赵秀美

海洋石油工程股份有限公司

1 引言

海洋结构物的建造过程一般包括陆地建造、码头装船、海上运输和安装调试几个阶段。其中码头装船阶段有滑道建造拖拉滑移、非滑道建造SPMT(自行式模块运输车)滚装、整体吊装等工艺形式[1]。

拖拉滑移装船工艺一般需要将结构物建造在有滑道的码头区域，滑道设施稀缺且昂贵，同时受驳船和SPMT设备资源等因素影响，研究非滑道区域建造拖拉吊装装船工艺有重要的应用价值。NAUTILUS采矿船底座的建造装船工艺首次采用了非滑道建造拖拉后整体吊装新工艺。

2 装船分步实施步骤

大型结构物装船分步实施过程一般分为装船方案设计、拖拉/滚装工艺设计、装船施工等几个阶段[2]。

装船方案设计需要考虑浮吊、驳船、拖拉设备等资源因素，结合结构物本身的参数特点，在安全的基础上选择最经济的方案。拖拉装船工艺设计首先进行受力计算，然后进行拖拉系统设备选型及布置方案设计。拖拉装船施工有两个步骤，首先由拖拉系统将结构物沿滑道拖拉到码头岸壁附近，然后再滑移或吊装到驳船上[3]。

3 装船方案设计

3.1 结构物简介

NAUTILUS采矿船是全世界首艘海上采矿船，需要装船的对象是该采矿船上部模块井架底座部分，上部为海洋工程甲板片形式，下部为常规4桩腿导管架形式，整体三维模型见图1，主要参数见表1。

图1 NAUTILUS采矿船井架底座模块

表1 结构物主要参数

3.2 装船方案设计

该模块净重仅370 t，非滑道施工区域受力条件能够满足需求，为节省滑道资源，采矿船模块选择非滑道建造方案。

非滑道码头区域滑移装船时驳船无法调载，综合考虑滚装及浮吊设备资源，采矿船模块选择先拖拉后整体吊装的装船方案。拖拉系统设备有液压拉力千斤顶、线性绞车、滚筒绞车等[4]。滚筒绞车简单实用，可连续拖拉，效率高。若模块自重小于6 000 t首选滚筒绞车[2]，因此采矿船模块选择滚筒绞车。

4 拖拉装船工艺设计

4.1 拖拉系统设备布置

滚筒绞车拖拉系统一般由钢缆束、滑轮组、钢缆锚固结构、绞车或千斤顶等组成[5]。

绞车方式拖拉滑移装船工艺需要在驳船上与模块A、B轴对应安装2个钢缆锚固结构，用于安装改变钢缆束受力方向的滑轮组，钢绞线通过滑轮组直接牵引模块②轴2个滑靴从而带动模块滑行(见图2)。受浮吊能力影响，拖拉吊装装船工艺需要首先将模块拖拉至码头边缘，尽量靠近岸壁。非滑道拖拉吊装装船工艺无安装锚固结构的驳船，需要在码头岸壁布置两套抓锚作为锚固物，受空间影响，抓锚需远离模块A、B轴布置。同时需要在模块①轴2个滑靴后端增加1根扁担梁，钢绞线牵引扁担梁两端，扁担梁带动①轴2个滑靴从而带动模块滑行。

图2 NAUTILUS采矿船拖拉系统布置图

4.2 受力分析计算

此采矿船模块②轴距码头岸壁约52 m，自重约为370 t。辅助结构包含4个10 t滑靴，1根约36 t扁担梁，重约4 t的滑靴连接管材。拖拉总重量为450 t。

4.2.1 摩擦力计算

结构物拖拉的实质是拖拉设备克服滑靴与滑板的摩擦力使滑靴带动结构物移动。图3中WA和WB分别为模块A轴和B轴作用在滑板上的压力，W＇为滑靴和扁担梁作用在滑道上的下压力。

滑靴软木与滑板的滑动摩擦系数一般取值为f=0.20。

图3 摩檫力计算示意图

通过模块整体顶升称重测量WA=201 t；WB=169 t，W′=(40+4+36)/2=40 t。

由摩擦力计算公式得：

总摩擦力：

F=482+418=900 kN

(3)

4.2.2 绞车选型布置及牵引力计算

结合现场实际环境确定钢绞线距离A、B轴分别为3.4 m和2 m。根据拖拉系统布置方案得出牵引力：F1=F2=450 kN。

考虑现有资源情况，选用2台25 t绞车和4个80 t的滑轮组进行牵引，每个滑轮组绕3个轮子。

4.3 扁担梁强度校核

扁担梁长30 m，材料许用应力：[σ]=31.5×103t/m2。截面尺寸见图4。经过计算扁担梁的抗弯截面系数：W=23.75×10-3m3。

图4 扁担梁截面结构简图

图5是扁担梁的简化受力图，经过计算A轴处弯矩最大：Mmax=1 530 kN

图5 扁担梁受力简图

根据弯曲应力计算公式，取安全系数k=0.66,验算扁担梁最大应力：

65 MPa<0.66[σ]=207.9 MPa

(4)

此扁担梁强度满足要求。

5 非滑道拖拉施工过程注意事项

虽然拖拉过程无传统的滑道，但要在滑靴拖拉路径下铺上厚度大于32 mm钢制滑板，滑板上涂黄油，建立摩擦面。

虽然无固定滑道建立滑行路线，但模块仍要按设计轨迹滑行。因此需要在滑板上安装导向角钢，装船过程要时刻监控调整模块滑移方向。

由于无水泥滑块，滑板无法焊接固定。为避免滑板偏移或变形失效，除了在滑板上安装导向角钢外，还需在滑板尾部增加配重。

为防止抓锚向上翻起，需要在抓锚上放置至少5 t的配重。为避免压坏码头岸壁，需要在抓锚下部垫上钢板。

6 结语

采用非滑道建造拖拉后吊装的装船方式，成功将NAUTILUS采矿船井架底座模块从施工场地装到驳船上。该海洋工程大型结构物拖拉装船施工方案，综合考虑了技术、经济、安全和资源因素，简单高效、经济适用，可为类似结构的装船工艺设计提供参考。