API SPEC 2C规范在海上平台起重机设计中的应用

付万里，黄田忠，刘 刚，谢松莲

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

海上平台起重机主要是在海洋平台上使用的起重机，是一种用于海洋平台装卸货物和吊运人员到平台上的设备，是海洋石油生产中最重要的生产和安全设备之一，其安全可靠性、可维修性、可抗风性和耐腐蚀性要求很高。海上平台起重机通常安装在固定平台结构或浮动平台结构上，用于深海油气的钻井和开采作业。这些平台包括固定平台（Fixed Platform）、张力腿平台（Tension Leg Platform，TLP）、单柱式平台（Spar）、半潜式平台（Semi-sub Platform）、钻井船（Drill S hip）和浮式生产储油卸油装置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）。目前，国际上广泛采用的海上平台起重机设计规范有 2种：1）美国石油协会（American Petroleum Institute，API）制定的API SPEC 2C规范；2）欧洲标准化委员会（Comité Européen de Normalisation，CEN）制定的EN 13852-1规范。除上述2种规范外，还有美国船级社（American Bureau of S hipping，ABS）、挪威船级社（Det Norske Veritas，DNV）、英国劳氏船级社（Lloyd’s Register of Shipping，LR）和中国船级社（China Classification Society，CCS）等船级社制定的规范，然而这些规范属于起重设备的入级检验规范，不完全是设计规范的范畴。API SPEC 2C规范是关于海上基座式起重机设计、制造和试验的规范，该规范在国际上被广泛采用，也是目前国内唯一采用的基座式海上起重机设计规范，国内基本所有的海上平台起重机均按照此规范进行设计和建造。

1 适用范围

随着海洋石油工业的发展，API SPEC 2C规范已从1971年的第1版（API SPEC 2C-1971）发展到2012年的第7版（API SPEC 2C-2012）。相较于前一版本，API SPEC 2C-2012规范将船用起重机和重型起重机纳入适用范围之中。船用起重机是在海上环境中执行运输作业的一种特殊起重机，主要用于舰船间货物的运输转移、 海上补给、水下作业设备的投放与回收等重要任务。重型起重机安装在驳船、自升式船舶或其他船舶上，常用于港口、遮蔽水域或非常平静的近海环境下的施工和救助作业。API SPE C 2 C-2012规范将基座式起重机总成类型划分为A～E 5种类型，其中，A型为直臂式起重机，B型为伸缩臂式起重机，C型为折臂式起重机，D型为桅杆式起重机，E型为将军柱式起重机。各类型基座式起重机的结构特点见表1。

表1 各类型基座式起重机的结构特点

2 载荷工况和载荷组合

在不同作业条件下，海上平台起重机受到的载荷组合不同。在设计时，应考虑各种作业工况下的安全作业范围，以免载荷超过规定值。起重机作业过程中受到多种载荷的作用，主要包括垂直设计极限载荷、供应船倾斜载荷、起重机倾斜侧载、起重机运动载荷和环境载荷。垂直设计极限载荷是安全工作载荷与垂直动态系数的乘积，主要表示额定载荷受到的动态作用力；供应船倾斜载荷是指由于供应船运动而产生的作用在起重机吊臂顶端的水平载荷，包括前倾载荷和侧倾载荷；起重机运动载荷是指由于平台/船舶运动而产生的作用在起重机基础上的载荷；环境载荷是指风、雪和地震等引起的载荷。

海上平台起重机在设计时应考虑4种作业工况：1）船外起升；2）船上起升；3）不工作（吊臂不收车）；4）不工作（吊臂收车）。不同作业工况下需考虑的载荷组合如表2所示，√表示需考虑某种载荷；×表示不需考虑某种载荷。

表2 不同作业工况下需考虑的载荷组合

3 许用应力

在明确载荷组合和载荷数值后，可通过经典力学计算方法或有限元软件对不同作业工况下海上平台起重机结构的应力值进行计算。对于金属结构，要根据美国钢结构协会制定的AISC 335 89规范对许用应力进行验收。此外，当载荷组合中包含地震载荷或极端风载荷时，AISC 335 8 9规范中的许用应力值应增加 1/3。不同受力情况下金属结构的许用应力见表3。

表3 不同受力情况下金属结构的许用应力

4 垂直设计极限载荷

作用在起重机臂架顶端的垂直设计极限载荷等于额定载荷与垂直动态系数的乘积。

式中：为垂直设计极限载荷；为安全工作载荷；为垂直动态系数，船外起升和船上起升工况下，的计算公式分别见式（2）和式（3）。

式（2）和式（3）中：为起重机垂直弹性刚度；为重力加速度；为垂直吊臂顶部的加速度；为相对速度，计算公式见式（4）。

式中：为起吊安全工作载荷的最大稳定起升速度；为供应船的速度；为起重机吊臂顶部速度。

起重机垂直弹性刚度用于表示施加规定的载荷后，吊钩在垂直方向的位移量，计算公式为

式中：为臂架系统刚度系数，计算公式见式（6）；为起升绳刚度系数，计算公式见式（7）。

式（6）和式（7）中：Δ为加载时起重机吊臂头部的位移量；Δ为加载时起升绳端部的位移量。

5 断裂韧性

采用具有足够断裂韧性的材料对关键件进行制作，可最大程度地降低危险发生的概率。对于工作温度接近设计温度的部件，宜提高对其冲击韧性的要求。设计温度定义为最低平均日温，该值根据年度气象资料确定。结构钢、铸件和锻件的断裂韧性要求见表4，螺栓材料的断裂韧性要求见表5。

表4 结构钢、铸件和锻件的断裂韧性要求

表5 螺栓材料的断裂韧性要求

6 零件设计

6.1 绳索

绳索是起重设备非常重要的零件，绳索的安全关系着货物/人员是否能够顺利吊放。绳索安全系数的计算公式为

式中：为绳索的安全系数，3≤≤5。

绳索最小破断强度的计算公式为

式中：为单根钢丝绳的标称破断载荷；为钢丝绳载荷；为绳段数；为穿绳效率。

6.2 提升绞车

提升绞车主要用于实现货物和人员在海洋平台和供应船之间的转移。提升绞车的工作负载为，工作速度为，提升绞车的负载功率计算公式为

提升绞车的卷筒直径可通过式（11）计算。

式中：为缆绳直径；为卷筒直径系数，=18。

电动机的输出扭矩计算公式为

式中：为传动系统的机械总效率；为传动系统的减速比；为绳段数。

电动机功率的计算公式为

由于液压马达不具备电动机的过载能力，且马达工作压力又受系统压力的限制，故液压马达的输出扭矩和输出功率受到垂直动态系数的影响，计算公式分别见式（14）和式（15）。

式（14）和式（15）中：为液压马达输出扭矩；为液压马达需要输出功率。

7 结论

海上平台起重机主要是在海洋平台上使用的起重机，是一种用于海洋平台装卸货物和吊运人员到平台上的设备，是海洋石油生产中最重要的生产和安全设备之一。本文在对API SPEC 2C规范在载荷组合、设计系数、许用应力和低温韧性等方面规定进行分析，并对绳索和提升绞车进行了总体设计。研究成果可为设计人员选取海上平台起重机总体参数提供帮助，为起重机的总体设计提供理论依据。