半潜起重拆解平台海上双机联吊作业压载配合分析

何 力 布 臣 陈伶翔 严 柳

（招商局重工（江苏）有限公司 南通 226116）

引 言

半潜起重拆解平台现广泛应用在钻井平台、导管架、组块及FPSO模块的安装吊载运输和老旧闲置平台的拆解，可满足不同场合和不同质量要求。半潜起重拆解平台有特殊的作业要求，需要在规定时间内起吊数千吨重物，为保持船舶稳性，平台排水量会急剧增加数千吨之多；在拆解过程中，平台吊物重心距离水面数十米甚至上百米，使平台重心明显提高，对平台的稳性极其不利；平台吊运作业时，会产生极大的倾覆力矩，对平台浮态产生重大影响，特别是对于非对称结构半潜起重平台，静横倾角可能达到7°～8°，甚至更大。半潜起重拆解平台的快速压排载系统须满足拆解平台吊运作业情况下吊重、旋转等状态的平台姿态的快速调整。

国内方面，韩文栋［1］以某大型船舶的尾部总段为例，从使用力学分析法制定初步方案，到通过有限元计算分析方案的合理性和安全性，完整地介绍双机联吊方案的编制方法。孙红运、王光定等［2］建立包装箱-箱架系统的动力学模型，利用有限元分析方法对其进行联吊工况下的瞬态动力学分析，并通过试制样件进行联吊工况的试验。易容容［3］探讨了多用途重吊船在吊装作业过程中的稳性，研究调整船舶横倾的方法，着重分析吊物突然坠落时的船舶稳性及其衡准。赵陈［4］对该重吊船需要满足的吊装稳性规范作了说明，并分析了压载舱分布、载荷及重心位置对该船吊装稳性的影响；同时，介绍海工重吊船吊装辅助浮箱系统的工作原理，并分析其各要素对该船吊装稳性的影响。许建中和张代龙［5］以配置400 t/700 t克令吊的20 000 t大型多用途重吊船为例，介绍目前国内已建成的起吊载荷最大的多用途重吊船。在超大型重吊试验过程中，如何选择试验用配载物，并对以水袋与水箱作为配载物的试验过程进行了分析。

国外方面，CHOI K， KIM D J［6］对 4 台起重机起重进行分析，对工程人员在船厂进行起重作业具有一定的参考价值。CHOI K S，SHIN M K［7］研究了考虑起重机缆绳伸长的沉船起重机起升力的解析计算方法。MILANA G， BANISOLEIMAN K［8］研究了考虑起重作业对卸船机起重臂动力响应的影响。

综合国内外的研究现状，对联吊的可行性研究并不多，且半潜平台自重大，双浮体不对称导致在作业的过程中对于稳性的要求更加苛刻。本文主要针对我司半潜起重拆解平台双机联吊试验，以2 200 t吊机的双机联吊为研究对象，结合吊机的性能参数与实际的试验环境，探讨半潜起重拆解平台在海上双机联吊试验的可行性。根据平台系统的特性，使联吊过程中各个环节的操作安全可行，为该船后期在海上进行双机联吊试验提供了依据。

1 半潜起重拆解平台

半潜起重拆解平台在右舷配备2台2 200 t重型起重机，总起重能力可达4 400 t；配有快速压载系统和常规泵压载系统用于吊装作业调载配合，将用于海上吊装拆解作业和居住。

1.1 吊机参数

此吊机属于桅杆吊，由固定部分以及回转部分构成。吊机底座以及吊机桅杆为固定部分，吊机回转平台绕吊机桅杆进行回转。吊臂与吊机回转平台连接于俯仰中枢，吊臂通过变幅钢丝绳连接到吊机桅杆顶端机构。桅杆顶端机构与桅杆通过轴承进行连接，可与吊机回转平台一同绕桅杆进行旋转。吊机的起重能力受起吊半径及作业海况影响，不受吊臂回转角度影响。

图1 吊机总体布置图

吊机作业时凭借绞车通过整个桅杆柱的支撑来承受被吊物重量。这种吊机设计的优点是自重轻，仅1 540 t的吊机便可吊起2 200 t的重物。此外，此种吊机降低了平台整体的重心以保证吊装作业中的许用重心高度。然而这样设计的缺点也很明显，即对平台的横纵倾要求非常高，过大的倾斜角度会使垂直方向承受的弯矩变大，从而损伤吊机桅杆柱和吊机底座。吊机各个工况下的负载和横纵倾角度见下页表1。

1.2 不同工况的载荷曲线

本平台吊机根据作业海况不同，吊重能力也有所改变，吊机主钩的最大吊重能力为2 200 t，辅钩的最大吊重能力为600 t，顶部小钩的吊重能力为110 t。顶部加装飞臂后，起重能力可达400 t。飞臂是加装在吊机吊臂顶部的延伸吊臂，用于吊装更高的物体，由此提升吊机的作业范围。

表1 吊机载荷参数

本文重点研究主吊钩对于不同海况的起重能力的变化，图2为主吊钩在不同海况下随着作业半径变化起重能力的变化曲线。

图2 吊机在不同浪高下的负载曲线

通过负载曲线变化可以得出，随着浪高不断变大，主吊钩的负载能力也在逐渐变小。根据试验海域的历年浪高变化，吊机海上试验的吊载能力选用1.5 m浪高作为试验海况限制，试验负载也以此进行选择。由图2可知，单座吊机在1.5 m浪高下极限起重能力为1 400 t，起吊半径为16.9～23.1 m。考虑到实际作业安全风险，吊机起吊过程中，负载与其他构件之间应至少预留3 m以上间隙，以防起吊过程中发生碰撞事故。因此，双机联合起吊的试验质量选定为2 800 t，起吊半径定为23.1 m。

2 快速压载系统

本平台的压载系统分为常规压载和快速压载两种，常规压载就是通过压载泵对压载舱进行加排载，快速压载舱是通过大口径的通海阀利用重力进水和压缩空气排水。当吊机作业时，仅需通过快速压载系统对4个立柱区域的快速压载舱进行调载，即可满足整个吊机作业的需求。

快速压载系统由4台快速压载空压机分别位于尾部2个立柱的房间内，快速空压机直接供气至总管，总管到每个立柱快速压载舱通过4根支管连接，每根支管均设有远程遥控阀以控制压缩空气的加载。与立柱快速压载舱连接的还有用于压载水加排的大口径（直径1 m）通海阀和合壁透气管，每根合壁透气管通往主甲板最大破损水线处分出2个透气头，再分别设置远程遥控阀以用于快速排载时透气口的开关。

2.1 快速压载空压机室

该平台配有2个快速空压机室，分别位于尾部左右两舷的立柱中。每个快速压载空压机室配有进风和出风的多级变速送排风机，主要是为了满足空压机在不同工况下的散热和压缩空气需求。空压机由Atlas Copca公司提供的HCM450-4型，最大输出压力为2.75 bar（1 bar=0.1 MPa），设计输出压力为2.6 bar，工作环境温度为50℃，每小时压缩空气量为8 391.6 N·m3。每个快速压载空压机室配有2台空压机，如图3所示。

图3 快速压载空压机

空压机供气直接进入空气总管。空压机设置远程控制和本地控制，启动时要先启动风机，进风和出风的风机需要由原来的低速变为中速，当第1台空压机启动以后再启动第2台，启动时间的间隔为5 s，启动后的空压机保持待机状态。开始重吊作业时，需打开通往主立柱快速压载舱的阀门，关闭透气关口的阀门，将进出风的风机变为高速模式，将空压机待机模式切换为加载模式，为快速空压机舱加载。在此过程中风机的切换时机非常重要：开得过早会导致空压机室内的气压变成正压，使房门难以打开而影响逃生；开得过晚则不能满足空压机加载需求，使房间内变为负压状态，令房内人员感觉不适。

2.2 快速压载系统控制原理

在整个快速压载系统运转的过程中，中控台对于操作数据的采集分析尤为重要，包括舱室压力、平台四角吃水、阀门遥控、倾斜仪、液位遥测、风浪流信息等数据。

舱室压力变化采集分别由空压机出口、主管进口、透气管出口的压力传感器提供。为了控制整个操作过程中的风险，需要考虑空压机的加载上限值，根据舱室强度计算取的2.6 bar的压力，将空压机加载的上限值设置为2.35 bar，以满足快速排载的需求，当空压机达到上限值时，自动切换为待机状态。

在剩下的主管进口和透气管出口处同样设置了限位报警值为2.4 bar，以便于操作过程中的监控。空压机加载时，空压机间供排风自动切换为高速模式；空压机待机时，又自动切换为低速模式，仅在空压机启动过程有中速模式的自动切换。当有1台空压机出现故障停机时，则自动启动快速压载空压机间内另外1台空压机，以提供压缩空气进入总管，从而保证整个操作过程中的压缩空气需求。除动力系统以外，通海阀门的操作也同样重要。因阀门直径较大（约800 mm），故在吊机操作过程中，阀门开启和关闭时间都很长，约需2 min时间。

3 2 800 t双机联吊试验配载分析

双机联吊试验选择2台吊机同时朝舷外，被吊物重心位于2台吊机之间。根据招商重工现有硬件设施，采用1艘45 m×16 m×3.5 m的方驳作为2 800 t双机联吊的试验用负载。根据1.2中确定的起吊半径绘制出图4的双机联吊简化示意图。

图4 双机联吊简化示意图

负载起吊过程主要是将负载质量逐渐转移至吊钩上的过程，此过程对于平台的影响主要是质量增加、重心右移、重心高度增加。负载起吊过程会对平台浮态产生较大影响以及较大横倾。为保持平台浮态处于吊机作业允许范围内，保证平台稳性满足规范要求，需要对整个作业过程定点采样进行静水力分析，计算出每个采样点的压载水配置方案，将每个采样点的计算结果进行汇总，并最终得出整个双机联合起吊过程中平台浮态、压载随负载增加的变化趋势。

联合起吊过程中，为保证起吊速度，在开始起吊及吊装中后期采用快速压排载系统进行配合；到了后期，由于进水侧压差逐渐减小，快速压载系统效用下降，开始采用普通压载系统进行配合。起吊初始状态将平台向左舷倾斜一定角度（在吊机允许作业限度范围内），并保证初始状态吃水与最终吊起后正浮吃水的偏差不超过1 m，且初始起吊状态应保证右舷快速压载舱（与负载处于同舷）有足量压载水，左舷快速压载舱应尽量保持空舱。

所有的操作需要在海上，所有的索具连接将在主甲板完成。当索具全部连接完成，由其中1台吊机将试重驳船调运至海上漂浮解钩，再将2台吊机全部旋转至平台外侧，连接索具并将驳船加载至2 800 t。当驳船加载时，平台和吊机同时加载，以保证驳船在水中的浮态；当加载到试验重量后，将驳船吊出水面进行试验。

在吊机加载的过程中，立柱快速压载舱利用快速压排载系统进行调载。主立柱快速压载舱通过压载空压机充气使舱室处于排载状态，辅立柱的快速压载舱则将通海阀打开，当外部液位高于内部时，通过重力进水。外部液位与内部平衡时，关闭通海阀并通过压载泵继续根据吊装需求往舱内加载。

表2 加载过程4个立柱快速压载舱的加载百分比变化

在整个操作过程中，对时间的把控非常重要，一旦操作失误会导致平台产生很大的倾斜。在整个加载过程中的时间计算如表3所示。

根据每个舱室达到平台调平需求的状态，分别计算出每个舱室在随着吊机载荷增加过程中压载所需要的时间，取最大值为每个步骤的操作时间，最后求出在整个起吊过程中所需要的时间总和。

联吊结束时，需将吊机卸载，卸载过程与加载过程相反，步骤见表4。

图5 加载过程中主立柱快速压载舱的压力变化曲线

表4 卸载过程4个立柱快速压载舱的加载百分比变化

图6 卸载过程辅立柱快速压载舱的压力变化曲线

在卸载过程中，辅立柱的快速压载舱CSBT OP1&2进行快速压载排载操作，主立柱的快速压载舱CSBT MP1&2通过重力进水进行加载操作，整个过程时间计算参见表5。

表5 2 800 t卸载操作时间计算表 s

结论分析：通过试验发现2 800 t起吊各步骤依次耗时 165 s、185 s、225 s、250 s、608 s、165 s、228 s，总耗时1826 s，压力变化没有超出要求。2 800 t卸载各步骤依次耗时 294 s、98 s、88 s、172 s、182 s、492 s、2 509 s，总 耗 时 3 835 s， 压力变化没有超出要求。两种过程的压力变化曲线符合可行性的要求，各步骤的时间节点也与安全性要求一致。

4 结 语

本文以配置2 200 t吊机的双机联吊为研究对象，通过对吊机在1.5 m浪高工况下2 800 t双机联吊的试验步骤进行分析，结合吊机的性能参数和实际试验环境探讨半潜起重拆解平台在海上双机联吊试验的可行性。根据平台系统的特性，使联吊过程中各个环节的操作安全可行，根据计算结果，在起吊和卸载过程中，压力变化曲线均符合可行性要求，各时间节点符合产品安全性要求。因此，可以认为半潜起重拆解平台的双机联吊是安全可行的，适合在海上进行试验和选用。