模块SPMT小车装船关键技术及风险分析

马飞翔

(海洋石油工程(青岛)有限公司， 山东 青岛 266520)



模块SPMT小车装船关键技术及风险分析

马飞翔

(海洋石油工程(青岛)有限公司， 山东 青岛 266520)

对近年海洋石油工程行业一种重要的装船工具自行式模块运输车(Self-Propelled Modular Transporter, SPMT )运输方法及风险进行阐述。针对海洋工程行业产品质量大、重心高、单个货物规格尺寸大、运输过程中受潮水影响等特点，结合SPMT小车自身使用要求和自身特性，通过工程经验和国内外行业标准对小车运输作业过程进行分析。最终给出小车运输过程需要考虑的关键环节和风险点对策。相关分析和结论对行业使用SPMT小车运输具有一定的参考意义。

装船；SPMT小车运输关键技术；风险分析

0 引言

传统的陆地大型油气处理工厂基本采用厂址地就地建造方式，是一种在工厂的选址位置上进行建造的方法。从19世纪80年代开始，由于受工期、建设地环境要求及人力成本等因素影响，迫使油气处理工厂采用模块化设计、异地模块化建造的策略。模块化工厂根据油气输入到最终处理输出的流程，功能可划分为栈桥、管廊、不同功能的处理模块等。图1为某液化天然气处理厂的管廊模块建造图。

该类模块的建造有别于传统海工组块导管架，最大的特点是单块重量小、模块数量多。针对此特点，为充分利用场地资源，非滑道区域的场地需要被充分利用作为建造区域。非滑道区域的建造导致最终的装船工作不能像传统导管架组块采用拖拉的方式，因此需要一种快捷、高效的运输方式完成最终的模块装船工作。

SPMT作为一种高效的运输工具，近几年逐渐被引入到海工模块的场内及装船运输工作中。图2为模块的场内运输。

图1 模块场地建造

图2 SPMT小车运输模块装船

1 SPMT相关原理介绍

1.1 SPMT小车

SPMT是一种模块化生产及组装的自行式平板拖车，可以根据装载货物的不同需求被配置成各种结构、尺寸和重量。SPMT的基础部件是一个4轴线或6轴线的模块组以及一个动力头(Power Pack Unit， PPU)。图3和图4分别是4轴线和6轴线小车及PPU介绍。

图3 4轴线小车PPU及模块组合

图4 6轴线小车PPU及模块组合

SPMT的牵引力由液压马达提供，液压马达的动力是由置于设备末端的动力头PPU提供。这就保证了SPMT拥有出色的牵引力以及紧凑的布局结构。SPMT每一轴线都在主控程序的精确控制下执行各种动作并实现各种姿态(如：移动、旋转、升降等)，不仅具备良好的操控性，同时还可以完成传统拖车(如：运梁车等)无法完成的动作。例如：轻松地原地调头、横向平移、绕中点旋转。SPMT的载重平台可以通过悬挂系统进行升降以便装卸货物并保持平台的水平姿态。

1.2 SPMT稳定性

通常来说，需要平移的货物体积与质量都非常大。这就意味着为货物创造出最佳的稳定性至关重要。产生上述的稳定性，需要采取一些技术措施。液压分组稳定性的理论依据是：不断地尝试创造出3个支撑点，3点支撑原理在SPMT设备上的应用可以被理解为是将所有车轮架分为3个小组，每组的所有车轮架都连接在同一个液压系统上。液压油可在各个车轮架之间不停地流动。图5为小车典型分组图。同时，还必须通过缜密的计算来决定所有车轮架的分组方式。

图5 小车典型分组

1.3 轴线

每根轴线由2个相互独立的悬挂轴组成，共同支撑车架。每个悬挂下面有2个车轮(承受最大胎压10 bar)，一根轴线下由4个同样的车轮组成。每个悬挂通过一个液压千斤顶和转向轴承组成。该机构保证每个车轮具备最大±100°的转向范围。转向机构处同样靠液压机构驱动完成转向。液压千斤顶由能够精准控制的液压控制阀控制动作。

车轴支撑的主液压千斤顶可以通过一个三通阀保证不同车轴间的压力一致。车体压力通过液压支撑千斤顶传递到车轮，保证了同一个分组内的车轮对地压力一致，实现了载荷的均布。由于液压缸与液压分组相连接，油压缸与液压分组的压力是相同的，因此即便对某一轴进行升降，其液压力仍然与液压分组中的压力相同，这就使SPMT能够轻松地在起伏路面上行驶而不会出现局部失压或故障现象，如遇到路面不平时，某些轴系将失压或增压，此时轴线内部装配液压油缸通过升高或降低的自调整，使货物下平面保持水平(见图6)。

图6 车轴自适应路面状况

2 SPMT运输过程关键设计环节分析

小车运输的计算主要基于以下的输入因素：车辆因素(货物和活载荷)；载荷和运输框架(货物)；小车分布(货物条件、轴线位置)；环境和场地条件(活载荷输入)；小车分组(轴线位置)。

需要注意的是，在所有计算中，车体的自重需要考虑。基于以上输入数据，下面的计算结果将用于判断运输布置是否合理：

轴载荷(运输静载荷+轴线自重)；动态、静态稳定系数；车体横梁强度校核。

计算中针对输入载荷、重心位置、车体变形等误差，需考虑10%的安全系数。

2.1 SPMT牵引力校核

牵引力校核由车组中的驱动轮、非驱动轮及货物的重量确定。每个车轴的驱动力根据不同地面的不同摩擦系数转化效率也不同。

对于带坡度的运输路面，可以采用的计算公式为

(1)

式中：FRTF为倾斜路面的需求牵引力，t；Wr为车辆自重，t；Wc为货物重量，t；r为滚动摩擦系数，%；p为坡度，%。

小车能够提供的最大牵引力计算公式为

(2)

式中：FATF为SPMT能够提供的牵引力，t；Wr为车体自重，t；Wc为货物重量，t；NTOT为轴线数量；NDR为驱动轴线数量；NNON为挂起的轴线数量；C为转换系数，%。

不同路面的转换系数数值(无单位)：干燥柏油路面为70；压实的良好路面为60；压实的路面为50；湿软路面为40。

小车驱动力满足的要求：FATF>FRTF。

如条件不满足，需要重新考虑相关配置。可增加轴线数量或挂起非驱动轮，增加轴载。

车辆运输允许最大的坡度不大于12.75%。实际校核时，坡度因素影响考虑应不小于5%。

2.2 运输绑扎

绑扎的主要目的是避免运输货物在加速、运输及制动过程中的移动。以下是常用的绑扎方法：

(1) 倒链。该方式常用于固定车板上的货物。手拉葫芦或锁链间通过棘轮机构连接，可通过转动棘轮手柄使所有松动处收紧。车板上有捆绑用吊耳。根据运输模块重量及路况变化，可使用承载力在5～15t的锁链或手拉葫芦对模块和车体进行绑扎固定。

(2) 固定板。连接板被置于车板侧面，并与固定板相连接以确保载货安全。固定板带有螺孔，使固定位置能随货物装载位置变化。

图7是两种不同的小车绑扎方法实例。

图7 小车运输固定

(3) 垫墩和拉筋固定。该方法采用在车体上放置垫墩，通过垫墩支撑被运输物。货物和垫墩之间通过限位块固定，并通过螺栓或焊接固定。垫墩之间连接斜拉筋，以增强其稳定性。图8是小车运输的垫墩拉筋固定方式。

图8 小车运输垫墩拉筋固定方式

2.3SPMT稳定性校核

从安全角度考虑，超宽和超高件运输的关键问题是稳定性。为确保稳定性，可放宽平板车的轮距即横向组合。经研究发现，液压悬挂回路选用3点支承系统更有利，形成的装载区域就是△ABC的面积(见图9阴影区域)，货物的重心落在平板车的承载区域内，可通过监视液压系统的压力表确保装载正确。

根据行业规范(欧盟运输安全规范及Mammoet运输安全规范)稳定角大于7°即为安全。图9为SPMT小车运输稳定性模型。

图9 SPMT小车运输稳定性分析模型

运输稳定角计算公式为

(3)

式中：α为稳定角；H为货物重心到小车分组中心平面高度；L为被运输物重心在小车中心点平面投影位置到最近分组中心点连线距离。

车辆极限状态稳定性分析需要考虑如下因素： (1) 货物重心。货物重心位置对稳定性分析有重要影响。稳定性校核时应该考虑重心最大允许误差范围内的极限位置处的稳定角。运输之前必须对货物进行实际的称重操作，确定重心水平定位。

(2) 车辆高度极限差值。首先，分析车辆长度方向和垂直方向的车体高度极限差值。分别在两个不同方向车辆按照最低1 500mm和最高1 800mm考虑(300mm的高差)，在该条件下校核稳定角。其次，综合两个方向的高差，校核稳定角。

3 SPMT运输过程风险分析

3.1SPMT运输过程一般作业安全要求

根据小车自身特点，考虑运输过程中的风险因素，对小车运输作业一般要求如下：

SPMT操作能见度：不得低于100m；地面：具备良好的附着力；风速：最大允许作业风速为12m/s；横向坡度(运输途中)：±2%；纵向坡度(运输途中)：±2%；最大行驶速度：负载时不超过1km/h，空载时不超过5km/h；雷暴雨天气条件下禁止工作。

另外，在运输过程中，SPMT悬挂油缸的行程将被减小到最大行程700mm的40%～50%范围内。因此，SPMT在行驶中的高度为1 400～1 500mm±175mm(该处高度范围针对不同规格的车辆会有不同，需参考车辆厂家要求确定)。SPMT最大有效载荷为40t/轴线。

3.2 运输过程中风险因素及应对措施

小车运输过程中的车体及环境等可能发生的风险及应对措施见表1。

表1 小车运输风险因素及应对措施

4 结论与展望

SPMT小车运输具有灵活、快速、高效及对场地要求较低等特点，目前已用于各类工程实践中。其对吨位较大运输物以及形状不规则的运输物有较强的适应性。小车每一个轮组均相当于一个液压千斤顶，而小车分组之后同一分组的轮组具有相同的压力。不同液压油缸的实际行程仅与该轮组所受到的压力有关。运输的结构物在重心确定的前提下，其重量在各个分组上的分布对运输安全有较大影响。尤其在运输不规则结构物时，分组划分需特别考虑。关于小车分组，目前只是根据工程师的以往项目经验，而对于解决不规则运输物的小车布置及分组问题，没有深入详细的理论依据作为基础。后续将对不同重量分布及结构不规则的运输物，为确保其安全运输，对小车布置及分组进行更多的关注和研究。

[1] 中国工程建设标准化协会.钢结构设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

Key Factors and Hazard Analysis During Module Load Out Works By SPMT

MA Feixiang

(China Offshore Oil Engineering (Qingdao) Co.， Ltd., Qingdao 266520, Shandong, China)

SPMT(Self-Propelled Modular Transporter) is an important and common tool in offshore oil load out works. The method of SPMT and the hazard analysis of the transportation works are introduced. The cargos always have heavy weight, much higher centre of gravity, large dimension, and during load out onto the barge, will be easily affected by the tide. According to these characteristics and the SPMT itself trait, following the experience and specifications that accepted in this industry. The key factors of the transportation works and the hazard point and solution are analyzed. The analysis and introduction will have some reference meaning of this kind of load out method.

load out; SPMT transportation key factors; hazard analysis

马飞翔(1982-)，男，工程师，从事海洋石油工程、船舶与海洋结构物设计制造

1000-3878(2017)02-0052-06

U671

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