海洋平台吊机关键技术及发展趋势研究

海洋平台吊机关键技术及发展趋势研究

刘晓静

天津博迈科海洋工程有限公司 天津市 300457

摘要: 海洋平台吊机是海洋钻采平台及工程船舶配套的特种起吊作业设备，在海洋工程和海上油田开发中有着重要作用。概述了海洋平台吊机国内外发展现状，详细描述了海洋平台吊机的产品分类与特点。海洋平台吊机依据其应用场所和作业载荷工况的不同，可派生出多种形式和种类。载荷工况及动态载荷分析、综合承载能力及载荷曲线研究、安全性及可靠性分析、高度集成、高度智能化的控制系统研究、液压系统设计、载荷实时监控及信号处理、主动波浪补偿及恒张力技术等是海洋平台吊机设计与制造的关键技术。提出海洋平台吊机今后应向多样化、高安全可靠性和智能化、集成化趋势发展。

关键词：海洋平台；吊机关键技术；发展趋势

引言

海洋平台吊机属于海洋工程领域特种起吊设备，安装在海洋钻采平台、工程船舶、钻井勘察船等海洋工程装备上，是海洋工程装备与外界物资交换的“桥梁”。其主要用来进行维修、物资供给和人员输送等吊运作业，是海洋工程装备上重要的生产和安全设备。海洋平台吊机按结构形式主要分为将军柱式、回转轴承式、液缸变幅式、折臂式及悬臂式等类型。将军柱式吊机是海洋平台广泛配套的类型之一，其主体采用上、下回转轴承和将军柱承载由吊臂传递的倾覆力矩，使吊臂承受的垂直载荷直接传递到平台基座上；吊臂的主体部件采用桁架结构，既减轻了自身重量，又降低了风阻系数，使其抗倾覆和侧载能力更强，整体稳定性和承载可靠性更好。该类型吊机应用前景广阔，是国内外研究开发的重点。

1.海洋平台吊机类型与特点

1.1构成与分类

海洋平台吊机通常由动力装置、提升系统、回转系统、变幅系统、控制系统以及安全保护装置等组成 ( 见图 1) 。其动力装置为柴油机或电机，既可接受外部平台供电，也可独立于平台自行工作;传动方式以液压传动为主，可通过负载敏感系统和伺服控制系统实现对执行机构的驱动和控制; 控制系统则多采用电控液技术，通过 PLC 程序实现逻辑关系控制; 安全保护装置则包含了紧急制动、过载保护、游车防碰、紧急下放等装置，以提高吊机运行的安全性和可靠性; 此外还配备有负载检测、视频监控、波浪补偿及故障检测系统等。

图 1 海洋平台吊机 ( 将军柱式) 结构示意图

1—控制系统; 2—回转系统; 3—变幅系统; 4—辅提升系统; 5—主提升系统; 6 —动力装 置; 7 —安全保护装置。

海洋平台吊机依据其应用场所、作业载荷工况的不同，可派生出多种形式和种类。如依据其整体结构形式的不同可分为固定基座式 (见图 2) 、将军柱式 (见图 3a) 、双臂架式、人字架式以及桅杆式 (见图 3b) 等; 依据变幅方式的不同可分为液缸变幅式 (见图 4) 和钢丝绳变幅式; 依据承载能力不同可分为轻型和重型海洋吊机; 依据吊臂形式可分为桁架式、箱型梁式、伸缩式和折臂式 (见图5) 等; 依据载荷特性可分为静态型和动态型;依据运动方式又可分为固定式、行走式和浮动式。

图 2 600 t 基座式平台吊机

图3 海洋平台吊机

图4 液缸变幅海洋平台吊机

图5 250 t 折臂主动补偿平台吊机

1.2载荷工况复杂，承载状况恶劣

海洋平台吊机在海上作业时需满足多种海洋环境和作业工况要求，应同时考虑工作载荷、船体( 或平台) 运动载荷、环境载荷、海浪升沉摇摆载荷以及冲击载荷等。在设计和载荷分析时应充分考虑各种载荷的联合作用，根据不同的海洋工况附加不同的载荷系数和设计安全系数，确保吊机在不同海况、工况下满足强度、刚度和稳定性要求。

2.关键技术分析

2.1 承载曲线分析

吊机的承载曲线是在不同的海洋工况下，综合考虑吊机各个环节的应力、位移、极限承载能力后得出的有效工作半径与额定工作载荷之间的关系曲线，是操作者进行安全吊运作业时的重要依据。依据API 2C等相关标准，综合分析吊机舷内、舷外各种工况，确定吊机在各种极限承载的情况下的承载能力，得出不同工作半径对应的综合承载曲线（图6）。

图6主吊钩舷内、舷外承载曲线

2.2 电控系统和负载检测系统

电控系统由数据采集单元、中心处理单元、逻辑控制单元、显示监控单元组成，对主动力机、液压系统、绞车、回转机构等的运行状态进行监视和控制。控制系统要具有友好的人机界面，采用高性能逻辑可编程控制器保证整个系统具有极高的可靠性；配置高精度负载监测系统，随时监测和显示吊机的载荷和运行数据，并根据预定的载荷曲线进行报警；系统数据库对设备的相关参数和警报进行记录，便于用户进行故障查询和离线分析。电控系统和负载监测系统的操作控制高度集成在吊机的控制房内，操作人员可通过手柄和按钮方便准确地操作，实现吊机的各种吊运动作。

3.结束语

随着海洋工程尤其是海洋油气勘探开发工程的不断发展，海洋平台吊机在多个领域得到越来越广泛的应用，其产品和相关技术必将得到迅速发展。海洋平台吊机在设计建造标准、海洋环境适应性、安全可靠性等方面具有较高要求，涉及海洋工程、结构分析、电液控制、材料应用、安全可靠性分析等多方面关键技术，需要下功夫努力研究，尤其应在安全可靠性控制、海洋动态承载分析、智能控制操作系统、主动波浪补偿等方面加大核心技术研究与突破，有效促进我国海洋平台吊机快速进入国际先进行列。

参考文献

[1]徐小鹏,王定亚,王书峰,等.海洋平台吊机关键技术及发展趋势研究[J].石油机械,2013,41(6): 54-58.

[2]张茄新,王定亚,蔡娟,等.海洋平台吊机控制室设计研究[J].石油机械,2011,39(10):75-77.

[3]王定亚,王进全.浅谈我国海洋石油装备技术现状及发展前景[J].石油机械,2009,37(9):136-139.