雙體船起重抬臂裝置設計

章仲怡，王佐強

（中海油能源發(fā)展股份有限公司 清潔能源能源工程分公司，天津 300450）

為了保護海洋生態(tài)環(huán)境和海上航行安全，根據(jù)國家安全環(huán)保部門的要求，在油氣田壽命終止時，要對建立的海上石油平臺進行回收拆除。不包括在建項目，2040 年之前，我國領海需要拆除的油氣田數(shù)量達81 個、海上平臺數(shù)量約164 座，預計拆除平臺上部質量42 萬t、平臺下部質量25.9萬t。經(jīng)歷了海上油田建設的高峰期，隨著設施的老化，海上平臺的拆除施工需求必將要大量涌現(xiàn)。楊俊甲[1]、晉永琦[2]、孫見章等[3]、潘東民[4]、蘇瑞華等[5]、王儒等[6]、胡振國[7]、阮志豪等[8]、劉登輝[9]、汪雷[10]、李巍等[11]均進行過海上平臺拆除方法和工藝的相關研究。

拆除海上平臺上部模塊的方法主要有吊裝法和浮托法2 種[8]。吊裝法依賴于浮吊船完成拆除作業(yè)，對于重量較小的模塊可以直接采用吊機整體拆除，較大的模塊一般先分割成小塊之后再進行起吊移除。這種方法的缺點是需要大量的人力和物力，且容易對海洋環(huán)境造成污染。浮托法是利用雙體工程船將海上平臺的上部模塊與底部支撐架切割后整體移除，再轉運到港口或陸地進行拆解。某公司2016 年建成的Pioneering Spirit 是全球第一艘采用浮托法一次性移除海上平臺的雙體工程船，具有最大拆除48 000 t上部模塊的能力。

我國海上平臺的拆除起步較晚，現(xiàn)在還處于利用起重船分塊吊裝的階段。面對日益增長的拆除作業(yè)需求，提高拆除技術和工藝水平迫在眉睫。起重抬臂裝置是雙體工程船的核心環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)海上平臺拆除的關鍵設備。目前國內還沒有與Pioneering Spirit 同類型的起重抬臂系統(tǒng)。針對我國領海的海上平臺特點，本文提出了一種起重抬臂裝置的設計方案，并對主要部件進行了靜力學分析。

1 抬臂裝置總體介紹

起重抬臂裝置主要用于導管架切割后對海洋平臺上部模塊進行一次性移除，并將其下放至轉運駁船。起重抬臂裝置示意圖如圖1所示，雙體船的兩側各布置有3組抬臂。每組抬臂具有12×103kN的舉升能力，最大可拆除7 200 t 的海上平臺，滿足了目前我國領海內大部分退役平臺的拆除作業(yè)需求。單個抬臂主要由起重梁、X向軌道、內側支撐、外側支撐、舉升杠桿、X向驅動、Y向驅動、Z向補償缸（輔缸）、Z向舉升油缸（主缸）、舉升托臺、鎖定銷軸、高壓氣罐、蓄能器、X向制動油缸、Y向制動油缸等裝置和機構及液壓控制系統(tǒng)組成。表1為單個抬臂主要技術指標。最大豎直工作行程是2 m，極限行程2.4 m，能夠滿足多數(shù)工況下的舉升需求。兩側托臺的最小、最大中心距離是14 m 和30 m，表明起重抬臂裝置可以移除14～30 m寬的海洋平臺。

表1 單個抬臂主要技術指標

圖1 起重抬臂裝置示意圖

雖然整體將上部平臺一次性移除作業(yè)的效率較傳統(tǒng)的分解吊裝作業(yè)效率有很大的提高，但由于海上作業(yè)平臺種類多、結構復雜，無法采用統(tǒng)一的接口結構。常用的接口結構主要有管夾式舉升和托臺舉升2種形式。管夾式舉升由于平臺管徑變化及支撐管存在傾斜造成的干涉及且結構復雜等因素，通用性較低。而托臺舉升形式具有較好的適應性，通過定制上部的結構形式適應不同平臺的需求。雖然Pioneering Spirit公司提出了管夾接口舉升方案，但并沒有管夾方案的實際應用案例，已經(jīng)實施的移除和安裝實例大多為托臺舉升的方式，也有個別移除作業(yè)是在平臺支撐柱管處焊接輔助結構進行托舉，因此本抬臂設計方案采用托臺舉升結構的接口形式。托臺舉升結構示意圖如圖2所示。

圖2 托臺舉升結構示意圖

2 抬臂裝置作業(yè)流程

海上平臺的整體拆除是一個復雜的過程，需要機械、液壓、氣動和控制系統(tǒng)等協(xié)同配合完成。為了提高安全性和可靠性，將抬臂的作業(yè)流程分為：準備、補償、舉升、鎖定4個階段。準備階段中，雙體船靠近作業(yè)平臺，通過調整船舶壓載水使抬臂托臺移至合適的作業(yè)間距，此時觸發(fā)Z向補償油缸和Y向驅動為主動波浪補償模式，使得舉升平臺緊貼作業(yè)平臺下表面，以完成舉升前的準備動作。抬臂處于準備狀態(tài)示意圖如圖3所示。

圖3 抬臂處于準備狀態(tài)示意圖

圖4 為抬臂舉升前的補償狀態(tài)示意圖。此時舉升平臺已經(jīng)抵靠在平臺托舉位置，并施加一定的預加載荷，使托臺與平臺接觸固定，為保證托臺與平臺保持固定接觸狀態(tài)，Z向必須呈現(xiàn)浮動補償狀態(tài)以抵消抬臂隨波浪起伏的影響。這時的補償狀態(tài)為單缸補償，由一個較小的補償缸（輔缸）實施，舉升油缸（主缸）的活塞桿頂部這時與舉升杠桿的施力軸頸呈脫離狀態(tài)。補償缸（輔缸）的活塞桿端部與舉升杠桿后臂中部位置銷接，其活塞桿的伸縮與舉升托臺的上下保持聯(lián)動。舉升油缸活塞桿頭部并未直接與舉升杠桿鉸接連接，而是與舉升擺桿銷接，舉升擺桿可繞舉升支點轉動，當舉升油缸處于收縮狀態(tài)時，帶動舉升擺桿脫離舉升杠桿的接觸。因此，此時的波浪補償完全由補償缸（輔缸）實施?？紤]到舉升杠桿繞支點轉動，舉升運動軌跡實際為圓弧，因此X向和Y向也同時參與補償。

圖4 抬臂舉升前的補償狀態(tài)示意圖

在實施舉升前，先要完成對平臺下方支撐管的切割，實現(xiàn)平臺上下的物理分離。舉升前依次將各抬臂的舉升油缸緩緩伸出，直至舉升擺桿的施力半圓柱面抵靠在施力軸頸的外圓，由于這時還在補償狀態(tài)，所以舉升油缸活塞桿與舉升杠桿接觸后，舉升油缸通過施加一個較小的推力與補償缸（輔缸）一同進入補償狀態(tài)。當所有舉升油缸都進入抵靠補償狀態(tài)后，就具備了舉升的條件，此時通過控制室發(fā)出指令，觸發(fā)所有抬臂的舉升油缸進入快速舉升狀態(tài)，將平臺舉升以防止平臺在海浪的作用下與下方切割支撐管發(fā)生碰撞，隨后船舶駛離。

當抬臂將海上平臺舉升至指定高度時，為了避免液壓系統(tǒng)長時間處于高壓狀態(tài)，通過設計的鎖定銷軸將其端部抵靠在舉升杠桿下部的平面，將油缸承接的平臺載荷通過鎖定銷軸轉移到起重梁的機械結構，即鎖定狀態(tài)。載荷轉移后，液壓系統(tǒng)即可退出工作狀態(tài)，達到節(jié)能和保護液壓缸免受高壓沖擊、延長使用壽命的效果。

圖5 為豎直Z向舉升行程分解示意圖。由圖5知，舉升平臺最大行程為2.4 m，有效工作行程為2 m，上下各預留200 mm的油缸緩沖行程，補償行程在中位±0.5 m的范圍內，舉升起始行程設在中位下方約0.5 m 處，有效快速舉升行程達1.2～1.5 m。圖5（b）和（c）為舉升平臺的上位和下位，分別對應油缸伸展和收縮極限位置。

圖5 豎直Z向舉升行程分解示意圖

通過以上分析可得，整體一次性移除上部平臺的作業(yè)順序為：①船靠近作業(yè)平臺，靠近前雙側抬臂縮回至船舷的極限位置，避免碰撞；②調整船舶壓載水，使抬臂托臺與平臺移動至合適的作業(yè)間距；③將各抬臂依次移動到平臺作業(yè)托舉的下方位置，并保持安全距離；④觸發(fā)Z向補償油缸和Y向驅動為主動波浪補償模式；⑤由補償油缸將舉升托臺緩慢抵靠平臺托舉面，同時將主動波浪補償模式切換成按預設預緊托力的被動波浪補償模式；⑥依次將舉升油缸（主缸）抵靠上舉升杠桿的施力位置，并進入被動波浪補償模式狀態(tài)（舉升油缸施加的預緊舉升力的大小根據(jù)舉升平臺重量調整）；⑦切割平臺下部管道；⑧排除部分壓載水量，使船體上升時舉升油缸收縮至快速舉升起始位置附近，使油缸具有1.2～1.5 m 的快速舉升行程，并使舉升油缸預緊托舉力逐漸提升至舉升載荷的約80%，以便能減小舉升后的船體傾斜角度；⑨啟動舉升油缸（主缸）快速舉升，同時關閉Z向補償模式，補償油缸（輔缸）助力同步舉升，快速舉升時Y向保持與舉升油缸的隨動模式；⑩船駛離平臺原安裝位置；?調整舉升高度，將鎖定銷軸抵靠舉升杠桿，Z向鎖定，液壓系統(tǒng)停止工作；?機械鎖定抬臂X、Y向移動，進入運輸或轉移駁船；?駁船移動至平臺下方，調整壓載水使駁船下放至合適高度；?重新啟動液壓系統(tǒng)，準備就緒后，解除X、Y、Z向鎖定；?在液壓系統(tǒng)作用下緩慢下放平臺至運輸船；?抬臂退出平臺下方，駁船承載平臺駛離；?鎖定X、Y、Z軸后，關閉抬臂液壓系統(tǒng)；?任務結束。

3 抬臂靜力分析

抬臂機構是一個非常復雜的機械和液壓耦合系統(tǒng)。舉升機構和抬臂裝置是其中的關鍵部件，需要進行力學分析。在托起海上平臺的時候，舉升結構承受了海洋平臺的重力。按照技術要求，單個抬臂的舉升重量Ft約為12×103kN，輔油缸和主油缸提供了推力F2（分量為F2Z和F2Y）和F3（分量為F3Z和F3Y），旋轉副也提供了一部分的支撐力F1（分量為F1Z和F1Y）。舉升機構受力示意圖如圖6所示。

圖6 舉升機構受力示意圖

圖7 為舉升機構靜力分析云圖。由圖7 知，舉升機構的最大變形量為5.16 mm，在平臺的最邊緣處。結構的最大應力是256 MPa，在舉升平臺底部的加強筋處，其它區(qū)域的應力集中在25～100 MPa，遠小于結構鋼的許用應力。因此，只要將舉升平臺底部進行優(yōu)化加強，就能夠滿足技術要求。

圖7 舉升機構靜力分析云圖

每組抬臂包括2 個起重梁和舉升杠桿（如圖1所示）。對于單個舉升杠桿，在旋轉軸處的支撐力F1約為9.57×103kN，接近于總負載（12×103kN）。主油缸提供的總推力F3約為8.39×103kN，而輔油缸提供的推力F2約為1.79×103kN。需要說明的是，F(xiàn)2、F3與F1方向是相反的。單個舉升杠桿的支撐力和油缸的推力如表2所示。

表2 單個舉升杠桿的支撐力和油缸的推力 ×103 kN

通過舉升機構的靜力分析，可以得到抬臂梁前段承受的負載力。圖8 為抬臂梁的受力示意圖。由于抬臂梁沿Y向是可伸縮的，移動范圍為0～8 m。根據(jù)材料力學知識，當懸臂長度為8 m 時，抬臂梁承受最大的彎曲變形。因此，進行此處位置的靜力分析。

圖8 起重梁受力示意圖

圖9 為抬臂梁靜力分析云圖，由圖9 可知，抬臂梁的最大變形量為10.6 mm，出現(xiàn)在抬臂梁的最邊緣處；最大應力是208 MPa，小于結構鋼的許用應力，說明抬臂梁的結構設計是合理的。當然可以繼續(xù)對主油缸和內軌道支撐結構進行優(yōu)化，以減小應力，提高安全性和可靠性。抬臂梁的支撐力如表3所示。

表3 抬臂梁的支撐力 ×103 kN

圖9 抬臂梁靜力分析云圖

由表3 可以看出，內側軌道承擔了絕大部分的支撐力，其Z向力分量為8.48×103kN，而外側軌道和支架的支撐力較小。在實際工作過程中，Y向分力由驅動機構來平衡，為驅動機構的自鎖設計提供了理論基礎。

4 結束語

本文設計了一套具有72×103kN 舉升能力的雙體船起重抬臂裝置，介紹了抬臂裝置的總體結構方案，討論了抬臂的作業(yè)流程，并對其關鍵部件進行了力學分析。隨著我國海域內一些油田開發(fā)壽命周期的臨近，海上平臺的拆除存在巨大的市場前景。作為海上平臺拆除的核心設備，本文起重抬臂裝置的設計方案豐富了國內海上平臺整體拆除技術和思路，具有一定的參考和借鑒價值。