海工建造中偏心吊笼的设计研究

吴 捷，朱 烽

1.中国石油集团海洋工程有限公司，山东青岛 266000

2.山东海洋工程装备研究院有限公司，山东青岛 266000

随着深水油气田的开发，导管架和模块的日益大型化和复杂化，从研究偏心吊装作业入手来设计偏心吊笼，是解决在海洋工程建造物内部狭小空间中运输物料这一难题的关键[1-7]。由于被吊物在吊装作业中承受的载荷包括吊装力、被吊物结构自重载荷和环境载荷，因此吊笼结构强度和吊点强度是偏心吊笼设计的重要影响因素。吊笼的偏心吊装过程可视为U型桁架的偏心吊装过程，因此偏心吊笼的整体倾角是另一个需着重考虑的影响因素。本文结合某导管架建造中的需求，研究分析偏心吊装作业过程中吊笼的工况和载荷，并进行偏心吊笼设计和数值模拟计算校核；在完成偏心吊笼设计和建造后，进行了吊装试验，最后取得了中国船级社CCS认证。

1 吊笼吊装的分析研究

某导管架建造工程中，导管架内侧约4 m处有多个需要进行脚手架杆搭拆的作业点，搭拆作业需装载质量约1 t。需采用吊笼进行脚手架杆运输，脚手架标准杆长约6 m。该工程中使用偏心吊笼的作业具有高频次、装载质量小的特点。

若使用常规吊笼进行作业，可伸入导管架内侧的长度不足；若延伸吊笼一端的长度，则吊笼整体长度需加长以保持平衡；因此为克服常规吊笼的不足并满足作业需求，需设计偏心吊笼。为减少偏心吊装作业中吊索的更换频率，可考虑让吊索长度保持不变，而让吊笼整体存在适当倾斜度时，仍可保持平衡。

1.1 吊笼结构初步设计

初步设计中，吊笼尺寸为11 m（长）×1.35 m（宽）×1.2 m（高），吊笼框架由Q235B的工字钢I20b和等边角钢L80× 5组成，吊笼底板铺设8 mm厚花纹钢板，吊点采用25 mm厚D36级钢板。吊笼一侧为配重区，设置配重块用于吊装平衡，另一侧为装载区，用于伸入导管架内部装载脚手架杆，设计可伸入长度5 m。初步设计后，吊笼结构、吊耳位置及各载荷区域分布见图1。结合建造场地实际情况，确定吊装用具如下：

（1）四腿成套压制索具1套，规格为φ28 mm×10 m（长度）。

（2）长吊环1个，规格为135 mm（长吊环短内径B）×250 mm（长吊环长内径L）×38 mm（长吊环金属材料直径d）。

图1 吊笼结构、吊点位置及各载荷重心分布

（3）弓形卸扣4个，规格为BX型卸扣。

1.2 吊笼吊装工况及载荷分析

吊笼偏心吊装的作业过程分为两种工况：一是空载工况，即吊笼左侧放置配重块，右侧不装载；二是满载工况，即吊笼左侧放置配重块，右侧装载约1 t脚手架杆。

吊装作业时，吊笼承受的固定载荷分别为自重载荷、配重块载荷和装载物载荷。由图1可得吊笼框架自身质量约2.75 t，重心距离吊笼左侧5.46 m，配重载荷重心距离吊笼左侧1.2 m，装载面积为3 m2；装载物质量约1 t，重心距离吊笼左侧7.9 m，作用面积为7.7 m2。吊笼整体倾斜时，力矩平衡如图2所示。

根据力和力矩平衡公式：

并考虑吊索长度不变，吊装过程中存在倾斜，整理式（1）、（2） 得：

式中：G为吊笼自重重力，kN；x为吊笼自重重力作用线到吊笼左侧原点的距离，mm；G1为配重重力，kN；x1为配重重力作用线到吊笼左侧原点的距离，mm；G2为脚手架装载重力，kN；x2为脚手架装载重力作用线到吊笼左侧原点的距离，mm；F为吊装力，kN；x3为吊钩吊装力作用线到吊笼左侧原点的距离，mm；α为吊笼在吊装中倾斜角度，（°）；L为索具长度，mm。

图2 吊笼力矩平衡简图

由式（3）计算可知，空载工况下设计倾斜角度为-2°时，配重质量为5.11 t。

吊装作业时，吊笼环境载荷主要为风载荷。载荷计算根据SY/T10030-2004《海上固定平台规划设计和建造的推荐作法》[8]和API RP 2A[9]中的方法进行计算，其计算公式如下：

（1）吊笼吊装位置风速：

式中：u为强风条件下，在海平面上高度z处，在平均时间段t内的设计风速值，m/s；Uz为强风条件下，在海平面上高度z处，在1 h内的平均风速，m/s；Iu为强风条件下，在海平面上高度z处的紊旋速度，m/s；t为平均时间段，s；z为距海平面高度，m；U0为在海平面上10 m高程处，在1 h内的平均风速，m/s。

（2）吊笼吊装位置风力：

式中：F为物体受风力，kN；ρ为空气密度，kg/m3；Cs为构件形状系数；A为物体遮蔽面积，m2。

（3）吊笼装载重物的静载荷：

式中：q为吊装装载的面载荷，kN/m2；m为吊装装载的质量，t；g为重力加速度，m/s2；A1为吊装装载的受压面积，m2。

在建造作业期间，风载荷是多向的。拟考虑校核风载荷与吊笼夹角成0°、45°、90°时的吊笼结构强度。该吊笼用于场地导管架和模块建造，根据标准[10]要求考虑吊装安全并结合场地实际情况，选取动载荷系数为1.5。

2 吊笼数值模拟分析

SACS和ANSYS有限元分析软件在海洋工程建造中的应用广泛，计算效率高，拟采用SACS进行吊笼框架结构强度校核，ANSYS进行吊点强度校核。

2.1 吊笼结构强度校核及结果分析

以初步设计的吊笼尺寸规格和载荷分布进行SACS数值建模。工况及载荷组合如表1所示，吊笼模型如图3所示。计算并校核吊笼杆件最大UC值、吊笼最大挠度和整体倾角。校核时，吊笼杆件许用UC值为0.85；吊笼许用挠度值为吊笼总长的1/500[11]，即22 mm；吊笼许用倾角为2°[12]。

经计算，在满载工况的载荷组合OPR2时，吊笼杆件的UC值最大，为0.67＜0.85，符合要求，最大UC值云图如图4所示。吊笼杆件最大变形量为20.7 mm＜22 mm，符合要求。变形节点位置如图5所示。根据吊心和载荷重心的分布，吊笼倾斜角度为1.99°＜2°，符合要求。

表1 工况及载荷组合

图3 吊笼钢结构SACS模型

图4 吊笼杆件最大UC值云图

图5 吊笼杆件最大变形对比

2.2 吊笼吊耳强度校核及结果分析

经SACS计算得到，吊耳4受力最大，为40.81kN。ANSYS数值计算结果见图6。吊耳采用D36船用钢，屈服强度为355 MPa，安全系数取0.6，即校核屈服强度为213 MPa。由图6得到，吊耳最大等效应力为80.026 MPa＜213 MPa，满足作业需求。

图6 吊耳等效应力云图/MPa

上述设计的偏心吊笼完全符合工程要求。偏心吊笼配重块设计质量为5.11 t，装载物设计质量为1.2 t，设计的吊笼整体允许倾斜角度为±2°。

3 吊笼吊装试验验证

建造完成后的偏心吊笼实际尺寸为11.02m（长）×1.36 m（宽）×1.2 m（高），吊笼质量为2.94 t。采用3块约1.65 t的钢块作为配重块，采用长约6.3 m的DN500×15 mm的钢管模拟脚手架杆载荷重，进行吊笼试验。试验结果如下：

（1）空载时配重质量5 t，起吊离地后悬空静置10 min，通过了吊装试验验证。试验中吊笼的一侧倾斜距离约为0.3 m，计算倾斜角度约为-1.56°。

（2） 满载时配重质量5 t，装载物质量1.15 t，起吊离地后悬空静置10 min，通过了吊装试验验证。试验中吊笼的一侧倾斜距离约为0.35 m，计算倾斜角度约为1.82°。

4 结束语

经过试验，中国船级社CCS认证该吊笼在配重质量5 t时，可偏心装载质量1.1 t，满足了场地工程建造的需求。