海洋折臂吊在超深水海洋钻井平台上的应用与研究

郭学峰

（中远船务工程集团有限公司技术中心 大连116600）

海洋折臂吊在超深水海洋钻井平台上的应用与研究

郭学峰

（中远船务工程集团有限公司技术中心 大连116600）

根据美国API Spec 2C标准和DNV近海起重设备入级规范，结合实例对海洋折臂吊的设计基础、系统组成、主要设备参数、设备布置、基座强度校核等有关问题进行详细阐述，希望能为设计人员进行类似布置设计提供借鉴，也能给国内吊机的生产厂家提供一些参考，从而促进超深水海洋钻井平台上海洋折臂吊的制造与应用，使其更能适应国内海洋工程的发展新形势。

海洋折臂吊；设计基础；系统组成；海洋平台上的布置；基座强度

引 言

超深水作业海洋折臂吊是近几年逐渐发展成熟起来的，其在普通船用起货吊机和臂架式海洋钻井平台吊机不能满足浮式超深水钻井平台独特的钻井作业需求条件下产生。目前在超深水（作业水深大于1 500 m）的浮式海洋钻井平台上被普遍采用，其功能不再仅局限于传统意义上在甲板和岸边使用的船用起货吊机，以及在浅海开敞水域海洋平台上使用的臂架式海洋钻井平台吊机（满足CCS《船舶与海上设施起重设备规范》近海作业要求）。

超深水作业海洋折臂吊通常是双折臂吊，安全工作载荷为50～600 t，采用电-液驱动方式，变幅系统由两个液压油缸进行操作，具有操作灵活、功能全面、大工作半径、起吊工作载荷大、吊臂存放占用空间少、作业效率高的特点，其外形图见下页图1。

超深水作业海洋折臂吊具备如下主要功能：

（1）水下设备ROV、水下管线铺设等安装、起吊作业；

图1 典型海洋折臂吊外形图

（2）开敞海域船对船海上输送设备、材料等起吊作业；

（3）海上浮态下开敞海域的起吊操作（如：推进器的安装及维修、作业海域内的甲板面设备起吊作业）；

（4）屏蔽海区港口及码头起吊作业；

（5）作业人员上下平台人员吊运作业；

（6）钻井过程中隔水套管起吊作业；

（7）钻井过程中钻杆起吊作业。

相比之下，船用起货吊机仅有上述（2）、（4）的作业能力，而臂架式海洋钻井平台吊机无法满足上述（1）、（6）、（7）的作业能力。

据了解，国内厂家还无法设计和制造超深水作业海洋折臂吊机，目前仅欧、美、日等极少数西方发达国家能够设计和制造该类产品，拥有自主知识产权并垄断了国际市场。国内制造的浮式超深水钻井平台上使用的海洋折臂吊主要依赖进口，同时海洋折臂吊的布置、基座加强设计也主要由国外设计公司完成。

下面结合设计实例及美国API Spec 2C标准和DNV近海起重设备入级规范，分别对海洋折臂吊的设计基础、系统组成、主要设备参数、布置、基座强度等进行详细地阐述，希望能够为国内进行类似布置设计及吊机厂家提供参考，以早日实现超深水钻井设备的国产化。

1 超深水作业海洋折臂吊的设计基础

海洋折臂吊的设计、制造、试验和检验除需要满足美国API Spec 2C标准［1］外，还要满足入级DNV近海起重设备入级规范［2］以及由其引申出来的规范或者规则的要求。海洋折臂吊与船用起货吊机功能不同，满足的标准或规范也不同，见表1。

表1 海洋折臂吊与船用起货吊机满足的标准或规范区别

海洋折臂吊主要技术参数：

（1）最大、最小工作半径及安全工作载荷；

（2）最小提升速度；

（3）最小旋转速度；

（4）起升高度；

（5）最低设计温度-20℃；

（6）波浪补偿参数；

海洋折臂吊根据工作使用频率及载荷大小将其进行组群级别划分，根据该划分的组别等级作为折臂吊的设计基础，见表2［3］。

表2 海洋平台折臂的组群等级划分

2 超深水作业海洋折臂吊的组成

海洋折臂吊由吊机基座、回转装置、主/应急油泵及HPU、吊臂变幅油缸、起升/折臂吊臂、主/辅提升卷筒、主动补偿系统、防碰撞智能区域控制系统、桥楼中央集控系统、紧急控制释放系统等组成。海洋折臂吊由主船体动力系统提供电力，参见图2。

图2 海洋折臂吊外形图

海洋折臂吊的控制室是吊机自身的控制中枢，所有控制功能都可以由满足人机工程设计的单人操作椅完成。控制室为独立可吊装的模块， 采用减震器将其安装在吊机上，控制室配有手动门、全景侧窗及地窗， 并带有雨刮器及高压水洗系统， 配有独立的通风及空调系统。恒张力系统、主动波浪补偿则可以根据负载的大小通过调节液压绞车上的溢流阀溢流压力来设定。

系统设备除了将应急停机作为系统保护的一种措施外，还有如下配置：吊机配备可随吊机移动而启动工作的声光报警系统，不仅吊机控制室内的应急按钮能控制吊机，吊机的就地应急按钮也能够控制吊机。上述的应急停机同样遵循司钻房的应急停机原则［4］。

防碰撞智能区域控制系统使用在多个吊机同时作业的工况下，以防止发生相互碰撞的安全事故。该功能对于钻机机械和吊机在操作过程中尤为重要。

海洋折臂吊有正常操作和应急直接操作两种工作模式， 两种模式由转换开关实现。在正常操作模式下， 所有的动作由相应的手柄和按钮实现；在应急直接操作模式下，操作者可以通过手柄单独控制某个动作，此种模式适用于传感器失效、吊具失灵等应急工况。

3 超深水作业海洋折臂吊主要参数

3.1 提升卷筒系统

提升卷筒主要由滚筒、提升钢丝绳、吊钩滑轮组组成，配置有恒张力装置、负荷探测阀、系统压力截断阀，恒张力装置在限定的工作压力下控制泵的排量，实际的驱动功率不会超过；负荷探测阀可以依照负载的压力去调剂泵的排量。

恒张力装置主要使用在海上浮态作业，海面波浪起伏作用下起吊操作钢丝绳时而松懈时而紧绷，由两个驱动装置即主驱动装置和恒张力装置来控制，运动形式通过一个转换开关来进行切换。当重物下降到位及钢丝绳卸载后，主驱动装置关闭，恒张力驱动装置打开，绞车滚筒拉紧钢丝绳，马达不受运转方向限制双向供油，重物载波峰时被举高，滚筒拉紧钢丝绳；重物载波底时下降，马达作为泵运转，重物随波浪下行。吊钩上的重物在随波浪运动时，操作人员可以在任何位置发出“提升”指令，驱动控制系统可以自动寻找最佳起升点，即当绞车滚筒运动在起升方向上转速接近“零”时，恒张力装置关闭，驱动装置驱动滚筒进行提升工作。

3.2 操作控制和监测系统

吊机的控制和检测系统与其他的系统结合在一起，包括CCR主控制系统、报警系统、火灾和可燃气体检测系统、通讯系统、负载指示系统等，通常情况下，吊机的内部、外部为安全区域，吊臂的端部为一类危险区域；根据该划分等级进行电气系统的防护等级要求。

3.3 电气系统

电滑环、进入电缆、油泵马达、马达启动器以及其他用电设备构成吊机的电气系统。吊机吊臂的最顶端障碍灯为直升机导航，旋转机构配备用于甲板照明的泛光灯，吊臂头部安装货物跟踪强光灯，以确保工作安全，吊臂头部安装CCTV系统用于驾控室人员监控操作。

3.4 主动补偿系统

主动波浪补偿系统在负载工作于深水环境下，水下作业要考虑水的浮力、水流、潮汐、波浪等对勾头、绳索和重物的影响。当水深超过200 m 后，水下的负载运动与船舶的姿态运动存在明显的偏差，负载运动会滞后于船舶的运动且有可能产生震荡，此时就应该考虑到钢丝绳的弹性影响。补偿装置能够使绳索始终有张力，避免由于绳索发生松驰而产生冲击，同时重物在波浪中要左右摇摆，主动波浪补偿系统能产生恢复力矩，减小摇摆角。重物在海浪中产生六自由度运动，其中横摇、纵摇和垂荡运动对操作影响最大，而绳索向上的主动波浪补偿系统则主要影响三者的恢复力（矩）。主动波浪补偿系统能够抵御的环境作业参数需要根据具体工作海况等级确定，也可参见表3。

表3 主动波浪补偿环境参数

主动波浪补偿系统主要使用在以下三个关键阶段：飞溅区域附近重物与水面接触的瞬间；接近海底阶段防止重物撞击海底以及重物落地后钢丝绳上力的变化；摘除吊钩阶段，为了方便水下设备摘除吊钩，需要使吊钩与重物保持一定的张力。

3.5 隔水套管、钻杆抓管器连接器系统

隔水套管的起吊采用的是一种液压膨胀接头型式的专用吊具，膨胀接头在收缩状态下伸到隔水管的内壁，通过膨胀压紧隔水管内壁产生的摩擦力将隔水管吊起，并且此装置在液压动力失效后也可以保证吊具锁紧。钻杆的起吊采用的是一种抓管的专用吊具，利用抓管器的开合将钻杆吊起，通过液压锁紧装置可以保证吊具锁紧，防止钻杆松动。参见图3。

图3 海洋折臂吊钻杆抓管器与隔水套管抓管器

4 超深水作业海洋折臂吊的布置

根据海洋钻井平台的总体布置，吊机的覆盖面积要满足工作需要，从而确定海洋钻井平台上面吊机的台数、最大工作半径以及在不同工作半径处的起吊重量，根据相关标准及规范以及船东的要求确定吊机的起升和回转速度，从而确定吊机的工作能力。钻井平台上面的吊机工作半径必须能够覆盖平台需要吊装区域及井架、钻井区域，必须避免出现工作死角。折臂吊作为船舶或平台的一项重要装备，其布置由总体设计方通盘考虑，设备制造方予以配合。

海洋折臂吊布置在露天甲板上，吊臂的高度要充分考虑到吊车的作业高度需要、设备进出及人员操作方便性，见图4。

图4 海洋折臂吊在钻井船上的参考布置

5 超深水作业海洋折臂吊设计计算

海洋折臂吊的结构设计要按照美国API Spec 2C标准的要求，根据吊机的使用工况进行结构强度、机械设计。设计方法分为：特定船方法；通用方法；动态方法（仅限于座底平台）［1］。

5.1 风环境载荷

风载荷是变化的，设计时需根据吊机不同工况分别选取。本实例中，经过修正后的最终风压为：

式中：Cs为吊机构件的形状系数；U为风速，m/s；SWLH为包括吊钩在内的安全工作载荷 kN。

计算受风面积选取受风构件的正投影面积，风载荷还要根据风方向考虑对应的作用方向。

5.2 冰雪环境载荷

冰雪载荷在寒冷地区可能成为海洋平台的控制载荷：

式中：D为吊机各构件的外径；t为冰层的厚度；Pe为冰层的有效压力。

5.3 吊筒结构计算

海洋折臂吊结构设计需要考虑载荷系数。海洋平台设计状态：横倾5℃、纵倾2℃，其载荷系数

5.4 机械部件设计

海洋折臂吊机械零件的设计需要考虑吊机使用寿命周期（参见表4）。

表4 机械设计依据的吊机使用周期分类

6 超深水作业海洋折臂吊的基座及船体底座强度校核

根据海洋折臂吊安装位置作用的载荷为：折臂吊及基座自重、折臂吊的支反力及弯矩、风载荷、冰雪载荷、上浪载荷、主船体波浪弯矩载荷引发的船体变形对基座的载荷、船舶运动加速度载荷、船舶的横、纵倾影响等。海洋折臂吊及基座自重通常约500 t。采用FEMAP有限元结构计算软件，依据实船入级DNV海工规范对其进行校核屈服强度、屈曲强度、疲劳强度。模型根据结构及承受载荷的特点，从力学上加以抽象化。实船实例计算结果见图5。

7 结 论

本文详细阐述了超深水作业的海洋折臂吊的设计基础、系统组成、主要设备参数、布置、基座强度等有关问题，希望能够为国内的相关设计人员与吊机生产厂家提供一些参考。

［1］ API Specification 2C Offshore Pedestal-Mounted Cranes［Z］.2012：41-104.

［2］ DNV Lifting Appliances［S］.2012：05-98.

［3］ FEM1.001Rule for the Design of Hoisting Appliances［S］.1998：01-202.

［4］ 赵建亭.隔水管垂直存放系统设计简介［J］.船舶，2010（4）：25-27.

Application and investigation of knuckle boom crane on ultra deepwater off shore drilling platform

GUO Xue-Feng
(COSCO Shipyard Technical Center, Dalian 116600, China)

According to American API Spec 2C standards and classification rules of DNV offshore crane equipment, this paper presents design foundation, system component, main equipment parameter, equipment arrangement, pedestal strength and other relevant questions in detail. It is instructive for designers to design similar arrangement, and can provide reference for the domestic crane manufactures. It also prompts the manufacture and the application of knuckle boom crane on the ultra deepwater off shore drilling platform to become more suitable for the recent development of the national off shore engineering.

knuckle boom crane; design foundation; system component; arrangement of offshore platform; pedestal strength

U664.4+3

A

1001-9855（2014）05-0050-06

2013-11-17 ；

2014-01-06

郭学峰（1971-）, 男 ，高级工程师，研究方向：海洋工程船结构与舾装设计。