多功能海洋平台适用的海工起重机选型研究

2021-09-16牟启同刘传彬许海东

天津科技 2021年8期

牟启同，刘传彬，许海东

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司天津 300452)

0 引言

海工起重机主要是在海洋平台上使用的起重机，是一种海洋平台装卸货物和吊运人员到平台上的设备，是海洋石油生产中最重要的生产和安全设备之一。海工起重机受作业环境影响较大，工作模式较多，又因结构类型、驱动方式和制造厂商的不同而品种繁多。不同功能的平台需求的海工起重机的型式和能力也不同。为了更好地适应海上比较恶劣的工作环境，更好地满足海洋平台作业需求，选择合适的海工起重机非常关键。

目前海工起重机从动力方面分为电动和液压2种，根据需求不同有多种结构类型。设计者在选择起重机时候应根据平台类型、工作环境、平台总布置图、设备资料、起重机作业工况、作业区域等初步确定起重机的型式及主要参数，如起重机的驱动型式、回转角度、起重能力、工作半径及起吊高度等。结合平台实际情况，对初步选型参数做出适当调整及参数验证，合理布置位置并辅以相应的平台强度校核等计算。再根据起重机主流厂商的产品资料及设计能力、生产能力、生产周期、价格等来最终确定起重机型号及具体参数等信息，为平台选择最合适的海工起重机，确保起重机的合理利用及可靠性。

本文通过确定起重机重点参数，来确定起重机的能力及合适的型号。对其他类型的海洋平台及船舶的起重机选型具有一定的参考价值，从而更加准确地选择合适的海工起重机，来满足海上各种功能的作业需求。

1 海工起重机构成与技术特点

1.1 主要构成

海工起重机主要包括起升机构、变幅机构、回转机构和金属结构等。起升机构一般为绞车形式，起升绞车一般为液压单卷筒单出绳式，多层缠绕。变幅机构使货物沿一条直线远离或接近起重机，常用的驱动型式有绳索驱动、齿条驱动、螺杆驱动和液压缸驱动。回转机构中的回转支承一般采用三排滚柱式回转支承，回转减速机带液压制动器，具有偏心调整啮合侧隙功能，2套旋转机构驱动整机做正反360°全回转运动。金属机构中臂架一般采用钢管桁架结构，由高强度钢管焊接而成，臂架根部结构通过滑动轴承和销轴与转台联结。

1.2 主要技术特点

海工起重机必须满足API-2C《海洋平台吊机规范》及各大船级社规范。海工起重机一般可以进行起升、变幅、回转三联动，但在联动时各动作的速度会有一定降低。

2 海工起重机分类

2.1 按驱动方式分类

按驱动方式，海工起重机可分为2类，分别为：柴油机-液压驱动起重机、电动-液压驱动起重机。

柴油机-液压驱动起重机由柴油机、液压泵、弹性联轴器组成，可以实现360°全回转，但柴油机较贵，起重机整体也会略重，价格稍贵一些。电动-液压驱动起重机由电机、液压泵、弹性联轴器组成，操作平稳、质量轻、体积小、功率大，但对平台电站要求高，需要安装电缆拖链，且无法实现360°全回转。

2.2 按结构型式分类

按结构型式，海工起重机可分为4类，分别为：油缸变幅海工起重机、钢丝绳变幅海工起重机、将军柱海工起重机、绕桩式海工起重机。

油缸变幅海工起重机整机重心低、稳定性好、箱式吊臂结构、占用空间小，但自重较重，吊臂迎风面积大，适用于各种固定平台、自升平台、半潜平台、FPSO等。钢丝绳变幅海工起重机重量轻，结构紧凑，便于运输，适用于所有海工设施。将军柱海工起重机无配重，自重轻，基柱直径小，大幅度时起重量大，适用于特别恶劣的工况，如钻井船、钻井平台、深海半潜平台等。绕桩式海工起重机重量轻，结构紧凑，所占用平台甲板空间小，尾部回转半径小，适用于自升平台。

3 海工起重机的选型

3.1 选型原则

应根据吊装需求、作业工况及作业区域，选择合适的海工起重机型式。

①驱动方式的选择：应考虑作业工况及作业区域、平台电力负荷大小、平台重量控制、起重机造价等因素。

②起重能力的选择：主要取决吊运物品的种类，同时也应考虑起重机造价因素。

③工作半径的选择[1-3]：通常舷外跨距应不小于6 m，同时也要满足平台内吊装物品的布置及覆盖范围，此外还要考虑吊臂搁架的位置。

④起吊高度的选择[1-3]：起吊高度取决于平台类型及作业工况。起吊高度直接决定了起重机起升卷筒的容绳量，选型时应确定从最低起吊点至吊臂下铰点的高度。另外，起吊高度与吊臂的工作角度也有一定的关系，应考虑吊运物品的高度，以及甲板上其他设施的高度，避免干涉。

⑤其他参数的选择：起重机的回转速度、变幅和起货速度等其他参数，如没有特殊要求，可参考各厂商的产品参数。

3.2 多功能平台起重机选型

3.2.1 项目简介

该平台采用模块化设计，实现酸化压裂作业、液压举升作业等功能。根据不同作业需求能够经济快速地改造、变换功能，确保满足市场应用需求。

平台根据需求配备海工起重机，应具有满足各功能模块自安装、拆卸的吊装能力，在海上实现功能变装。除了可以覆盖甲板面，还需要考虑常规的物料运输以及设备拆卸维修，保证生产和生活的需要[4-5]。平台的装载工况较多，各功能模块布置在主甲板，采用整体吊装或分体吊装方式[6]。

3.2.2 选型依据

主要依据：平台基础数据、规格书要求、总布置图、相关设备资料，作业工况等[7-8]。

①平台主要参数如表1所示。

表1 平台主要参数表Tab.1 Main parameters of platform

②液压举升模块最大吊装需求。液压举升系统举升能力154 t，面积130 m2，安装前存放440 m2。设备布置集中于阴影区域尾部，靠近右舷，半径24 m范围内。若采用整体吊装，最大模块为高压泥浆泵撬35 t，高度16 m，如图1中黑色框处。若设备拆分吊装，最大重量约10 t。

③酸化压裂模块最大吊装需求。模块为2层结构，布置面积966 m2，布置覆盖面积较大，最重模块位于阴影区域艏部，靠近左舷。若采用整体吊装，平均重量不到20 t，高度3 m左右，最大模块为压裂泵撬34 t，如图2黑色框处。

3.2.3 初步选型要点

①起重机结构形式确定。因平台需要布置功能模块，甲板空间比较少，为节省平台的甲板空间，因此首选绕桩式起重机。

②驱动方式确定。电动-液压驱动方式需要安装电缆拖链，无法实现360°全回转，并且回转的受限位置直接影响作业区域和电缆拖链安装位置。因此首选柴油机-液压驱动方式，无需平台提供电力。

③数量及位置确定。平台左右舷各布置一台起重机，既可单独作业，也可配合作业。为了覆盖面更合理，起重机利用率更好，采用对角线布置。分别布置于左舷艏部桩腿，右舷尾部桩腿，可有效覆盖甲板区域。

液压举升模块靠近右舷艉部，并且重量较大，而酸化模块布置均匀，重量较轻。所以首先考虑右舷尾部为主，左舷艏部起重机为辅。

④起重能力确定。两大功能模块设备中重量最大为35 t，平均10～20 t，右舷艉部主钩最大起重能力设定为最大35 t，最小起重能力设定为10 t左右。可满足所有模块整体吊装或拆分吊装，基本合理。

因海上运输船位于平台外部，平台外起升应考虑风浪因素。所以将主吊钩最大起重能力设定为平台外起升35 t左右。

⑤工作半径确定。液压举升模块需求跨距较小，酸化模块覆盖面积较大，需求跨距较大，则最大吊重的工作半径设定为26 m较为合理。根据平台尺寸以及吊臂支架的布置，起重机最大工作半径设定为40 m较为合理。起重机基本可以覆盖80%甲板面工作区域，可以满足从运输船起吊两大功能模块，也能满足平台内大部分拆卸维修等吊装需求。

⑥辅助起重机参数调整。因右舷艉部起重机设定参数基本满足平台主要吊装需求，所以左舷艏部可以设定为起重能力相对小一些，工作半径小一些，满足常规物料运输和重量较小设备吊装需求即可，考虑到平台外运输船吊运以及尽量覆盖平台内其他区域，因此最大工作半径设定为35 m，起重能力设定为20 t较为合理。

因左舷艏部起重机起重能力较小，设定为电动-液压驱动方式的甲板吊更为合理。为避免平台桩腿干涉起重机，布置在左舷艏部桩腿的艉侧甲板上较为合适。

⑦起吊高度确定。模块最高的为16 m，其他模块高度要求较低，吊机最大吊重处有一定仰角，所以吊重最大处的吊高超过16 m，再有一定余量空间即可。因最大工作半径设定为40 m，那么起重机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预计在25 m左右。再加上起重机下部底座的高度，最大起吊高度应该会超过40 m，最大起重能力角度的吊高应该也会超过25 m，满足吊装需求。

考虑海上运输船与平台的高度差，甲板下起吊高度设定为20 m左右。

综上，起重机初步选型参数如表2所示。