超深水海洋鉆井平臺中海洋折臂吊的應(yīng)用

任新溫，王文臣

（中國石油集團海洋工程有限公司鉆井工程事業(yè)部,天津 300280）

伴隨著浮式超深水鉆井平臺的逐步發(fā)展，傳統(tǒng)的起貨吊機已經(jīng)無法與鉆井作業(yè)需求相適應(yīng)，此時海洋折臂吊孕育而生，在近幾年其技術(shù)水平不斷深化，已經(jīng)被廣泛運用于超深水作業(yè)中。

1 超深水海洋鉆井平臺中海洋折臂吊的概述

縱觀當(dāng)下各大超深水作業(yè)平臺，其采用的大多為雙折臂吊結(jié)構(gòu)的設(shè)備，非異常狀況下工作載荷最大可達600t。引入先進的電 液驅(qū)動機制，在提升起吊工作載荷的同時還具有高度的靈活性，所需占用的空間小，帶來顯著的作業(yè)效率。

超深水作業(yè)海洋折臂吊具備如下主要功能：（1）輔助完成水下管線的鋪設(shè)，實現(xiàn)起吊作業(yè)；（2）在開敞性海域中，通過起吊實現(xiàn)材料以及設(shè)備的輸送；（3）輔助推進器的維修；（4）屏蔽海區(qū)港口及碼頭起吊作業(yè)；（5）作業(yè)人員上下平臺人員吊運作業(yè)；（6）鉆井過程中隔水套管起吊作業(yè)；（7）鉆桿起吊作業(yè)。

2 超深水作業(yè)海洋折臂吊的組成及作用

基座為設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)，回轉(zhuǎn)裝置提升了設(shè)備的運行效率，變幅油缸等液壓裝置增強起吊載荷，起升以及折臂等結(jié)構(gòu)增強了設(shè)備運行的靈活性，減少對空間的消耗，此外還配備了防撞控制等系統(tǒng)，為設(shè)備的運行創(chuàng)造了安全穩(wěn)定的環(huán)境。在海洋折臂吊運行過程中，其電力需求來源于主船體，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

單人操作椅是實現(xiàn)人與設(shè)備交互的途徑，作業(yè)者可以通過操作椅實現(xiàn)對設(shè)備的控制。控制室采用模塊化設(shè)計，進而提升了吊裝靈活性，在減震器的作用下實現(xiàn)與吊機的連接?？刂剖彝L(fēng)性能良好，配備了手動門以及側(cè)窗等結(jié)構(gòu)，提升了采光量，內(nèi)部的雨刮器等結(jié)構(gòu)可以起到清潔作用。監(jiān)測系統(tǒng)可以對液壓絞車的溢流壓力進行測定，并反饋至恒張力系統(tǒng)，將其調(diào)節(jié)至合理范圍。為了提升設(shè)備的安全性，采用了應(yīng)急停機機制，此外還使用了聲光報警系統(tǒng)，一方面可以在控制室內(nèi)啟動應(yīng)急模式，另一方面就地應(yīng)急按鈕也能實現(xiàn)此功能。海洋折臂吊的運行模式大體可劃分為2種，在轉(zhuǎn)換開關(guān)的作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)正常與應(yīng)急兩種模式之間的切換。當(dāng)設(shè)備處于正常作業(yè)模式時，設(shè)備的各類運行動作均可由手柄與按鈕進行操控；若設(shè)備處于應(yīng)急模式，手柄可以實現(xiàn)單獨的動作控制，此模式廣泛運用于傳感器異常等場景。

圖1 海洋折臂吊外形圖

3 超深水作業(yè)海洋折臂吊系統(tǒng)介紹

（1）提升卷筒系統(tǒng)。以滾筒為核心，配備鋼絲繩以及滑輪組，這便是提升卷筒的主要構(gòu)件。恒張力裝置可以穩(wěn)定泵排量，以此確保驅(qū)動功率穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)；負荷探測閥能夠?qū)毫M行分析，并以此為基礎(chǔ)對泵排量進行調(diào)整。在海上浮態(tài)作業(yè)環(huán)境下，受海浪的影響海面穩(wěn)定性不足，在主驅(qū)動裝置的引領(lǐng)下，配合使用恒張力裝置，可以對鋼絲繩的松緊狀態(tài)進行調(diào)節(jié)。在起吊重物時，若達到合適高度，此時主驅(qū)動裝置停止工作，并隨即啟動恒張驅(qū)動裝置，鋼絲繩在絞車滾筒的調(diào)控下處于拉緊狀態(tài)。若波浪運動幅度大，為了增強吊鉤重物的穩(wěn)定性，作業(yè)者可以對設(shè)備發(fā)出 提升 指令，此時驅(qū)動控制器將會分析現(xiàn)場環(huán)境并確定合適的起升點。如果絞車滾筒的運動與起升方向保持一致，那么當(dāng)該過程的向上轉(zhuǎn)速趨近于 零 狀態(tài)時，將會停止恒張力裝置的運行，而后由驅(qū)動裝置完成重物提升作業(yè)。

（2）操作控制和監(jiān)測系統(tǒng)。控制與檢測系統(tǒng)是吊機的核心組件，而吊機要想實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的作業(yè)，還應(yīng)輔助使用CCR主控、危險物質(zhì)檢測系統(tǒng)等。在非異常情況下，吊機內(nèi)外部均為安全作業(yè)區(qū)域，而吊臂的端部則屬于危險作業(yè)區(qū)域。

（3）電氣系統(tǒng)。諸如油泵馬達、電滑環(huán)等均是設(shè)備電氣系統(tǒng)的重要組成部分。各類燈具在電氣系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的作用：障礙燈位于吊臂的最頂部位置；泛光燈位于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)處，可以實現(xiàn)對甲板的高強度照明；強光燈位于吊臂頭部，可以實現(xiàn)對貨物的跟蹤處理。此外還應(yīng)在引入CCTV系統(tǒng)，以此提升操作者的監(jiān)控效率。

（4）主動波浪補償系統(tǒng)。在一些深水作業(yè)中，受到潮汐以及浮力等因素的影響，繩索以及重物的穩(wěn)定性普遍偏弱，此時主動波浪補償系統(tǒng)可以削弱波動性，創(chuàng)造較為穩(wěn)定的環(huán)境。實際經(jīng)驗表明，如果水深大于200m，船舶姿態(tài)將會與水下負載運動形成較大差別，嚴(yán)重時還會出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。基于補償裝置的特性，可以控制繩索的張力，緩解沖擊現(xiàn)象。

受海浪的影響，重物表現(xiàn)出明顯的橫、豎向搖動以及垂蕩現(xiàn)象，基于主動波浪補償系統(tǒng)，可以均衡三者的恢復(fù)力矩，使其處于正常范圍內(nèi)。受現(xiàn)場海況的影響，系統(tǒng)對應(yīng)的環(huán)境參數(shù)將會隨即發(fā)生改變，具體如表1。

表1 主動波浪補償環(huán)境參數(shù)

（5）隔水套管、鉆桿抓管器連接器系統(tǒng)。液壓膨脹接頭是完成隔水套管起吊作業(yè)的核心構(gòu)件，當(dāng)該裝置處于收縮狀態(tài)時，將會延伸至隔水管內(nèi)壁，并運用膨脹壓緊的方式增強彼此之間的摩擦程度，最終將隔水管順利吊起。鉆桿起吊作業(yè)是基于抓管器實現(xiàn)的，并在液壓鎖緊裝置的作用下提升吊具的鎖緊程度，避免鉆桿出現(xiàn)松動現(xiàn)象。

4 超深水作業(yè)海洋折臂吊的布置

以海洋鉆進工程規(guī)劃為總體指導(dǎo)，應(yīng)當(dāng)充分確保吊機覆蓋面積能夠滿足工程作業(yè)需求，首先需要確定好鉆井平臺所需的吊機數(shù)量以及最大工作半徑，同時明確當(dāng)處于不同半徑時設(shè)備對應(yīng)的起吊重量。而后參考相關(guān)規(guī)范，明確各吊機對應(yīng)的起升與回轉(zhuǎn)速度，以此獲悉吊機的實際工作水平。最后，以吊機最大工作半徑為基準(zhǔn)，其作業(yè)范圍應(yīng)當(dāng)覆蓋所有的吊裝區(qū)域，不可出現(xiàn)工作死角。作為平臺建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，折臂吊的布局應(yīng)當(dāng)充分考慮設(shè)備制造等方面的因素。

海洋折臂吊可以直接放置在露天甲板上，應(yīng)當(dāng)充分考慮吊車的作業(yè)高度，增強二者的協(xié)同性，并開辟相應(yīng)通道以便人員與設(shè)備的流動。其具體布置示意圖如圖2。

5 超深水作業(yè)海洋折臂吊的基座及船體底座強度較核

圖2 海洋折臂吊在鉆井平臺上的參考布置圖

事實上，海洋折臂吊安裝位置的作用載荷涉及的內(nèi)容較多，除了折臂吊的自重外，還應(yīng)包括彎矩風(fēng)載荷等。當(dāng)冰雪載荷與船體彎矩載荷發(fā)生作用時，便會引發(fā)船體變形現(xiàn)象，此外船舶還將出現(xiàn)橫縱向的傾斜現(xiàn)象。通常，基座自重大多為500t左右，在設(shè)計時需要以DNV海工范圍為基準(zhǔn)展開校核工作，明確其疲勞強度，具體可參見圖3。

圖3 海洋折臂吊的基座及船體底座強度較核圖

6 發(fā)展趨勢

伴隨著海洋鉆進作業(yè)的深度進步，超深井作業(yè)對設(shè)備的綜合性能提出了更高層次的要求。折臂吊是其中的重要作業(yè)設(shè)備，它可與排管機械手等設(shè)備形成聯(lián)動效應(yīng)，將鉆進作業(yè)提升至自動化水平。隨著技術(shù)的進步，折臂吊的作業(yè)范圍正在逐步提升，承載水平也顯著進步，產(chǎn)品已經(jīng)具有多樣化的特性。

7 結(jié)語

綜上所述，超深水海洋鉆井平臺中，海洋折臂吊發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用，在使用中需掌握其關(guān)鍵技術(shù)，選擇合適的安裝位置，充分發(fā)揮其應(yīng)有的價值，更好地為超深水海洋鉆井行業(yè)服務(wù)，提升其工作效率。