多功能海洋平臺適用的海工起重機(jī)選型研究

牟啟同，劉傳彬，許海東

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津 300452)

0 引 言

海工起重機(jī)主要是在海洋平臺上使用的起重機(jī)，是一種海洋平臺裝卸貨物和吊運(yùn)人員到平臺上的設(shè)備，是海洋石油生產(chǎn)中最重要的生產(chǎn)和安全設(shè)備之一。海工起重機(jī)受作業(yè)環(huán)境影響較大，工作模式較多，又因結(jié)構(gòu)類型、驅(qū)動方式和制造廠商的不同而品種繁多。不同功能的平臺需求的海工起重機(jī)的型式和能力也不同。為了更好地適應(yīng)海上比較惡劣的工作環(huán)境，更好地滿足海洋平臺作業(yè)需求，選擇合適的海工起重機(jī)非常關(guān)鍵。

目前海工起重機(jī)從動力方面分為電動和液壓2種，根據(jù)需求不同有多種結(jié)構(gòu)類型。設(shè)計者在選擇起重機(jī)時候應(yīng)根據(jù)平臺類型、工作環(huán)境、平臺總布置圖、設(shè)備資料、起重機(jī)作業(yè)工況、作業(yè)區(qū)域等初步確定起重機(jī)的型式及主要參數(shù)，如起重機(jī)的驅(qū)動型式、回轉(zhuǎn)角度、起重能力、工作半徑及起吊高度等。結(jié)合平臺實際情況，對初步選型參數(shù)做出適當(dāng)調(diào)整及參數(shù)驗證，合理布置位置并輔以相應(yīng)的平臺強(qiáng)度校核等計算。再根據(jù)起重機(jī)主流廠商的產(chǎn)品資料及設(shè)計能力、生產(chǎn)能力、生產(chǎn)周期、價格等來最終確定起重機(jī)型號及具體參數(shù)等信息，為平臺選擇最合適的海工起重機(jī)，確保起重機(jī)的合理利用及可靠性。

本文通過確定起重機(jī)重點(diǎn)參數(shù)，來確定起重機(jī)的能力及合適的型號。對其他類型的海洋平臺及船舶的起重機(jī)選型具有一定的參考價值，從而更加準(zhǔn)確地選擇合適的海工起重機(jī)，來滿足海上各種功能的作業(yè)需求。

1 海工起重機(jī)構(gòu)成與技術(shù)特點(diǎn)

1.1 主要構(gòu)成

海工起重機(jī)主要包括起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)等。起升機(jī)構(gòu)一般為絞車形式，起升絞車一般為液壓單卷筒單出繩式，多層纏繞。變幅機(jī)構(gòu)使貨物沿一條直線遠(yuǎn)離或接近起重機(jī)，常用的驅(qū)動型式有繩索驅(qū)動、齒條驅(qū)動、螺桿驅(qū)動和液壓缸驅(qū)動。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的回轉(zhuǎn)支承一般采用三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承，回轉(zhuǎn)減速機(jī)帶液壓制動器，具有偏心調(diào)整嚙合側(cè)隙功能，2套旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動整機(jī)做正反360°全回轉(zhuǎn)運(yùn)動。金屬機(jī)構(gòu)中臂架一般采用鋼管桁架結(jié)構(gòu)，由高強(qiáng)度鋼管焊接而成，臂架根部結(jié)構(gòu)通過滑動軸承和銷軸與轉(zhuǎn)臺聯(lián)結(jié)。

1.2 主要技術(shù)特點(diǎn)

海工起重機(jī)必須滿足API-2C《海洋平臺吊機(jī)規(guī)范》及各大船級社規(guī)范。海工起重機(jī)一般可以進(jìn)行起升、變幅、回轉(zhuǎn)三聯(lián)動，但在聯(lián)動時各動作的速度會有一定降低。

2 海工起重機(jī)分類

2.1 按驅(qū)動方式分類

按驅(qū)動方式，海工起重機(jī)可分為2類，分別為：柴油機(jī)-液壓驅(qū)動起重機(jī)、電動-液壓驅(qū)動起重機(jī)。

柴油機(jī)-液壓驅(qū)動起重機(jī)由柴油機(jī)、液壓泵、彈性聯(lián)軸器組成，可以實現(xiàn)360°全回轉(zhuǎn)，但柴油機(jī)較貴，起重機(jī)整體也會略重，價格稍貴一些。電動-液壓驅(qū)動起重機(jī)由電機(jī)、液壓泵、彈性聯(lián)軸器組成，操作平穩(wěn)、質(zhì)量輕、體積小、功率大，但對平臺電站要求高，需要安裝電纜拖鏈，且無法實現(xiàn)360°全回轉(zhuǎn)。

2.2 按結(jié)構(gòu)型式分類

按結(jié)構(gòu)型式，海工起重機(jī)可分為4類，分別為：油缸變幅海工起重機(jī)、鋼絲繩變幅海工起重機(jī)、將軍柱海工起重機(jī)、繞樁式海工起重機(jī)。

油缸變幅海工起重機(jī)整機(jī)重心低、穩(wěn)定性好、箱式吊臂結(jié)構(gòu)、占用空間小，但自重較重，吊臂迎風(fēng)面積大，適用于各種固定平臺、自升平臺、半潛平臺、FPSO等。鋼絲繩變幅海工起重機(jī)重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，便于運(yùn)輸，適用于所有海工設(shè)施。將軍柱海工起重機(jī)無配重，自重輕，基柱直徑小，大幅度時起重量大，適用于特別惡劣的工況，如鉆井船、鉆井平臺、深海半潛平臺等。繞樁式海工起重機(jī)重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，所占用平臺甲板空間小，尾部回轉(zhuǎn)半徑小，適用于自升平臺。

3 海工起重機(jī)的選型

3.1 選型原則

應(yīng)根據(jù)吊裝需求、作業(yè)工況及作業(yè)區(qū)域，選擇合適的海工起重機(jī)型式。

①驅(qū)動方式的選擇：應(yīng)考慮作業(yè)工況及作業(yè)區(qū)域、平臺電力負(fù)荷大小、平臺重量控制、起重機(jī)造價等因素。

②起重能力的選擇：主要取決吊運(yùn)物品的種類，同時也應(yīng)考慮起重機(jī)造價因素。

③工作半徑的選擇[1-3]：通常舷外跨距應(yīng)不小于6 m，同時也要滿足平臺內(nèi)吊裝物品的布置及覆蓋范圍，此外還要考慮吊臂擱架的位置。

④起吊高度的選擇[1-3]：起吊高度取決于平臺類型及作業(yè)工況。起吊高度直接決定了起重機(jī)起升卷筒的容繩量，選型時應(yīng)確定從最低起吊點(diǎn)至吊臂下鉸點(diǎn)的高度。另外，起吊高度與吊臂的工作角度也有一定的關(guān)系，應(yīng)考慮吊運(yùn)物品的高度，以及甲板上其他設(shè)施的高度，避免干涉。

⑤其他參數(shù)的選擇：起重機(jī)的回轉(zhuǎn)速度、變幅和起貨速度等其他參數(shù)，如沒有特殊要求，可參考各廠商的產(chǎn)品參數(shù)。

3.2 多功能平臺起重機(jī)選型

3.2.1 項目簡介

該平臺采用模塊化設(shè)計，實現(xiàn)酸化壓裂作業(yè)、液壓舉升作業(yè)等功能。根據(jù)不同作業(yè)需求能夠經(jīng)濟(jì)快速地改造、變換功能，確保滿足市場應(yīng)用需求。

平臺根據(jù)需求配備海工起重機(jī)，應(yīng)具有滿足各功能模塊自安裝、拆卸的吊裝能力，在海上實現(xiàn)功能變裝。除了可以覆蓋甲板面，還需要考慮常規(guī)的物料運(yùn)輸以及設(shè)備拆卸維修，保證生產(chǎn)和生活的需要[4-5]。平臺的裝載工況較多，各功能模塊布置在主甲板，采用整體吊裝或分體吊裝方式[6]。

3.2.2 選型依據(jù)

主要依據(jù)：平臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、規(guī)格書要求、總布置圖、相關(guān)設(shè)備資料，作業(yè)工況等[7-8]。

①平臺主要參數(shù)如表1所示。

表1 平臺主要參數(shù)表Tab.1 Main parameters of platform

②液壓舉升模塊最大吊裝需求。液壓舉升系統(tǒng)舉升能力154 t，面積130 m2，安裝前存放440 m2。設(shè)備布置集中于陰影區(qū)域尾部，靠近右舷，半徑24 m范圍內(nèi)。若采用整體吊裝，最大模塊為高壓泥漿泵撬35 t，高度16 m，如圖1中黑色框處。若設(shè)備拆分吊裝，最大重量約10 t。

③酸化壓裂模塊最大吊裝需求。模塊為2層結(jié)構(gòu)，布置面積966 m2，布置覆蓋面積較大，最重模塊位于陰影區(qū)域艏部，靠近左舷。若采用整體吊裝，平均重量不到20 t，高度3 m左右，最大模塊為壓裂泵撬34 t，如圖2黑色框處。

3.2.3 初步選型要點(diǎn)

①起重機(jī)結(jié)構(gòu)形式確定。因平臺需要布置功能模塊，甲板空間比較少，為節(jié)省平臺的甲板空間，因此首選繞樁式起重機(jī)。

②驅(qū)動方式確定。電動-液壓驅(qū)動方式需要安裝電纜拖鏈，無法實現(xiàn)360°全回轉(zhuǎn)，并且回轉(zhuǎn)的受限位置直接影響作業(yè)區(qū)域和電纜拖鏈安裝位置。因此首選柴油機(jī)-液壓驅(qū)動方式，無需平臺提供電力。

③數(shù)量及位置確定。平臺左右舷各布置一臺起重機(jī)，既可單獨(dú)作業(yè)，也可配合作業(yè)。為了覆蓋面更合理，起重機(jī)利用率更好，采用對角線布置。分別布置于左舷艏部樁腿，右舷尾部樁腿，可有效覆蓋甲板區(qū)域。

液壓舉升模塊靠近右舷艉部，并且重量較大，而酸化模塊布置均勻，重量較輕。所以首先考慮右舷尾部為主，左舷艏部起重機(jī)為輔。

④起重能力確定。兩大功能模塊設(shè)備中重量最大為35 t，平均10～20 t，右舷艉部主鉤最大起重能力設(shè)定為最大35 t，最小起重能力設(shè)定為10 t左右。可滿足所有模塊整體吊裝或拆分吊裝，基本合理。

因海上運(yùn)輸船位于平臺外部，平臺外起升應(yīng)考慮風(fēng)浪因素。所以將主吊鉤最大起重能力設(shè)定為平臺外起升35 t左右。

⑤工作半徑確定。液壓舉升模塊需求跨距較小，酸化模塊覆蓋面積較大，需求跨距較大，則最大吊重的工作半徑設(shè)定為26 m較為合理。根據(jù)平臺尺寸以及吊臂支架的布置，起重機(jī)最大工作半徑設(shè)定為40 m較為合理。起重機(jī)基本可以覆蓋80%甲板面工作區(qū)域，可以滿足從運(yùn)輸船起吊兩大功能模塊，也能滿足平臺內(nèi)大部分拆卸維修等吊裝需求。

⑥輔助起重機(jī)參數(shù)調(diào)整。因右舷艉部起重機(jī)設(shè)定參數(shù)基本滿足平臺主要吊裝需求，所以左舷艏部可以設(shè)定為起重能力相對小一些，工作半徑小一些，滿足常規(guī)物料運(yùn)輸和重量較小設(shè)備吊裝需求即可，考慮到平臺外運(yùn)輸船吊運(yùn)以及盡量覆蓋平臺內(nèi)其他區(qū)域，因此最大工作半徑設(shè)定為35 m，起重能力設(shè)定為20 t較為合理。

因左舷艏部起重機(jī)起重能力較小，設(shè)定為電動-液壓驅(qū)動方式的甲板吊更為合理。為避免平臺樁腿干涉起重機(jī)，布置在左舷艏部樁腿的艉側(cè)甲板上較為合適。

⑦起吊高度確定。模塊最高的為16 m，其他模塊高度要求較低，吊機(jī)最大吊重處有一定仰角，所以吊重最大處的吊高超過16 m，再有一定余量空間即可。因最大工作半徑設(shè)定為40 m，那么起重機(jī)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預(yù)計在25 m左右。再加上起重機(jī)下部底座的高度，最大起吊高度應(yīng)該會超過40 m，最大起重能力角度的吊高應(yīng)該也會超過25 m，滿足吊裝需求。

考慮海上運(yùn)輸船與平臺的高度差，甲板下起吊高度設(shè)定為20 m左右。

綜上，起重機(jī)初步選型參數(shù)如表2所示。

表2 起重機(jī)初步選型參數(shù)表Tab.2 Preliminary selection parameters of crane

3.2.3 初步選型結(jié)果

根據(jù)設(shè)備商的同類型產(chǎn)品資料，主起重機(jī)選擇柴油機(jī)-液壓驅(qū)動的繞樁式起重機(jī)190 t×9.5 m/38 t×40 m滿足要求。輔起重機(jī)選擇電動-液壓驅(qū)動的甲板起重機(jī)20 t×7.5 m/10 t×35 m滿足要求[9]。

主起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 主起重機(jī)技術(shù)參數(shù)表Tab.3 Technical parameters of main crane

輔起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表4所示。

表4 輔起重機(jī)技術(shù)參數(shù)表Tab.4 Technical parameters of auxiliary crane

3.2.4 選型論證

①液壓舉升模塊：

模塊布置范圍半徑24 m，主起重機(jī)最大起重能力工作半徑26 m，滿足需求；模塊最大重量35 t，主起重機(jī)在26 m工作半徑處起重能力60 t，舷外35 t，半徑26 m以內(nèi)起重能力更大，滿足需求；模塊最高16 m，主起重機(jī)起吊高度39.2～45 m，滿足需求。

②酸化模塊：

模塊布置范圍半徑＜40 m，主起重機(jī)最大工作半徑40 m，滿足需求；模塊最大重量＜20 t，主起重機(jī)在40 m工作半徑處起重能力約38 t，舷外20 t，滿足需求；模塊平均高度高約3 m。主起重機(jī)起吊高度39.2～45 m，滿足需求。

另外，應(yīng)考慮海工起重機(jī)的自身重量及支反力對平臺和樁腿的影響進(jìn)行計算校核，適當(dāng)調(diào)整[9]。

4 結(jié) 論

本文是以多功能海洋平臺的2個功能模塊為例，對海工起重機(jī)的選型依據(jù)、選型方法以及甲板合理布置等進(jìn)行研究論證，重點(diǎn)闡述了海工起重機(jī)主要參數(shù)的選擇方法：

①根據(jù)模塊布置圖確定海工起重機(jī)作業(yè)范圍，根據(jù)作業(yè)范圍確定工作半徑。

②根據(jù)模塊重量確定海工起重機(jī)作業(yè)重量需求，根據(jù)作業(yè)需求來確定起吊能力。

③根據(jù)模塊外形尺寸及平臺布置圖確定海工起重機(jī)作業(yè)高度需求，根據(jù)高度需求確定起吊高度。

結(jié)合平臺實際情況，對初步選型參數(shù)做出適當(dāng)調(diào)整及驗證，再根據(jù)起重機(jī)廠家資料確定起重機(jī)規(guī)格型號及具體參數(shù)等[11-12]。

本文通過海工起重機(jī)選型的研究論證，更加準(zhǔn)確地選擇合適的海工起重機(jī)，來滿足海上起重機(jī)作業(yè)的實際需求。■