浮吊船的动载荷计算与安全分析

1、第38卷 第1期船海工程Vol.38 No.12009年2月SHIP&OCEANENGINEERINGFeb.2009DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2009.01.004浮吊船的动载荷计算与安全分析陈 帅,王 雷,王 彪2(1.中北大学机械工程与自动化学院,太原030051;2.中石化总公司胜利石油化工建设有限责任公司,山东东营257000)摘 要:在导管架平台的安装及拆除过程中,由于浮吊的起吊能力所限,导管架各个模块的重量需要合理设计。在施工设计时,不仅需要考虑导管架各模块的静载荷,还必须考虑起吊时的动载荷。本文计算了导管架模块起吊时考虑铅垂方向运动时的动

2、载荷,计算了考虑浮吊摇摆时的动载荷,并分析了波浪对浮吊船吊起重物的影响。对浮吊的起吊安全性进行了分析,所得结论将为海上施工提供有益的参考。关键词:导管架平台;海上施工;浮吊;动载荷中图分类号:U674.3 文献标志码:A 文章编号:1671-7953(2009)01-0012-04导管架平台在安装与拆除施工时,经常使用浮吊对平台的各个模块进行起吊作业。在起吊过程中会产生动载荷。要确保海上施工的安全性,需要对起吊载荷进行准确的动载荷计算。导管架平台施工过程中重量较大的模块一般是上部模块和下部模块,其中上部模块主要由导管架帽和甲板以上的生产设备组成;下部模块主要是导管架。在使用浮吊对平台的各个模块

3、进行吊装就位时,由于起吊过程中浮吊本身会因波浪而运动,所以模块吊起时的载荷必须要考虑动载荷的影响。现有规范和设计中,一般是采用动载荷系数的方法,即利用起吊物的重量,乘以一个规定的动载荷系数,作为最大起吊载荷。而对不同的环境条件和起吊设备,动载荷系数是不同的。为保证施工的安全,有必要针对性地对施工过程中的动载荷进行计算与分析。本文以胜利埕岛油田CB11C导管架平台为例,考虑不同的起吊速度和波浪作用,分析并计算上部模块和导管架在起吊时的动载荷。根据平台设计资料,平台所处海域水深9m,平台的上部模块重量为149.3t,考虑导管架拆除时,在5m以下将导管架切割后该模块重量为311.1t,假定使用500

4、t的浮吊。下面就针对上部模块和导管架1模块进行起吊时的动力计算,主要考虑提升过程和波浪作用下浮吊摇摆时起吊的动载荷,并对浮吊的起吊安全性进行分析。1 浮吊船的运动分析浮吊船在海面施工时,遇到波浪作用下,浮吊会发生铅垂方向的运动,并发生摇摆2,见图1。图1 浮吊船受波浪作用下的运动假定波浪为线性波,水深为d,波高为H,则速度势函数为:<=gsin(kx-Xt)2sinhkd式中:k)波数;X)角频率。波长为:2tanhLL=2P式(1)对z求导,得水质点的垂向速度:w=sin(kx-Xt)Tsinhkd度:(2)(1)(3)式(3)对时间t求导,得水质点的垂向加速a2=-cos(kx-Xt

5、)sinhkdT(4)取波浪周期为10s,波高为1m,则计算可得水质点的最大垂向加速度值为0.1974m/s2。2收稿日期:2008-10-06修回日期:2008-10-21作者简介:陈 帅(1986-),男,学士。研究方向:机械设计制造及其自动化。E-mail:chenshuai_nuc浮吊船的动载荷计算与安全分析)陈 帅,王 雷,王 彪2 上部模块提升过程中的动力计算在浮吊提升起上部模块的过程中,上部模块受到起吊力和重力作用,起吊时有向上的加速度产生,起吊加速度的大小通常为00.5m/s,考虑波浪引起的浮吊船加速度,则起吊重物的加速度约为00.7m/s2。根据牛顿第二定律,可求得动力放大系

6、数为:N-mg=ma式中:N)主钩拉力;mg)起吊的重量;a)起吊的加速度。则动载荷为:N=K#mg(6)起吊上部模块时,考虑提升加速度a=0,0.1,0.2,0.3,1.0m/s2时,上部模块的重量为149.3t,重力加速度取9.8m/s2,当提升加速度逐渐增大时,计算的动力放大系数见图2。(5)比,变化不大。当提升加速度为1m/s时,起吊的动力放大系数为1.102,动载荷为164.5t。3 导管架提升过程中的动力计算导管架在起吊过程中,导管架重量为311.1t,提升加速度a=0,0.1,0.2,0.3,1.0m/s2时,计算的动力放大系数见图4。当导管架的提升加速度逐渐增大时,计算的起吊力

7、动载荷如图5所示。其中横坐标为提升加速度。可以看出,导管架的起吊动载荷也随提升加速度的增加而线性增加,而且当加速度不大时,动载荷与静载荷相比,变化也不大。当提升加速度为1m/s2时,起吊的动力放大系数为1.102,最大动载荷为342.8t。4 上部模块提升过程中浮吊摇摆时的动力计算在起吊过程中,上部模块受到起吊力和重力作用,而浮吊在遇风浪时又会发生摇摆,根据起吊可见,起吊动载荷随提升加速度的增加而线性增加,而且当加速度不大时,动载荷与静载荷相模块的受力3,可得2K=1+gT2(7)第1期船 海 工 程第38卷式中:r)重物重心到吊臂端点的距离;T)重物的摆动周期。上部模块重量为149t。根据计

8、算结果,当上部模块的摇摆周期变化时,计算的动力放大系数见图6,计算的起吊力动载荷见图7。的摇摆周期变化时,计算的动力放大系数见图8。计算的起吊力动载荷见图9。可见,起吊动载荷随上部模块摇摆周期的增加而减小。当摆动周期越小,起吊动载荷增加得越快。当上部模块摆动周期为17s以下时,起吊从计算结果可以看出,起吊动载荷随上部模块摇摆周期的增加而减小。当摆动周期越小,起吊动载荷增加得越大。当上部模块摆动周期小于9s时,起吊的动力放大系数大于3.3152,起吊149.3t的上部模块时所产生的动载荷超过额定起重载荷500t,此时浮吊起重时不符合安全要求。所以起吊上部模块时,设备的摆动周期不能小于9s。受迫振

9、动的周期为外界干扰力的周期。在此,浮吊在吊起重物时的摇摆周期等于波浪力周期。如果波浪的使浮吊发生摇摆的周期小于9s,则不能正常起吊上部模块。的动力放大系数为2.8753,起吊311.1t的上部模块时所产生的动载荷已超过浮吊的额定起重能力500t,这时浮吊处于不安全状态。因此,在起吊导管架时,应避免波浪引起所吊重物发生摇摆,这样的情况下动力放大系数增大,动载荷增加会超出浮吊的起吊能力。6 浮吊起吊导管架时的安全性分析一般来说,浮吊的横摇周期比波浪周期要小很多,所以波浪不会引起浮吊本身发生很大的横摇。但起吊物的摆动周期不同于船舶的横摇周期,如果重物自身的摆动周期与波浪周期接近,同样会发生共振现象。

10、下面将重物简化为单摆来计算吊起重物时的摆动周期。设重物的质量为m,吊起时绳长为l,则根据单摆的周期公式4:5 导管架提升过程中浮吊摇摆时的动力计算导管架的重量为311t,按照前面计算起吊上部模块摆动时的方法,计算导管架起吊过程的动力放大系数与动载荷。根据计算结果,当导管架浮吊船的动载荷计算与安全分析)陈 帅,王 雷,王 彪T=2Pg2(8)2)起吊时重物的摆动周期为13.7s,如果波浪周期与此周期比较接近时,则不应当使用浮吊,以防起吊时发生剧烈摇摆而发生危险。3)在起吊311.1t的导管架时,如果波浪周期小于17.6s时,动力放大系数较大,动载荷会超过浮吊的额定起重能力500t,此波浪存在时,

11、不宜起吊导管架,波浪周期大于17.6s时,动载荷大小在浮吊的额定起重能力之内,可以起吊导管架。4)在起吊149.3t的上部模块时,如果波浪周期小于9s时,动力放大系数较大,动载荷会超过浮吊的额定起重能力500t,此时,不宜起吊上部模块,波浪周期大于9s时,动载荷在浮吊的额定起重能力之内,可以起吊上部模块。5)导管架上岸时,由于浮吊的运动可能会引起吊臂的摇摆,这也同样会增加动载荷,因此,在起吊时,应尽量使浮吊方向与波浪传播方向一致,以使浮吊保持平稳,避免发生摇摆。参考文献1刘 俊.200t门式浮吊的设计与应用J.建筑机械,1999(7):41-44.2盛振邦,刘应中.船舶原理M.上海:上海交通大

12、学出版社,2004.已知l=46.6m,g=9.8m/s,代入式(8),则重物的摆动周期为T=13.7s。很明显,摆动周期与重物重量无关。导管架的摆动周期为13.7s。如果波浪周期与这个摆动周期13.7s比较接近时,会形成共振,从而发生危险。根据计算结果,见图10。在起吊311.1t的导管架时,如果浮吊摆动周期小于17.6s时,动载荷会超过该浮吊的最大起重能力500t。如果波浪周期在13.7s左右,与重物的摇摆周期接近,则浮吊不能进行作业。所以,在浮吊工作时,要特别注意波浪的影响5。图10 起吊时的摇摆周期与动载荷关系3范钦珊.理论力学M.北京:清华大学出版社,2004.4吴建蓉.工程力学与机

13、械设计基础M.北京:电子工7 结论1)在浮吊工作时,要特别注意波浪的影响,尤其是波浪周期的影响要比波高的影响更大。业出版社,2003.5中国船级社.钢质海船入级与建造规范M.北京:人民交通出版社,2005.AnalysisoftheDynamicLoadingupontheFloatingCraneandItsSafetyCHENShuai1,WANGLei2,WANGBiao1(1.SchoolofMechanicalandAutomatization,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;2.ShengliPetrochemicalConst

14、ructionLtd.Cooperation,ChinaPetrochemicalCorporation,DongyingShandong257000,China)Abstract:Intheinstallationanddismantlingofjacketplatform,thestructureshouldbeseparatedintodeferentmod-ules,duetothecapabilityofthefloatingcrane.Intheliftingoperation,notonlythestaticloadofthejacketmodulemustbeconsidered,butalsothedynamicloadshouldbecalculated.Thedynamicloadofthemodule,whichismovedinverticaldirection,isnumericallyobtained.Whenitswings,thedynamicloadofthemoduleisalsocalculated.Andthenthewaveaffectstothefloat