API SPEC 2C規(guī)范在海上平臺(tái)起重機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

付萬(wàn)里，黃田忠，劉 剛，謝松蓮

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

海上平臺(tái)起重機(jī)主要是在海洋平臺(tái)上使用的起重機(jī)，是一種用于海洋平臺(tái)裝卸貨物和吊運(yùn)人員到平臺(tái)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，其安全可靠性、可維修性、可抗風(fēng)性和耐腐蝕性要求很高。海上平臺(tái)起重機(jī)通常安裝在固定平臺(tái)結(jié)構(gòu)或浮動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)上，用于深海油氣的鉆井和開采作業(yè)。這些平臺(tái)包括固定平臺(tái)（Fixed Platform）、張力腿平臺(tái)（Tension Leg Platform，TLP）、單柱式平臺(tái)（Spar）、半潛式平臺(tái)（Semi-sub Platform）、鉆井船（Drill S hip）和浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）。目前，國(guó)際上廣泛采用的海上平臺(tái)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范有 2種：1）美國(guó)石油協(xié)會(huì)（American Petroleum Institute，API）制定的API SPEC 2C規(guī)范；2）歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)（Comité Européen de Normalisation，CEN）制定的EN 13852-1規(guī)范。除上述2種規(guī)范外，還有美國(guó)船級(jí)社（American Bureau of S hipping，ABS）、挪威船級(jí)社（Det Norske Veritas，DNV）、英國(guó)勞氏船級(jí)社（Lloyd’s Register of Shipping，LR）和中國(guó)船級(jí)社（China Classification Society，CCS）等船級(jí)社制定的規(guī)范，然而這些規(guī)范屬于起重設(shè)備的入級(jí)檢驗(yàn)規(guī)范，不完全是設(shè)計(jì)規(guī)范的范疇。API SPEC 2C規(guī)范是關(guān)于海上基座式起重機(jī)設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)的規(guī)范，該規(guī)范在國(guó)際上被廣泛采用，也是目前國(guó)內(nèi)唯一采用的基座式海上起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，國(guó)內(nèi)基本所有的海上平臺(tái)起重機(jī)均按照此規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造。

1 適用范圍

隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展，API SPEC 2C規(guī)范已從1971年的第1版（API SPEC 2C-1971）發(fā)展到2012年的第7版（API SPEC 2C-2012）。相較于前一版本，API SPEC 2C-2012規(guī)范將船用起重機(jī)和重型起重機(jī)納入適用范圍之中。船用起重機(jī)是在海上環(huán)境中執(zhí)行運(yùn)輸作業(yè)的一種特殊起重機(jī)，主要用于艦船間貨物的運(yùn)輸轉(zhuǎn)移、 海上補(bǔ)給、水下作業(yè)設(shè)備的投放與回收等重要任務(wù)。重型起重機(jī)安裝在駁船、自升式船舶或其他船舶上，常用于港口、遮蔽水域或非常平靜的近海環(huán)境下的施工和救助作業(yè)。API SPE C 2 C-2012規(guī)范將基座式起重機(jī)總成類型劃分為A～E 5種類型，其中，A型為直臂式起重機(jī)，B型為伸縮臂式起重機(jī)，C型為折臂式起重機(jī)，D型為桅桿式起重機(jī)，E型為將軍柱式起重機(jī)。各類型基座式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)見表1。

表1 各類型基座式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2 載荷工況和載荷組合

在不同作業(yè)條件下，海上平臺(tái)起重機(jī)受到的載荷組合不同。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮各種作業(yè)工況下的安全作業(yè)范圍，以免載荷超過(guò)規(guī)定值。起重機(jī)作業(yè)過(guò)程中受到多種載荷的作用，主要包括垂直設(shè)計(jì)極限載荷、供應(yīng)船傾斜載荷、起重機(jī)傾斜側(cè)載、起重機(jī)運(yùn)動(dòng)載荷和環(huán)境載荷。垂直設(shè)計(jì)極限載荷是安全工作載荷與垂直動(dòng)態(tài)系數(shù)的乘積，主要表示額定載荷受到的動(dòng)態(tài)作用力；供應(yīng)船傾斜載荷是指由于供應(yīng)船運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的作用在起重機(jī)吊臂頂端的水平載荷，包括前傾載荷和側(cè)傾載荷；起重機(jī)運(yùn)動(dòng)載荷是指由于平臺(tái)/船舶運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的作用在起重機(jī)基礎(chǔ)上的載荷；環(huán)境載荷是指風(fēng)、雪和地震等引起的載荷。

海上平臺(tái)起重機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮4種作業(yè)工況：1）船外起升；2）船上起升；3）不工作（吊臂不收車）；4）不工作（吊臂收車）。不同作業(yè)工況下需考慮的載荷組合如表2所示，√表示需考慮某種載荷；×表示不需考慮某種載荷。

表2 不同作業(yè)工況下需考慮的載荷組合

3 許用應(yīng)力

在明確載荷組合和載荷數(shù)值后，可通過(guò)經(jīng)典力學(xué)計(jì)算方法或有限元軟件對(duì)不同作業(yè)工況下海上平臺(tái)起重機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)，要根據(jù)美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)制定的AISC 335 89規(guī)范對(duì)許用應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)收。此外，當(dāng)載荷組合中包含地震載荷或極端風(fēng)載荷時(shí)，AISC 335 8 9規(guī)范中的許用應(yīng)力值應(yīng)增加 1/3。不同受力情況下金屬結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力見表3。

表3 不同受力情況下金屬結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力

4 垂直設(shè)計(jì)極限載荷

作用在起重機(jī)臂架頂端的垂直設(shè)計(jì)極限載荷等于額定載荷與垂直動(dòng)態(tài)系數(shù)的乘積。

式中：為垂直設(shè)計(jì)極限載荷；為安全工作載荷；為垂直動(dòng)態(tài)系數(shù)，船外起升和船上起升工況下，的計(jì)算公式分別見式（2）和式（3）。

式（2）和式（3）中：為起重機(jī)垂直彈性剛度；為重力加速度；為垂直吊臂頂部的加速度；為相對(duì)速度，計(jì)算公式見式（4）。

式中：為起吊安全工作載荷的最大穩(wěn)定起升速度；為供應(yīng)船的速度；為起重機(jī)吊臂頂部速度。

起重機(jī)垂直彈性剛度用于表示施加規(guī)定的載荷后，吊鉤在垂直方向的位移量，計(jì)算公式為

式中：為臂架系統(tǒng)剛度系數(shù)，計(jì)算公式見式（6）；為起升繩剛度系數(shù)，計(jì)算公式見式（7）。

式（6）和式（7）中：Δ為加載時(shí)起重機(jī)吊臂頭部的位移量；Δ為加載時(shí)起升繩端部的位移量。

5 斷裂韌性

采用具有足夠斷裂韌性的材料對(duì)關(guān)鍵件進(jìn)行制作，可最大程度地降低危險(xiǎn)發(fā)生的概率。對(duì)于工作溫度接近設(shè)計(jì)溫度的部件，宜提高對(duì)其沖擊韌性的要求。設(shè)計(jì)溫度定義為最低平均日溫，該值根據(jù)年度氣象資料確定。結(jié)構(gòu)鋼、鑄件和鍛件的斷裂韌性要求見表4，螺栓材料的斷裂韌性要求見表5。

表4 結(jié)構(gòu)鋼、鑄件和鍛件的斷裂韌性要求

表5 螺栓材料的斷裂韌性要求

6 零件設(shè)計(jì)

6.1 繩索

繩索是起重設(shè)備非常重要的零件，繩索的安全關(guān)系著貨物/人員是否能夠順利吊放。繩索安全系數(shù)的計(jì)算公式為

式中：為繩索的安全系數(shù)，3≤≤5。

繩索最小破斷強(qiáng)度的計(jì)算公式為

式中：為單根鋼絲繩的標(biāo)稱破斷載荷；為鋼絲繩載荷；為繩段數(shù)；為穿繩效率。

6.2 提升絞車

提升絞車主要用于實(shí)現(xiàn)貨物和人員在海洋平臺(tái)和供應(yīng)船之間的轉(zhuǎn)移。提升絞車的工作負(fù)載為，工作速度為，提升絞車的負(fù)載功率計(jì)算公式為

提升絞車的卷筒直徑可通過(guò)式（11）計(jì)算。

式中：為纜繩直徑；為卷筒直徑系數(shù)，=18。

電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩計(jì)算公式為

式中：為傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械總效率；為傳動(dòng)系統(tǒng)的減速比；為繩段數(shù)。

電動(dòng)機(jī)功率的計(jì)算公式為

由于液壓馬達(dá)不具備電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，且馬達(dá)工作壓力又受系統(tǒng)壓力的限制，故液壓馬達(dá)的輸出扭矩和輸出功率受到垂直動(dòng)態(tài)系數(shù)的影響，計(jì)算公式分別見式（14）和式（15）。

式（14）和式（15）中：為液壓馬達(dá)輸出扭矩；為液壓馬達(dá)需要輸出功率。

7 結(jié)論

海上平臺(tái)起重機(jī)主要是在海洋平臺(tái)上使用的起重機(jī)，是一種用于海洋平臺(tái)裝卸貨物和吊運(yùn)人員到平臺(tái)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。本文在對(duì)API SPEC 2C規(guī)范在載荷組合、設(shè)計(jì)系數(shù)、許用應(yīng)力和低溫韌性等方面規(guī)定進(jìn)行分析，并對(duì)繩索和提升絞車進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。研究成果可為設(shè)計(jì)人員選取海上平臺(tái)起重機(jī)總體參數(shù)提供幫助，為起重機(jī)的總體設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。