單點系泊系統塔體結構SPMT模塊車運輸分析

郭 寧, 張 剛, 邵志坤

(海洋石油工程股份有限公司建造事業部,青島 266520)

0 引 言

單點系泊系統作為一種成熟的海上油氣生產處理、貯存和轉運技術，已在歐美國家廣泛使用。隨著中國的深海戰略與海洋強國建設的推進與實施，單點系泊系統在中國也逐漸被采用。不同于常規的模塊或者船體結構，單點系泊系統多為圓筒形的塔體結構，直徑多小于20 m，但內嵌有大型軸承及鍛件結構，其特點是截面尺寸較小，噸位較大，因此在建造施工階段，該種大噸位的筒狀結構的運輸作業成為了一個難題。常用的普通液壓平板車運輸能力一般小于塔體分段重量，無法起運。自行式模塊運輸車(self-propelled modular transporter, SPMT)模塊化運輸車可以通過多軸線、多掛車輛拼裝組合的方式來達到所需要的運輸能力，但是受限于塔體底部所能頂撐的截面尺寸較小，如果使用太長的拼接車板，則會使車板因受力過于集中而出現較大撓度變形。本文以國內某單點系泊結構建造施工階段，下塔體結構使用三掛六軸線SPMT模塊車組成三角形排布的方式成功實施運輸作業為例，闡述了圓筒形單點塔體結構使用SPMT模塊車的方法及關鍵技術點，為海工運輸作業提供借鑒。

1 被運塔體結構概況

如圖1所示，被運輸的塔體結構為單點系泊系統的下塔體分段，為大口朝下的椎體結構，下口直徑約為17 m，上口直徑約為7 m，高度約為10 m，總重量約為400 t，塔體底部有6個平底面(每個尺寸為1.2 m×1.8 m)為SPMT模塊車可頂運支撐的平面，其余底部區域有管線法蘭探出，無法作為SPMT模塊車頂運的支撐點。該6個平底面上部結構為海底錨鏈在單點系泊系統上的生根點，為整個塔體結構強度最大的部分。經核算，可滿足SPMT模塊車運輸頂撐的強度需求。

(a)

(b)

2 配車設計

2.1 配車整體規劃

SPMT模塊車常規運輸為多掛車平行對齊排列，該方式易于定位設置坐標，易于行走轉彎校核，易于分組編點。然而對于該塔體結構，平行對齊布車的方式卻不適用，SPMT模塊車能夠頂撐的位置只有塔體周邊分布的6個平底面，中間區域為探出的管線法蘭，SPMT模塊車無法直接跨越。因此，根據這6個平底面的幾何分布，最合理的布車方式就是按照如圖2所示的方式，即三掛六軸線呈等邊三角形排布，每掛車帶一個動力單元(power pack unit, PPU)。使用三角形排布的方式，存在分組編點困難、定位設置坐標煩瑣、行走轉彎核算復雜等問題。此外，單獨使用一個6軸線連接PPU進行運輸作業，還要考慮PPU自重對液壓系統產生的不均影響。

圖2 SPMT模塊車布車示意Fig.2 SPMT Arrangement General View

初步確定布車方式后，要先核算SPMT模塊車的整體運輸能力是否滿足要求，這是開展后續方案設計的基礎。如表1所示，經核算使用三掛六軸線(共計18軸線)，整體運輸能力利用率為70%，滿足小于80%的要求。而每根軸線的軸載利用率，需要在確定分組編點及車體準確定位后再進一步核算。

表1 SPMT模塊車整體運輸能力利用率[2]

說明： 表中，單個PPU自重7.2 t；每根軸線車體自重4 t；每根軸線運輸能力為40 t。

2.2 SPMT模塊車分組編點

本次運輸使用三掛六軸線車板，成三角形排布，相互之間無法進行剛性連接固定，需要依靠塔體壓在車板上產生的靜摩擦力來實現車板之間的相對固定。并且該單點塔體結構的海上在位工作狀態是靠三組海底錨鏈來實現錨固的，而本次運輸頂撐的三個位置正好是三組止鏈器裝置在塔體上安裝的位置(見圖3)，塔體所設計的結構更適合三點受力。

綜上所述，三點支撐相對于四點支撐更適于該塔體結構的運輸。

圖3 單點塔體止鏈器安裝位置Fig.3 Chain connectors installation position

采用三點支撐，即18根軸線劃分成3個分組，每個分組6根軸線，同一分組內的所有懸掛液壓連通。以本運輸為例，三點支撐有兩個可選方案(見圖4)。

方案一： 每掛車自成一個分組。

方案二： 每掛車的車頭前3根軸線與相鄰車的車尾后3根軸線分編程一組。

(a)

(b)

方案一分析： 單掛六軸線自成一組，內部所有懸掛液壓相同，懸掛對車板的合力F0作用在車板的長度中心，如果貨物對車板的合力F3偏離車板的長度中心ΔL，則兩個力大小相等，方向相反，會對車板形成一對力偶M，其大小為

M=F3×ΔL

(1)

F3=F0

(2)

如圖5所示，該力偶會使車體有向偏重一側傾斜的趨勢，這種車體的傾斜會導致偏重一側液壓油流向偏輕一側；由于所有懸掛內部液壓連通，每個懸掛的油壓全部相同，使車體傾斜的力偶M無法被平衡或消除，車體會存在傾翻的可能，因此方案一的分組方法并不安全。

圖5 編點分組方案一車板受力分析Fig.5 Force diagram for trailer of suspension mode option 1

方案二分析： 如圖6所示，每掛車在中心位置被分割成兩個分組，貨物對車板的合力F3大體在車板長度中心位置存在一定的偏心，因此車板兩端靠不同的兩組液壓懸掛支撐，每組懸掛支撐的合力F1和F2分別作用于兩端1/4車板長度位置。

圖6 編點分組方案二車板受力分析Fig.6 Force diagram for trailer of suspension mode option 2

編點分組方案二可簡化成如圖7所示的力學模型，塔體結構對車板的合力F3作用于兩組懸掛支撐力F1和F2之間，每組液壓懸掛會根據各自分擔的負載大小，提供不同的支撐力，以實現車體的平衡。

圖7 編點分組方案二車板受力力學模型Fig.7 Mechanical model for trailer of suspension mode option 2

根據受力平衡原理,兩組支撐力F1和F2可通過式(3)得到

(3)

兩組懸掛會對車板兩側提供支撐以保證車體不會發生大幅度的傾斜，由于兩個分組之間的液壓不連通，因此不會發生液壓油流向傾斜一端的情況。通過上式可知，塔體結構對車板的合力F3不能偏心過大，如果偏心過大，會造成兩個分組之間的油壓差過大，需要重新調整編點分組方式。

綜上分析可知，在現實中很難將貨物對車板的作用合力與車板中心重合，而方案二的編點分組方式對貨物小幅度的偏心誤差不太敏感，因此方案二更加安全可靠。

2.3 SPMT模塊車排布定位

使用單獨的六軸線SPMT模塊車加動力單元運輸作業時，動力單元的自重會增加其一側分組的負載，如果軸載較大甚至接近額定軸載，再加上動力單元自重GPPU的作用，會存在軸載超過額定載荷的可能，因此動力單元的自重不可忽略。根據2.1節的計算，本次運輸整體軸載利用率超過70%，考慮到偏心、動荷載等因素，個別軸線的軸載利用率會很高，動力單元的自重的影響不可忽略，需要采用合理的排布定位將動力單元的自重的影響降到最低。

如圖8所示，動力單元安裝在分組1一側，采用3/3分組。在空載的情況下，分組1懸掛內的油壓會高于分組2，因此需要使塔體重量荷載的合力F3作用點稍偏向于分組2(偏移量為ΔL)，以此來抵消動力單元自重帶來的油壓不均衡。即塔體重量荷載F3和動力單元自重荷載GPPU的合力作用點正好位于車板中心，與車板自重Gcb的重心位置重合；并且如果兩個分組內油壓相同，則地面對所有懸掛的支撐合力Fs作用點也位于車板中心。根據力矩平衡原理，可得

圖8 單掛六軸線帶動力頭受力分析Fig.8 Force diagram for trailer of 6-axle with PPU

F3×ΔL=GPPU×(2.32+4.2)

(4)

解得

(5)

以本塔體運輸作為案例，塔體和運輸框架總重量為413 t，重心位置幾乎與塔體形心位置重合，因此每掛車受到塔體重量荷載：

(6)

動力單元自重：

GPPU=7.2 (t)

(7)

將式(6)和式(7)代入式(5)，解得

ΔL=0.341 (m)

(8)

即將塔體重量荷載F3的作用點從車板中心向遠離車頭方向偏移0.341 m， SPMT模塊車排布定位如圖9所示。

圖9 車板排布定位示意Fig.9 Trailer Layout Details

如圖10所示，本案例中實際的塔體運輸作業按照上述排布定位，運輸時三個分組懸掛內油壓分別為17.1 MPa、 17.3 MPa、 17.2 MPa，每個分組承擔的塔體重量幾乎相等，且小于懸掛內油壓最大允許值25 MPa，考慮到油壓計算負載利用率為69%，與2.1節中表1理論計算的整體運輸力能利用率70%的數值偏差量僅為1%。

(a)

(b)

2.4 行走轉彎校核

不同于常規平行對齊排布的布車方式，本次運輸中三掛車體成等邊三角形排布，在不同方向上最大輪廓尺寸大體相同；并且由于單個車輪轉向角度為-100°～+130°(每個車輪可以實現朝任意方向行走)，車體可以在整體朝向角不變的條件下，可以朝任何方向行駛；因此在遇到任何角度的拐彎路口時，車輛和貨物整體無須做任何轉向或者旋轉，而只須直接平移行走即可。為了調整塔體最終落地就位的朝向角度，須要繞塔體中心自轉一定角度，由于單個車板的旋轉圓心可以從車板中心到無窮遠，因此該種布車可以實現繞塔體的自轉。經計算，平移行走路徑的清障寬帶為19 m；進行繞心旋轉時，需要清障的區域為直徑為27 m的圓(自轉直徑為25 m， SPMT不可能實現絕對精準的繞心旋轉，需要增加2 m的裕量)，如圖11所示。

此外，還要校核運輸過程中的靜態穩定角和動態穩定角，核算是否要捆扎。具體校核方法與常規

(a)

(b)

的平行布車方式相同，因此不再贅述。

3 結 語

本文針對某已順利實施的單點系泊系統的塔體結構，使用SPMT模塊車運輸實例進行分析總結，得出如下結論：

(1) 常規單點系泊系統的塔體結構多為筒體或椎體結構，塔體直徑通常不大(多為20 m左右，本實例中的塔體最大直徑為17 m)，宜采用三掛六軸線成三角形的布車方式進行運輸作業。

(2) 如果采用三掛六軸線排列成三角形的布車方式，宜采用三點支撐的編點分組方式，但是要避免將一個單獨的六軸線車板編點成一個分組，以避免車輛傾斜的風險，提高運輸穩定性。

(3) 單獨的六軸線車板如果掛載動力單元，則動力單元的自重會加大不同分組內的油壓差，可以根據理論計算結果，微調塔體結構對車板作用點的位置來抵消動力單元自重帶來的油壓不均衡。

(4) 三角形布車方式，可以朝任意方向平移行走，也可進行整體繞心自轉，需要先明確平移行走時的貨與車的最大寬度、繪制行走路徑圖，并據此提前做好道路清障的準備。如果要在某區域進行繞心自轉，則應根據最大自轉直徑，在該區域提前清障。