400 t海工吊機(jī)設(shè)計(jì)及安裝調(diào)試研究

王玲奇

（上海船廠船舶有限公司，上海 202150）

0 引言

海工吊機(jī)通常是指在安裝在海上平臺(tái)或船舶的吊機(jī)，用于材料或人員在各平臺(tái)間轉(zhuǎn)運(yùn)。它是作業(yè)平臺(tái)上重要的生產(chǎn)和安全設(shè)備，與陸用起重機(jī)相比，需要抵御惡劣的海上環(huán)境，設(shè)計(jì)的安全系數(shù)會(huì)高很多，且各部件的材質(zhì)需要更強(qiáng)的耐腐蝕性能。下文將以400 t海工吊機(jī)為例，從設(shè)計(jì)、布置、安裝調(diào)試來闡述海工吊機(jī)的基本特征、施工要點(diǎn)及不同型式吊機(jī)的優(yōu)劣對(duì)比。

1 設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)將從總體概述、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及條件、技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)組成、系統(tǒng)組成這幾方面來闡述。

1.1 總體概述

400 t純電式海工吊機(jī)（以下簡(jiǎn)稱：吊機(jī)）是上海船廠鉆井駁項(xiàng)目上用于轉(zhuǎn)移 DES設(shè)備到海上固定鉆井平臺(tái)的吊機(jī)，并且具備載人功能，該吊機(jī)形式為API SPEC 2C規(guī)范[1]里典型的鋼絲繩變幅桁架式吊臂起重機(jī)，與同樣作為中大型吊重起重機(jī)的將軍柱桁架式吊臂起重機(jī)相比，技術(shù)較為成熟，價(jià)格也更加便宜，廣泛應(yīng)用于海工項(xiàng)目中，但缺點(diǎn)也是顯而易見的，將軍柱型吊機(jī)設(shè)置有上下2個(gè)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，無需把配重或較重的機(jī)器房設(shè)計(jì)在尾部，尾部的回旋半徑更小，同時(shí)雙回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的可維護(hù)性、精準(zhǔn)吊重都比回轉(zhuǎn)支承式吊機(jī)好。400 t海工吊機(jī)的另一個(gè)主要特征是純電動(dòng)力吊機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)相較于電液或柴液形式作為動(dòng)力單元有著許多優(yōu)點(diǎn)，它能實(shí)現(xiàn)更精確的操作，維護(hù)更簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境也更加友好，缺點(diǎn)是對(duì)母船供電系統(tǒng)要求有所提高，價(jià)格也較貴一些。在達(dá)到設(shè)計(jì)要求的情況下，對(duì)吊機(jī)配置及形式的選擇更多需要船東進(jìn)行綜合考慮。

1.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及條件

該吊機(jī)入級(jí)ABS船級(jí)社，按海上平臺(tái)起重機(jī)規(guī)范（API SPEC 2C）[1]和ABS規(guī)范[2]設(shè)計(jì)，參考鋼結(jié)構(gòu)建造手冊(cè)（AISC 13th）[4]、美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范（AWS D1.1，2002）[5]、海上移動(dòng)和固定平臺(tái)電氣安裝規(guī)范（IEC 61892，2001-12）[6]、機(jī)械電氣安全要求（IEC 60204，2005-05）[7]。設(shè)計(jì)條件見表1。

表1 設(shè)計(jì)條件

1.3 技術(shù)參數(shù)

基本技術(shù)參數(shù)見圖1。

圖1 基本技術(shù)參數(shù)

1.4 結(jié)構(gòu)組成

該吊機(jī)主要結(jié)構(gòu)形式有：1）筒體；2）回轉(zhuǎn)平臺(tái)；3）吊臂；4）駕駛室；5）A架。布置見圖1。

1）吊機(jī)固定筒體為圓筒形鋼結(jié)構(gòu)，下方與船體基座焊接，內(nèi)部維護(hù)平臺(tái)中心位置設(shè)有集電環(huán)裝置（SLIP RING），側(cè)邊設(shè)有人孔，通過直梯可從下方船體結(jié)構(gòu)進(jìn)入吊機(jī)，筒體外部亦設(shè)有平臺(tái)，通過斜梯連至船上通道。

2）回轉(zhuǎn)平臺(tái)采用板梁結(jié)構(gòu)，上面布置有主鉤起升絞車、輔鉤起升絞車、俯仰絞車、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、A架、液壓?jiǎn)卧婉{駛室等，平臺(tái)通過螺栓固定在吊機(jī)筒體的法蘭面上。

3）吊臂采用的是桁架式結(jié)構(gòu)，這也是目前大中型海工吊機(jī)應(yīng)用最廣泛的吊臂形式，相對(duì)于小型海工吊的箱梁形式，這種結(jié)構(gòu)受風(fēng)面積更小，結(jié)構(gòu)輕巧。吊臂桁架與主管采用焊接形式，前中后3段吊臂分段采用法蘭螺栓連接，內(nèi)部布置有檢修平臺(tái)，前端設(shè)有主鉤鉤箱。

4）駕駛室布置在回轉(zhuǎn)平臺(tái)右前方，為四面全景窗全封閉型，加上空調(diào)通風(fēng)，環(huán)境舒適，隔音效果較好。配合吊機(jī)上的CCTV監(jiān)視系統(tǒng)，具有良好的視野，前窗設(shè)有雨刮及除霧裝置，室內(nèi)布置有操作裝置和通訊廣播設(shè)施。

5）A架布置于回轉(zhuǎn)平臺(tái)后方，支撐腳插入回轉(zhuǎn)平臺(tái)預(yù)留的眼板位置后，使用銷軸進(jìn)行固定，A架頂部設(shè)有變幅滑輪組，變幅鋼絲繩穿過輪滑組連至吊臂，此外A架上設(shè)有吊臂緩沖器、維修單梁吊、風(fēng)袋燈，吊臂緩沖器可以防止吊臂變幅超過限定角度。

1.5 吊機(jī)系統(tǒng)

吊機(jī)的主要系統(tǒng)包含：1）動(dòng)力系統(tǒng)；2）回轉(zhuǎn)系統(tǒng)；3）起升系統(tǒng)；4）變幅系統(tǒng)；5）液壓系統(tǒng)；6）電氣系統(tǒng)；7）安全系統(tǒng)等。

1）吊機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)主要由若干個(gè)變頻電機(jī)組成，通過它們來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行吊機(jī)的提升、回轉(zhuǎn)、變幅3個(gè)基本動(dòng)作，其中1個(gè)551 kw電機(jī)驅(qū)動(dòng)主鉤起升絞車、1個(gè)160 kw電機(jī)驅(qū)動(dòng)輔鉤起升絞車，1個(gè)401 kw電機(jī)驅(qū)動(dòng)變幅絞車，5個(gè)（4用1備）78 kw電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，變頻電機(jī)較液壓形式吊機(jī)，減少了變速箱，液壓油柜，體積更小，對(duì)能耗能進(jìn)行有效的利用，母船可根據(jù)實(shí)際工況減少發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)量。

2）回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由回轉(zhuǎn)支承機(jī)構(gòu)和5個(gè)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)、制動(dòng)器、回轉(zhuǎn)小齒輪、液壓附件等組成，回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)整體與上筒體固定連接，小齒輪則與下筒體上的支承機(jī)構(gòu)上大齒輪嚙合，當(dāng)小齒輪工作時(shí)，整個(gè)上筒體與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)被動(dòng)回轉(zhuǎn)，本吊機(jī)可實(shí)現(xiàn)360°無限制回轉(zhuǎn)。

3）起升系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、制動(dòng)器、卷筒組、鋼絲繩、滑輪組等部件組成，主鉤與輔鉤的起升系統(tǒng)相互獨(dú)立，鋼絲繩從絞車卷筒出發(fā)，通過若干滑輪組，最終連接至吊鉤模塊，滑輪組的組數(shù)由起升鋼絲繩的倍率決定，主鉤鋼絲繩為4繩倍率（8 FALL），輔鉤鋼絲繩為單繩倍率（2 FALL），絞車卷筒采用籬笆式線槽（LEBUS），此技術(shù)的采用使得鋼絲繩具有卷繞合理、均勻、高效、可靠、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

4）變幅系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、卷筒組、制動(dòng)器、鋼絲繩、滑輪組、浮動(dòng)系繩器（BRIDLE）、吊臂支撐機(jī)構(gòu)組成，鋼絲繩從變幅絞車卷筒出發(fā)，通過A架頂部滑輪組，連至浮動(dòng)系繩器，最后連到吊臂支撐機(jī)構(gòu)。鋼質(zhì)卷筒同樣采用先進(jìn)的籬笆式線槽，變幅系統(tǒng)中裝有鎖定功能，當(dāng)馬達(dá)失效時(shí)，絞車上的棘輪和棘爪機(jī)構(gòu)即會(huì)鎖定，用于防止吊臂意外降落。浮動(dòng)系繩器在吊臂上設(shè)有專門的待機(jī)停靠平臺(tái)，以減輕鋼絲繩的負(fù)荷。

5）液壓系統(tǒng)包含了液壓?jiǎn)卧℉PU）和液壓管路等，在純電式吊機(jī)中的液壓系統(tǒng)只執(zhí)行一些附屬功能例如剎車、回轉(zhuǎn)定位銷、5 t牽引絞車等，相比其他液壓型式吊機(jī)，液壓系統(tǒng)要小得多，液壓?jiǎn)卧撞客瑯釉O(shè)置了防污染實(shí)施，污油水可通過放泄管進(jìn)入母船的污泥艙。

6）安全系統(tǒng)包含吊本身的安全系統(tǒng)和船員保護(hù)設(shè)施，吊機(jī)本身設(shè)置了眾多安全措施，包括駕駛室聲光警報(bào)、操作手柄錯(cuò)誤動(dòng)作保護(hù)、吊鉤上下限位、吊臂最大最小變幅角度限位、負(fù)載指示系統(tǒng)和自動(dòng)安全保護(hù)、所有液壓管系和超載保護(hù)安全閥、所有動(dòng)作的剎車系統(tǒng)、主輔鉤和吊臂的應(yīng)急下放系統(tǒng)、應(yīng)急旋轉(zhuǎn)操作、吊臂下放鎖定裝置、油位油溫報(bào)警、煙探頭、應(yīng)急停止開關(guān)等等，特別值得一提的是主輔鉤起吊和吊臂變幅都配備了電液推桿制動(dòng)和液壓帶剎兩種剎車，使安全系數(shù)達(dá)到 2。吊臂處的防爆等級(jí)按船級(jí)社ZONE1設(shè)計(jì)，能有效保證吊臂使用過程中即使進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，電氣設(shè)備也不會(huì)觸發(fā)爆炸。人員安全包含包括通道護(hù)欄、護(hù)籠、踢腳板、防墜螺絲的設(shè)置。

7）電氣系統(tǒng)，母船通過集電環(huán)箱供應(yīng)3路電源、1路接地及若干信號(hào)線到吊機(jī)，集電環(huán)箱可360°無限制回轉(zhuǎn)，1路高壓690 V供應(yīng)起升、變幅、回轉(zhuǎn)、液壓馬達(dá)、液壓剎車和通風(fēng)裝置，1路低壓230 V供應(yīng)空調(diào)，控制及照明，1路應(yīng)急230 V供應(yīng)控制、風(fēng)袋燈和航空警示燈。信號(hào)線涵蓋廣播及通用報(bào)警、工業(yè)對(duì)講系統(tǒng)，直升機(jī)甲板燈光控制信。此外吊機(jī)上也設(shè)置了剎車電阻，防止逆電流對(duì)電氣系統(tǒng)的損害。

1.6 布置

吊機(jī)的布置需要考慮起吊模塊的重量、吊運(yùn)距離、船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)性等，舷內(nèi)和舷外的安全工作載荷也有所不同，為了發(fā)揮最大起吊能力，吊機(jī)通常布置在舷側(cè)甚至突出船體結(jié)構(gòu)，本船400 t吊機(jī)布置于左舷側(cè)中后位置，通過對(duì)各DES模塊的重量和體積在甲板面上排列布置，模擬不同吊運(yùn)距離下各DES模塊的吊運(yùn)至舷外鉆井平臺(tái)的過程，吊機(jī)負(fù)荷表完全滿足工作需求，船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)性計(jì)算亦滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

2 安裝調(diào)試

2.1 安裝準(zhǔn)備

吊機(jī)在安裝之前需要把準(zhǔn)備工作都做完全，確保一次安裝交驗(yàn)成功。

1）吊機(jī)座部分按廠商給出的分界面受力大小和坡口形式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)并施工交驗(yàn)完，內(nèi)外部梯道平臺(tái)安裝到位，分界面坡口也可根據(jù)船廠實(shí)際施工慣例予以協(xié)商，但需核實(shí)不超出雙方現(xiàn)有WPS范圍。

2）廠商下筒體與基座對(duì)接全焊透后進(jìn)行無損檢測(cè)，下筒體頂部法蘭面需進(jìn)行機(jī)加工，達(dá)到廠商要求的平整度和傾斜度范圍。

3）吊臂擱架按廠商給出的受力及受力位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并安裝到位，此處需要注意的是吊臂擱架所使用的管材往往無船級(jí)社證書，但作為結(jié)構(gòu)件，ABS需要對(duì)性能進(jìn)行檢驗(yàn)，所以在制作吊臂擱架前，需在船廠先進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)（CVN），沖擊溫度和能量按規(guī)格書給出的結(jié)構(gòu)最低溫度和船級(jí)社規(guī)范進(jìn)行。

4）吊臂前中后3段在地面裝配拼接并使用法蘭螺栓進(jìn)行連接，螺栓使用扭力扳手對(duì)角依次緊固，扭力值達(dá)到廠商設(shè)定值。

5）A架散件按廠商圖紙拼裝成A型結(jié)構(gòu)，A架上的平臺(tái)通道等附屬件也盡量在地面拼裝完成。

2.2 安裝

1）回轉(zhuǎn)平臺(tái)模塊吊運(yùn)至筒體上方，吊臂安裝方向?qū)?zhǔn)吊臂擱架，緩慢落下直至導(dǎo)向銷進(jìn)入對(duì)應(yīng)導(dǎo)向孔，其余雙頭螺栓按對(duì)角順序依次固定，最后使用氣動(dòng)螺栓張緊器緊固，扭矩值和螺栓拉伸量也需達(dá)到廠商要求值。下筒體上4個(gè)回轉(zhuǎn)固定銷孔結(jié)構(gòu)根據(jù)上方銷的位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整后燒焊固定。

2）A架吊運(yùn)至回轉(zhuǎn)平臺(tái)上方，緩慢落下，待4個(gè)支撐腳進(jìn)入相應(yīng)的插槽，使用銷軸固定。

3）吊臂吊運(yùn)至回轉(zhuǎn)平臺(tái)前方，橫向緩慢移動(dòng)，待2個(gè)跟部樞軸進(jìn)入插槽后，使用銷軸固定，輔助吊車?yán)^續(xù)牽引吊臂，直至吊臂在吊臂擱架上停放妥當(dāng)。

4）母船電纜按接線圖連至集電環(huán)處，液壓油及各部件潤(rùn)滑油脂投放妥當(dāng)后，完成簡(jiǎn)單功能測(cè)試和各絞車無負(fù)荷試車工作。

5）由細(xì)白棕繩牽引細(xì)鋼絲繩，最后連至變幅/起吊鋼絲繩，按穿繩示意圖進(jìn)行穿引，啟動(dòng)絞車，緩慢收繩直至變幅/起吊鋼絲繩卷入相應(yīng)的絞車滾筒中。本吊中的穿繩工作是在空中進(jìn)行，如果吊機(jī)噸位較小，可與生產(chǎn)商協(xié)商先在地面完成整體組裝和穿繩工作，然后整體吊至筒體基座安裝，這樣可減少很多不必要的安全隱患。

6）安裝主輔吊鉤及其他一些配件。

2.3 調(diào)試

1）預(yù)檢查機(jī)械安裝完整、電氣安裝完整、油脂加注狀況、安全措施完整等。

2）進(jìn)行各附屬組件，剎車、限位、電氣控制等的功能測(cè)試。

3）進(jìn)行不同載荷下變幅、回轉(zhuǎn)、主輔鉤起升速度、主輔鉤超載（110%SWL）試驗(yàn)。

4）附屬功能如應(yīng)急降落、載人功能試驗(yàn)、回轉(zhuǎn)銷鎖定測(cè)試、牽引絞車、噪聲測(cè)試等。

3 結(jié)論

海工吊機(jī)因作業(yè)內(nèi)容、船東要求的不同，配置和布置各不相同，但只要還是按主流海工起重機(jī)規(guī)范設(shè)計(jì)的吊機(jī)，整體框架還是一致的，只是各個(gè)模塊隨著技術(shù)的更新或船東的要求在不斷的更新更換，把握好這一點(diǎn)，相信在今后的海工吊機(jī)選型、設(shè)計(jì)及安裝調(diào)試工作中，能更加游刃有余，有的放矢。