起重船舶作业时升沉补偿系统操作分析

徐 锋

上海振华重工（集团）股份有限公司海工船舶事业部，上海 200125

海上起重船舶在进行安装拆除作业时，工件需要平稳降落在海床上或从海床上吊起，必须严格避免碰撞。但海上天气多变，遇到汹涌的波浪会引起船体及起重机在多个维度的复杂运动，尤其是竖直方向上的起伏会引起被吊负载的严重垂荡。此时，需要使用带升沉补偿功能的起重机。

1 升沉补偿系统概述

升沉补偿系统的基本结构有三类：绞车收放型、液压缸伸缩型、吊臂变幅型。其中，液压缸伸缩型由于具备系统相对独立，补偿能力大同时系统功率需求较小的优点，成为目前大型升沉补偿起重机的首选方案。

振华重工建造的5000吨级起重船在原有常规起重机的基础上，通过加装单绳300吨级波浪补偿系统及相应的滑轮组、钢丝绳及吊钩，实现了升沉补偿功能。该系统支持臂架顶部钢丝绳出口点下300t、水下3000m的补偿能力。通过增加滑轮组及钢丝缠绕数量，该系统还可以实现600t甚至1200t的补偿能力，但注意此时可补偿的升沉量（位置和速度）为单绳倍率模式下的1/2和1/4，并且工作水深也需相应折减。

2 补偿器结构及原理

起重船升沉补偿的目的是在将负载降落到海床的过程中保持恒定的垂直位置，减少船体起伏的影响。为了实现升沉补偿，必须不断增加或减少钢丝绳长度。液压缸伸缩型升沉补偿系统利用油缸补偿器来实现钢丝绳的缩短和加长。补偿器结构及液压系统示意图如图1所示。

图1 补偿器结构及液压系统示意图

伸缩油缸型补偿器本质上是一个液压油缸和滑轮的组合，可以比作一个单作用油缸（被动补偿部分）和较小的双作用油缸（主动补偿部分），补偿器分为3个腔室：被动补偿腔；主动补偿A腔；主动补偿B腔。

被动补偿腔与蓄能器系统相连，形成气液弹簧，因此被动补偿部分提供一种随以下因素而变化的力：（1）油缸位置（由于蓄能器中氮气体积的膨胀和压缩引起的压力波动）；（2）油缸速度（由于液压系统中的压力损失）；（3）运动方向（由于滑轮、补偿器和蓄能器中的摩擦产生力的损失）。当补偿器被动部分在船体做正弦上下起伏运动的影响下，钢丝绳上的负载和补偿油缸位置的函数如图2所示。

图2 被动补偿力与油缸位置关系

在图2中，回路的下部表示油缸延伸期间（船体下沉）的被动推力，上部表示油缸缩回时（船体上浮）的被动推力，前后两端的垂直“跳跃”是由这些点的方向变换引起的。

被动补偿腔通过调节蓄能器中的氮气量来平衡3325kN的负载。被动补偿部分提供的力在2730～3920kN变动。只有当补偿力高于钢丝绳重量且低于钢丝重量和（水下）负载的总和，被动补偿才能工作，否则需要启动主动补偿部分。仅使用被动补偿，如负载降至海床之前，可以减少约70%的负载运动。在负载接近海床时，为使负载更加平稳精确地着陆，需要开启主动补偿，纠正被动补偿调整中的偏差。主动补偿部分可用来抵消±595kN的偏差（接近负载的18%），使最终总补偿力与钢丝重量和（水下）负载的总和平衡，从而进一步减少负载随起重机（船体）的运动。

3 升沉补偿系统的操作

基于上述原理，通过液压系统内电磁液压控制阀的不同启闭组合，升沉补偿系统具有三种不同的工作模式。（1）被动钢丝绳张紧，即仅使用被动补偿部分形成气液弹簧来减少起重机（船体）随机起伏的冲击。（2）主动钢丝绳张紧，即不使用MRU来控制补偿油缸的位置，而是使用电磁液压控制阀来精确地提供主动推力或拉力来补偿被动推力的变化。换言之，即使用图1中的控制阀A使主动补偿腔和被动补偿腔合力保持恒定，以提供钢丝绳恒定的张紧力。（3）主动升沉补偿，即基于MRU信号的位置控制模式，液压系统为主动补偿AB腔供油以主动控制补偿器的伸缩。

结合三种不同的模式，升沉补偿起重机可以适应不同的起重工况下，典型的工况如下。

3.1 海底安装作业

典型下放操作分如下阶段进行：（1）升沉补偿系统的准备阶段，开展系统检查，启动液压系统使系统适应预期的水下荷载；（2）将起重船甲板上的负载连接到起重吊钩上并提升负载（在开始升沉补偿之前，补偿器保持静止固定状态）；（3）起重机回转和变幅到正确的下放位置，下放吊钩至负载完全淹没；（4）将补偿器被动补偿压力设置调整为起重机测量得到的负荷（如果预估的浸没状态下的负荷是正确的，则无须更改设置），在此阶段，负载仍随起重机顶部上下移动；（5）继续下降负载（降低负载期间，由于下放的钢丝绳重量增加，补偿器被动补偿压力需不断调整以不断适应新的要求），在此阶段，负载仍随起重机顶部上下移动；（6）在抵达海床前的特定位置时，需要提前启动被动补偿系统降低荷载的运动，因为当放出一定长度的钢丝绳时，钢丝绳的弹簧效应将导致负荷上下振动，此时起重机顶部钢丝绳出口点下方钢丝绳的对地速度将和绞车的放绳速度一致，该情况下负载位置补偿精度可达5%的油缸行程；（7）将负载下放至海床后，被动补偿压力降低，由于过长的钢丝绳本身也类似与弹簧，为防止谐振，系统需要切换到主动钢丝绳张紧模式；（8）随着补偿器压力进一步降低，钢丝绳张力也降低，尤其是当钢丝绳较长时，绞车应继续松放来弥补钢丝绳的弹性拉长；（9）系统切换至主动升沉补偿模式，以允许负载脱钩；（10）钢丝绳被收回（在上升过程中，补偿系统可以完全关闭）。

3.2 海底拆除作业

从海床上提升负载时，起重机无法测得负荷，因此需要事先预估负载的重量，精度不得超过±5%，尤其是水深较深时。如果实际负载比预估轻得多，当补偿器的压力增加时负载将被不经意间提起；当负载重于预估，钢丝绳的弹性拉伸量抵消掉了补偿器的行程，负载反而提升不起来。典型的提升程序分如下阶段进行：（1）钢丝绳松放，在吊钩接近负载时，必须启动主动升沉补偿模式；（2）挂钩已连接；（3）补偿系统将切换到主动钢丝绳张紧模式；（4）补偿器的推力设置缓缓增加，直到刚好低于预估的水下重量；（5）系统切换到主动升沉补偿模式，同时绞车以最大的速度提升负载；（6）在负载提升期间，随着水下钢丝绳的重量不断减少，补偿器被动压力需要不断调整；（7）当负载离开海床足够高度时，为防止谐振，补偿器关闭并保持固定，直至负载离开水面；（8）起重动作完成，将负载放在起重船甲板上。

4 升沉补偿系统的操作限制

4.1 负荷变化

负载的状态不能快速变化，即负荷应缓缓增加或减少。受蓄能器调节单元功率限制，补偿器需要一定的时间来调节被动补偿部分的压力来适应大的突变负荷，因此负载从空气到水下或从水下到空气中的过渡过程中需要关闭升沉补偿系统。

4.2 吊机位置

在升沉补偿操作期间，起重机的首选位置应对准船尾，此时，船体横摇对钢丝绳位于臂架顶部的出口点高度的影响有限。在其他回转位置，升沉补偿系统还要补偿船体周期横摇引起的升沉，这往往会超出补偿的极限。

4.3 起重船运动

为减少负荷的突变，不建议在升沉补偿系统运行期间进行起重船回转变幅操作及船位移动。

5 结束语

随着国家海上资源的开发从近海逐渐走向远海，人类所面临的海洋环境挑战也更加恶劣。当前我国海洋开发过程中虽然已经广泛使用带升沉补偿功能的起重机，但基本为国外进口产品，还没有成熟的国产产品投入使用。文章通过对某升沉补偿系统的原理展开研究，分析了沉补偿系统的几种工作模式及实际操作程序，为发展国产升沉补偿起重机制造技术提供了一定的参考。未来我国制造的海洋装备势必会朝着高技术含量的方向不断发展，为海洋资源开发提供有力的技术保障。