定柱式悬臂吊在老平台改造项目的研究及应用

赵 刚 ，高绍涛 ，武斌斌 ，周 健 ，姜宇飞

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

1 背景描述

埕北油田设备设施整体升级改造项目涉及到结构、机械、配管、电气、仪表、通信等各专业的改造施工，数量巨大，任务繁重，时间紧迫（只有4个月的停产时间）。尤其是吊装作业，老平台自有吊机1台，工作半径有限，吊装盲区较大，加之服役时间较长，性能老化，不能保证高强度、长时间连续作业，而利用浮吊资源成本较高。为缓解这一系列的工作压力，改善作业环境，在老平台南北两侧各安装、固定1台5 t小型定柱式悬臂吊，供现场吊装施工。

悬臂吊能否成功应用需要考虑多方面因素，包括安装位置、本体选型设计、底座连接设计、平台结构局部强度校核、接触面强度校核、安装及使用安全：悬臂吊安装位置确定，需考虑便于实施针对性的吊装作业，确保安装位置处有主梁或者主立柱等主结构；悬臂吊本体设计方面，应根据施工需求及实际操作空间确定吊重、水平行程、回转角度等参数；从安全性出发，还应考虑增加超重报警、远程遥控等其它附属技术性能要求；悬臂吊底座结构连接设计需注意臂吊立柱与底座的连接形式（考虑便于安装及拆卸）；悬臂吊底座与平台主结构的连接形式；悬臂吊使用安全性评估方面，首先安装位置处平台结构建模加载时须考虑附近机械设备、管线、电气、仪表等荷载；悬臂吊静态及使用2种工况下分别校核分析；悬臂吊底座结构强度分析；另外，还有悬臂吊的CCS（China Classification Society，中国船级社）取证（含本体结构、底座结构及附属构件）。

详细阐述了上述问题的解决方案，特别是在强度核算方面做了充分论证，保证悬臂吊的安装、安全使用及成功应用。

2 设计

2.1 悬臂吊本体选型设计

考虑到吊装物大部分属散料散件，重量较轻、数量较多，选择额定起重量为5 t的悬臂吊本体结构及电动葫芦。考虑到垂直吊装范围覆盖至最底层甲板（距离顶层甲板8.5 m处），加上悬臂吊4.5 m的立柱高度，选择13 m的最大起升高度。为便于物料装卸与倒运，电动葫芦的最大水平行程选择5 m，且悬臂可绕立柱360°全回转（图1）。

从施工安全角度出发，悬臂吊旋转、起升及水平伸缩运动均增加限位、互锁功能，并安装紧急停止按钮及报警装置，起重葫芦安装超重报警装置。为便于操作维护，安装爬梯及照明用投光灯。电机做防水要求，防护等级 IP65，电气接线箱外挂，防护等级 IP65，电缆为船用电缆，接头形式使用填料函并加热塑管，悬臂吊与底座法兰连接螺栓采用双头螺栓，并加装备母，立柱与主臂焊接永久性吊耳且检验合格，悬臂吊厂家安排技术人员配合现场的安装及调试作业。总之，经过一系列的选型设计，基本满足现场吊装需求。

图1 悬臂吊本体选型

2.2 悬臂吊底座设计

为便于悬臂吊的安装与拆卸，底座采用椎970 mm的焊接钢管作为主结构与甲板梁焊接，上部焊接法兰盘，采用螺栓紧固的方式与悬臂吊立柱下部的法兰盘连接，底座结构周围再利用筋板局部补强（图2）。

3 校核计算

图2 悬臂吊底座受力

利用SACS和ANSYS结构分析软件相结合的方式校核分析：对悬臂吊安装位置处平台局部结构利用SACS软件进行强度核算，对悬臂吊底座及甲板接触面利用ANSYS软件进行有限元分析核算，施加荷载时增大动力放大系数，作最保守分析。

将悬臂吊本身的自重作为静载荷输入，正常运行时产生的弯矩与转矩作为动载荷进行输入（图3）。

3.1 对安装位置处平台局部结构进行校核计算

SACS软件系统是针对海上固定式结构整体、浮式系统上部结构等进行设计分析的软件系统。它包含多个程序模块，各程序模块之间采用文件接口方式连接以方便客户使用。该系统所有的程序模块都包含有完整的英制及公制单位缺省工程参数以简化用户输入。所有的结构数据，如几何形状，构件尺寸，材料特性以及环境条件等都通过交互方式输入并以文件方式存储。随后求解程序对这些数据进行分析计算，得出最终的求解文件，该文件中包含所有节点的位移以及单元内力。后处理程序使用求解文件中的数据，采用相应的规范对结构作规范校核。不符合规范要求的部分程序可自动进行重设计。

对安装位置处平台局部结构应用SACS软件校核。

考虑平台局部结构自重，所建模区域处无机械设备、管线、电缆、仪表等，所以仅施加活荷载，按照API（American Petroleum Institute，美国石油学会）规范施加2.5 kN/m2的活荷载；安装位置附近存在平台原有吊机，按照平台方提供的吊机静载荷加力；考虑4个方向的风载荷及4个方向吊装时悬臂吊底座受力，包括传递转矩的正负关系分为CR1—CR8等8种基本工况，因此最终按照如下组合工况逐一核算。

其中，COM1—COM8分别代表组合工况1至组合工况8；DEAD表示平台甲板自重，由于是老平台甲板结构，取10%的不确定系数；LIVE表示甲板活荷载，所建原有甲板处无设备、管线、电缆、仪表等，非设备区活荷载按照2.5 kN/m2施加；CRAN表示平台原有吊机静荷载，按照平台方提供的数据466 kN（47.55 t）施加；WIN0，WI90，W180 和 W270 分别表示 0°，90°，180°，270°的4个方向的风荷载（考虑1年一遇和100年一遇施加风荷载）；CR1—CR8 分别表示 0°，90°，180°，270°的 4 个方向吊装时悬臂吊底座受力，总重量102 kN，总弯矩为300 kN·m，总转矩为28 kN·m（参考图3），根据转矩正负关系及4个方向分别对应CR1—CR8的8种工况。

图3 悬臂吊底座受力示意

采用JOINT LOAD施加，3轴为概念性轴，实际不存在。为了施加荷载，在相应位置建立虚拟杆件，在杆件节点处施加悬臂吊动载荷。

根据海上施工现场调研结果，悬臂吊设置在平台北侧3轴附近，中心位于3轴上，距离D-2轴700 mm。建模区域为C轴至D-2轴，2-2轴到4-a轴之间，EL.（+）24 194和EL.（+）28 094两层甲板。两层甲板之间的立柱底部节点自由度设为（111111）（图 4）。

图4 平台局部3D示意

通过SACS软件建模加载计算，结果显示仅在第一种组合工况下存在某一杆件强度不满足规范要求，即杆件C1-2UC值>1.0，将此型钢加强成箱型梁后再次试算，UC结果值满足API规范要求（图 5）。

结果显示，平台整体位移不大，最大位移量出现在C3号节点，为9.385 9 cm，且出现在COM8工况下。由于C3点不是实际存在的点，其位移由两侧型钢共同承担。

3.2 对悬臂吊底座及甲板接触面进行校核计算

有限元分析（Finite Ele-ment Analysis，FEA）是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它是20世纪50年代首先在连续体力学领域—飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学等问题。目前，该方法已经应用于水工、土建、桥梁、机械、电机、冶金、造船、飞机、导弹、宇航、核能、地震、物探、气象、渗流、水声、力学、物理学等，几乎所有的科学研究和工程技术领域。基于有限元分析算法编制的软件，即所谓的有限元分析软件，如ANSYS软件。

通过ANSYS有限元分析软件模拟悬臂吊底座受力情况，在ANSYS中采用shell 181单元对悬臂吊底座进行模拟计算。

通过建立接触点PILOT，模拟悬臂吊底座立柱与平台甲板梁的接触，在模拟点上施加载荷。增加悬臂吊底座重量Fz=-（102+2.27）=-104.27 kN，My=300 kN，Mz=-28 kN。将平台甲板梁有竖向支撑的位置固定Z方向位移，将水平梁固定其轴向位移（图 6～图 8）。

图5 加强成BOX箱型截面

结果显示，新增节点及平台原有节点最大应力均小于其许用应力，满足规范要求，即悬臂吊底座下方平台局部结构强度满足规范要求（表1）。其中，T为钢板的臂厚。

4 结束语

埕北油田设备设施整体升级改造项目是迄今为止国内最大规模的海上老油田改造工程项目，涉及平台数和专业门类最多，停产时间最长，改造工作量最大，而应用多台小型定柱式悬臂吊辅助海上老平台改造施工在国内也实属首例。改造施工期间，特别是在油田关断、停产期间，4台小型定柱式悬臂吊得到了充分利用，大大改善了现场作业环境，仅在工程拆除阶段就节省了10 d关键工期，节省132.405万元人民币费用，降本增效成果显著。此外，悬臂吊安装位置选择、本体选型设计、底座强度核算、平台结构局部强度核算等问题的解决方案，保证了悬臂吊的安装及使用安全，为类似工程项目提供了成功的借鉴作用。

图6 接触面ANSYS有限元模型

图7 Misses整体应力云图

表1 ANSYS软件计算结果

图8 新增补强钢板应力云图

在当前国际石油行业低迷的大环境下，从油田投资开发及回收的经济性考虑，未来一段时间内，各大石油公司极有可能放缓新油田开发的步伐，将更多目光聚焦在老油田二次升级改造或拆除与弃置方面，一般会遭遇老平台吊装资源匮乏、吊装装备老化且吊装任务巨大的压力。这时，可以考虑借鉴埕北改造项目采取利用多台小型悬臂吊辅助海上吊装作业的成功经验，达到节能增效的目的。