海工建造中偏心吊籠的設計研究

吳 捷，朱 烽

1.中國石油集團海洋工程有限公司，山東青島 266000

2.山東海洋工程裝備研究院有限公司，山東青島 266000

隨著深水油氣田的開發，導管架和模塊的日益大型化和復雜化，從研究偏心吊裝作業入手來設計偏心吊籠，是解決在海洋工程建造物內部狹小空間中運輸物料這一難題的關鍵[1-7]。由于被吊物在吊裝作業中承受的載荷包括吊裝力、被吊物結構自重載荷和環境載荷，因此吊籠結構強度和吊點強度是偏心吊籠設計的重要影響因素。吊籠的偏心吊裝過程可視為U型桁架的偏心吊裝過程，因此偏心吊籠的整體傾角是另一個需著重考慮的影響因素。本文結合某導管架建造中的需求，研究分析偏心吊裝作業過程中吊籠的工況和載荷，并進行偏心吊籠設計和數值模擬計算校核；在完成偏心吊籠設計和建造后，進行了吊裝試驗，最后取得了中國船級社CCS認證。

1 吊籠吊裝的分析研究

某導管架建造工程中，導管架內側約4 m處有多個需要進行腳手架桿搭拆的作業點，搭拆作業需裝載質量約1 t。需采用吊籠進行腳手架桿運輸，腳手架標準桿長約6 m。該工程中使用偏心吊籠的作業具有高頻次、裝載質量小的特點。

若使用常規吊籠進行作業，可伸入導管架內側的長度不足；若延伸吊籠一端的長度，則吊籠整體長度需加長以保持平衡；因此為克服常規吊籠的不足并滿足作業需求，需設計偏心吊籠。為減少偏心吊裝作業中吊索的更換頻率，可考慮讓吊索長度保持不變，而讓吊籠整體存在適當傾斜度時，仍可保持平衡。

1.1 吊籠結構初步設計

初步設計中，吊籠尺寸為11 m（長）×1.35 m（寬）×1.2 m（高），吊籠框架由Q235B的工字鋼I20b和等邊角鋼L80× 5組成，吊籠底板鋪設8 mm厚花紋鋼板，吊點采用25 mm厚D36級鋼板。吊籠一側為配重區，設置配重塊用于吊裝平衡，另一側為裝載區，用于伸入導管架內部裝載腳手架桿，設計可伸入長度5 m。初步設計后，吊籠結構、吊耳位置及各載荷區域分布見圖1。結合建造場地實際情況，確定吊裝用具如下：

（1）四腿成套壓制索具1套，規格為φ28 mm×10 m（長度）。

（2）長吊環1個，規格為135 mm（長吊環短內徑B）×250 mm（長吊環長內徑L）×38 mm（長吊環金屬材料直徑d）。

圖1 吊籠結構、吊點位置及各載荷重心分布

（3）弓形卸扣4個，規格為BX型卸扣。

1.2 吊籠吊裝工況及載荷分析

吊籠偏心吊裝的作業過程分為兩種工況：一是空載工況，即吊籠左側放置配重塊，右側不裝載；二是滿載工況，即吊籠左側放置配重塊，右側裝載約1 t腳手架桿。

吊裝作業時，吊籠承受的固定載荷分別為自重載荷、配重塊載荷和裝載物載荷。由圖1可得吊籠框架自身質量約2.75 t，重心距離吊籠左側5.46 m，配重載荷重心距離吊籠左側1.2 m，裝載面積為3 m2；裝載物質量約1 t，重心距離吊籠左側7.9 m，作用面積為7.7 m2。吊籠整體傾斜時，力矩平衡如圖2所示。

根據力和力矩平衡公式：

并考慮吊索長度不變，吊裝過程中存在傾斜，整理式（1）、（2） 得：

式中：G為吊籠自重重力，kN；x為吊籠自重重力作用線到吊籠左側原點的距離，mm；G1為配重重力，kN；x1為配重重力作用線到吊籠左側原點的距離，mm；G2為腳手架裝載重力，kN；x2為腳手架裝載重力作用線到吊籠左側原點的距離，mm；F為吊裝力，kN；x3為吊鉤吊裝力作用線到吊籠左側原點的距離，mm；α為吊籠在吊裝中傾斜角度，（°）；L為索具長度，mm。

圖2 吊籠力矩平衡簡圖

由式（3）計算可知，空載工況下設計傾斜角度為-2°時，配重質量為5.11 t。

吊裝作業時，吊籠環境載荷主要為風載荷。載荷計算根據SY/T10030-2004《海上固定平臺規劃設計和建造的推薦作法》[8]和API RP 2A[9]中的方法進行計算，其計算公式如下：

（1）吊籠吊裝位置風速：

式中：u為強風條件下，在海平面上高度z處，在平均時間段t內的設計風速值，m/s；Uz為強風條件下，在海平面上高度z處，在1 h內的平均風速，m/s；Iu為強風條件下，在海平面上高度z處的紊旋速度，m/s；t為平均時間段，s；z為距海平面高度，m；U0為在海平面上10 m高程處，在1 h內的平均風速，m/s。

（2）吊籠吊裝位置風力：

式中：F為物體受風力，kN；ρ為空氣密度，kg/m3；Cs為構件形狀系數；A為物體遮蔽面積，m2。

（3）吊籠裝載重物的靜載荷：

式中：q為吊裝裝載的面載荷，kN/m2；m為吊裝裝載的質量，t；g為重力加速度，m/s2；A1為吊裝裝載的受壓面積，m2。

在建造作業期間，風載荷是多向的。擬考慮校核風載荷與吊籠夾角成0°、45°、90°時的吊籠結構強度。該吊籠用于場地導管架和模塊建造，根據標準[10]要求考慮吊裝安全并結合場地實際情況，選取動載荷系數為1.5。

2 吊籠數值模擬分析

SACS和ANSYS有限元分析軟件在海洋工程建造中的應用廣泛，計算效率高，擬采用SACS進行吊籠框架結構強度校核，ANSYS進行吊點強度校核。

2.1 吊籠結構強度校核及結果分析

以初步設計的吊籠尺寸規格和載荷分布進行SACS數值建模。工況及載荷組合如表1所示，吊籠模型如圖3所示。計算并校核吊籠桿件最大UC值、吊籠最大撓度和整體傾角。校核時，吊籠桿件許用UC值為0.85；吊籠許用撓度值為吊籠總長的1/500[11]，即22 mm；吊籠許用傾角為2°[12]。

經計算，在滿載工況的載荷組合OPR2時，吊籠桿件的UC值最大，為0.67＜0.85，符合要求，最大UC值云圖如圖4所示。吊籠桿件最大變形量為20.7 mm＜22 mm，符合要求。變形節點位置如圖5所示。根據吊心和載荷重心的分布，吊籠傾斜角度為1.99°＜2°，符合要求。

表1 工況及載荷組合

圖3 吊籠鋼結構SACS模型

圖4 吊籠桿件最大UC值云圖

圖5 吊籠桿件最大變形對比

2.2 吊籠吊耳強度校核及結果分析

經SACS計算得到，吊耳4受力最大，為40.81kN。ANSYS數值計算結果見圖6。吊耳采用D36船用鋼，屈服強度為355 MPa，安全系數取0.6，即校核屈服強度為213 MPa。由圖6得到，吊耳最大等效應力為80.026 MPa＜213 MPa，滿足作業需求。

圖6 吊耳等效應力云圖/MPa

上述設計的偏心吊籠完全符合工程要求。偏心吊籠配重塊設計質量為5.11 t，裝載物設計質量為1.2 t，設計的吊籠整體允許傾斜角度為±2°。

3 吊籠吊裝試驗驗證

建造完成后的偏心吊籠實際尺寸為11.02m（長）×1.36 m（寬）×1.2 m（高），吊籠質量為2.94 t。采用3塊約1.65 t的鋼塊作為配重塊，采用長約6.3 m的DN500×15 mm的鋼管模擬腳手架桿載荷重，進行吊籠試驗。試驗結果如下：

（1）空載時配重質量5 t，起吊離地后懸空靜置10 min，通過了吊裝試驗驗證。試驗中吊籠的一側傾斜距離約為0.3 m，計算傾斜角度約為-1.56°。

（2） 滿載時配重質量5 t，裝載物質量1.15 t，起吊離地后懸空靜置10 min，通過了吊裝試驗驗證。試驗中吊籠的一側傾斜距離約為0.35 m，計算傾斜角度約為1.82°。

4 結束語

經過試驗，中國船級社CCS認證該吊籠在配重質量5 t時，可偏心裝載質量1.1 t，滿足了場地工程建造的需求。