽81.00 m，主甲板高42.80 m；采用DP-3动力定位系统；配有2座起重能力达2 200 t的全回转吊机。图1为半潜式起重拆解平台外观效果图。

图1 半潜式起重拆解平台外观效果图

1 平台极限重吊作业工况

平台配备的吊机最大安全工作载荷为2 200 t，但是吊机的起重能力与起吊半径以及作业海况密切相关。图2为主吊机负载曲线图。从图2可知，吊机起吊半径越大，安全工作载荷越低；吊机作业海况等级越高，吊机的安全工作载荷越低。

图2 主吊机负载曲线图

重吊作业除了吊机本身的限制外还受到平台稳性的限制，根据船级社规范要求，在重吊作业工况下应综合考虑平台完整稳性、破舱稳性、以及重物脱钩后的稳性衡准。最终得出不同起吊工况下的限制要求，见表1。

表1 不同起吊工况下的限制要求

对于单机作业，在吊机将负载吊起之后，还需要利用吊机将负载进行旋转，根据实际作业情况，转角在360°方向上均有可能。对于双机联吊作业，在2座吊机将负载完全吊起后，不可能实现360°的回转操作，仅能将被吊货物移动至平台甲板面上。在双机联合将被吊负载向平台舷内转移的过程中，负载及吊机旋转部分对平台造成的向右舷的横倾力矩是在逐渐减少的。这表明只要平台压载系统可以保证平台以正浮状态从舷外将负载吊起，负载向舷内移动导致平台整体质心的变化，完全可以通过平台压载系统进行平衡。

根据上述作业限定条件以及实际作业特性，对单个吊机作业选择22.1 m半径(单个吊机起吊2 200 t的极限半径)起吊最大负载2 200 t的工况进行分析，同时考虑起吊后带载旋转的工况(单个吊机作业主要对艉吊机进行分析)。对双机联吊作业，选择23.1 m半径(单个吊机起吊2 100 t的极限半径)起吊最大负载4 200 t的工况进行分析。

2 平台压载系统布置

平台压载系统由30个压载舱(包括20个普通压载舱，6个快速压载舱，4个立柱压载舱)以及相关管路系统、遥控阀门等组成[2]。平台辅浮箱与主浮箱(左右两舷)压载环路相互独立，左右舷各设有4台压载泵，所有压载舱均通过压载泵对压舱内进行压排载[3-4]。此外浮箱内的6个快速压载舱均设有一根通海管，直径约1 m，与外板直通，打开阀门后，海水可以在重力作用下直接经由通海管快速进入压载舱内，实现快速压载的功能。

4个立柱内各设有1个立柱压载舱，可通过重力实现快速压载的功能。除此之外，立柱压载舱还可以通过压缩空气实现快速排载功能。平台艉部2个立柱内共设有4台空气压缩机，最大输出压力0.26 MPa。4台空压机共同组成一个环路，可以同时向4个立柱压载舱或者对指定的立柱压载舱充填压缩空气，对舱内增压。在立柱压载舱完成加压后，打开其排舷外阀门，舱内压载水可以在空气压力及自身重力的双重作用下经由通海阀门快速排出实现快速排载功能。

3 平台重吊作业压载配合

3.1 舷外起吊工况

舷外起吊初始状态指的是吊臂已经旋转至被吊物的正上方，吊臂调整至设计仰角，平台压载调整到位，随时可以开始起吊作业。起吊初始工况吃水应略小于重物完全被吊起后的吃水。起吊之前平台应当向被吊货物相反方向倾斜，此倾斜角度应在吊机允许的限度之内。例如被吊货物位于平台右舷艉部，则平台初始状态应当左倾艏倾，这样有利于起吊作业的平稳开始[5]。舷外起吊结束工况指的是吊机将目标载荷完全提起，同时平台调整至正浮状态。考虑到起吊过程的快速性，吊机起吊过程中主要利用4个立柱压载舱快速压排载的功能调整平台的浮态，压载泵用于微调，确保平台不会因吊机逐步加载而产生过大的倾斜角度。

在舷外起吊过程中，应当通过压载系统确保平台的倾角应随着吊机载荷的逐渐增加从初始倾角变为正浮状态，平台的吃水也应逐渐增加至最终的吃水状态。整个过程中应当避免平台倾角及吃水发生快速变化的情况，快速的倾角或吃水变化对于平台本身结构以及吊机都是不利的。吊机负载较大的情况下尤其需要注意避免上述情况。

除了起吊的首末2个节点状态，中间压载水调配过程也需要关注，为便于过程分析，简化计算流程，可以采取如下的计算方案。

首先依据重吊作业需求，配置出平台完全吊起目标载荷后的装载状态。然后在此基础上通过调节立柱压载舱内的压载量，配置出满足要求的舷外起吊初始工况。对于吊机起吊的中间过程，可以默认4个立柱压载舱的压载水量随着吊机负载变化呈线性关系。经过对大量起吊工况的分析计算，这样的简化方式可以保证平台的倾角以及平台吃水可以随着吊机负载稳步变化，有效避免突变。

吊机舷外卸载工况可以视为吊机舷外起吊工况的逆向过程。舷外起吊的结束状态即为舷外卸载的初始状态，舷外起吊的初始状态即为舷外卸载的结束状态。对于舷内起吊或者下放作业，即吊机旋转到平台甲板面上进行起吊或者下放载荷。由于这2种作业工况下吊机负载对平台并不会产生倾斜力矩，可以直接作业，无需压载配合[6]。

3.2 单吊旋转工况

在吊机带着负载进行旋转的过程中，仍旧需要保持平台的倾角不超过吊机作业所允许的限定范围，同时也要保证平台的稳性满足各类稳性衡准要求。重吊作业吃水在立柱区域，水线面较小，平台对于各个方向的倾斜力矩都极为敏感。因此为保证平台的浮态稳定以及人员设备安全，在吊机旋转作业过程中不宜采用快速压排载的方式，而因依靠压载泵进行调整。

针对吊机旋转作业，指定压载舱组分别用于横倾及纵倾的调节，即调节纵倾的液舱仅调节纵倾，调节横倾的液舱仅调节横倾。这样实际平台作业时，作业逻辑更加清晰，避免发生混乱。

根据压载平台压载舱的布置特点，考虑艏艉端，通过最少的调整量获得最佳的调整效果，单吊旋转调节纵倾用压载舱见图3。平台左舷：1#和4#压载舱；平台右舷：2#、3#、5#和6#压载舱。单吊旋转调节横倾用压载舱见图4，主要考虑对称性，调节横倾时不要产生额外的纵倾。平台左舷：7#和9#压载舱；平台右舷：8#和10#压载舱。

图3 单吊旋转调节纵倾用压载舱

图4 单吊旋转调节横倾用压载舱

选定吊机在舷外将吊物全部吊起作为初始分析状态，主要分析吊臂带着负载从初始位置(0°)逆时针旋转90°、180°、270°这3个节点状态。在吊机旋转过程中，调节横倾和纵倾的压载舱相互独立，故而吊机旋转到任意位置时，平台调平方案可以视为吊机旋转到初始状态(0°)、90°、180°、270°这4个关键节点处压载状态的线性组合。即当4个旋转关键节点可以满足要求，则可以确保整个旋转中间状态的平稳过渡。

4 实际工况分析

4.1 分析工具

通过收集吊机供应商提供的吊机各个部分的质量质心数据，平台空船质量质心数据，平台各个液舱的舱容、测深、静水力等原始数据，汇入EXCEL电子表格中。采用EXCEL表格公式化语言对上述数据进行汇总分析，实现以下功能。

1)通过控制吊机仰角及转角，获得吊机不同姿态下相对平台的质心位置。

2)将负载的质量质心与吊机吊钩的位置绑定，吊机姿态改变，负载质心随之变化。

3)通过控制液舱装载率，计算出各个液舱的质量质心以及自由液面修正量等数据。

4)通过汇总计算各个分项包括吊机，负载，液舱等的质量质心，获得整个平台的质量质心。

5)通过整个平台的质量质心参数，利用船舶静力学原理计算平台吃水，横纵倾角等浮态参数。

在EXCEL电子表格中实现上述功能后，依据实际吊机作业特点，可以快捷的调整吊机姿态信息，并实时生成平台浮态信息，从而辅助生成平台压载调配方案。

4.2 起吊工况分析

艉吊机起吊2 200 t工况如表2所示，根据装载计算得出7#～10#压载舱装载率变化情况，平台从初始起吊状态左倾0.37°，艏倾0.40°逐渐回到正浮状态。平台平均吃水逐渐从21.03 m增加至22.00 m。

表2 艉吊机起吊2 200 t工况

双机联吊起吊4 200 t工况如表3所示，根据装载计算得出7#～10#压载舱装载率变化情况。平台从初始起吊状态左倾0.4°，纵倾0°逐渐回到正浮状态。平台平均吃水逐渐从24.3 m增加至26.4 m。

表3 双机联吊起吊4 200 t工况

4.3 单机带载旋转工况分析

表4为艉吊机带载2 200 t旋转工况,由表4知1#～10#压载舱装载率变化情况。在吊机带载旋转过程中，通过调节压载舱的装载率，即可保证平台吃水恒定、横纵倾保持为0。其他中间状态各压载舱的装载率为这4个节点装载率的线性组合。

表4 艉吊机带载2 200 t旋转工况

5 结束语

本文根据平台的实际舱室布置、吊机能力以及平台本身对重吊作业的限定性条件，对该平台重吊作业可行性进行分析。依据压载系统特性以及吊机不同作业状态的特点，对吊机作业与压载系统配合方案进行定性分析，确定吊机在不同作业状态下压载系统的配合逻辑。最后通过对吊机作业过程中可能出现的极限工况进行定量分析，通过严密的数学计算,验证了平台配备的压载系统可以满足平台吊机以下极限作业需求：单台吊机在22.1 m半径起吊2 200 t，并带载旋转360°；23.1 m半径双机联合起吊4 200 t。确保平台在各种重吊作业工况下，可以通过自身的压载系统调配压载水，保证平台在重吊作业过程中保持合理的浮态，避免出现过大的倾角[7]。