大型结构物滚装装船关键技术研究

王磊，佘玥霞，宋柏辰，高敏，毛堂瑾

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

SPMT运输小车中文名称为自由式结构物运输车，又称可移动自由式液压平板车。主要用途运输大型结构物、不规则结构物等。其优点是方便操作、功能灵活、装卸简单。该SPMT运输小车可以根据结构物形式及重量进行多个车体组装或者自行组合，可运输结构物重量达5 000吨以上。

文章主要介绍大型钢结构物在用运输小车滚装装船过程中，小车梁载荷的分析、小车梁之间的载荷分配的关键技术，使其提高整个过程的科学性、安全性、可靠性，使大型结构物滚装装船工艺成为安全可行。

1.1 场地及装船准备

确认零散杆件的固定已经按照规定完成组装，保证零散杆件在SPMT运输小车装船过程中以及海运时没有构件会散落[1-2]。在运输大型结构物进车之前要对各个运输抬梁下表面的水平度进行测量，大型结构物准备装车之前，对SPMT小车运输路线、SPMT小车进车本身和大型结构物下方区域进行专门的检查。检查内容包括：(1)检查大型结构物从总装区至装船区运输路线上的障碍物，包括任何可能损坏SPMT小车轮胎的尖锐物体；
(2)大型结构物下方进车区域的障碍物；
(3) SPMT小车在大型结构物下就位位置和总装垫墩之间是否存在可能的碰撞；
(4)核实大型结构物下方可能存在的障碍物和临时地基的承载能力；
(5)确认大型结构物运输和装船时可能存在的问题(比如：脚手架，管线或者突出来的其他障碍物)；
(6)如果需要的话，运输路线上需要铺设钢板用以承受SPMT小车的载荷。控制好SPMT小车行驶区域的路面水平度，确保没有超过要求。

1.2 SPMT小车准备

SPMT小车作业所有必须的准备主要包括：(1)每个SPMT小车车体部分分别进行调试，例如：SPMT小车轮胎胎压是否符合要求、轮胎转向、悬挂液压系统、制动和驱动系统，每部分SPMT小车车体之间连接是否牢固；
(2)降低SPMT小车平板水平高度，确保和运输抬梁下表面存在100 mm左右间隙；
(3)对照运输抬梁上标注的进车位置将SPMT小车行驶至大型结构物下面，最后检查确保所有列的SPMT小车都在正确位置；
(4)用电缆线和液压管线将每部分SPMT小车连接，确保对大型结构物能够进行液压支撑；
(5)缓慢将每部分SPMT小车平板定高，同时观察压力表数据、检查接触点之间的间隙，如果间隙数值超出范围需要调平；
(6)使用链条完成封车作业。

1.3 船舶准备

根据方案及船方相关文件完成如下船舶准备工作：(1)确保船舶调载能力及船舶甲板承载能力满足大型结构物SPMT小车装船需求；
(2)对任何和装船干涉的船舶上的设备进行标记，并移动至安全位置存储，待装船完成后恢复至原位置；
(3)安装船舶甲板面上海运支墩，海运支墩焊接完成后，还需要对海运支墩尺寸进行二次测量并记录，根据现有情况将海运支墩上表面调平，并将其采用电焊进行固定；
(4)根据SPMT小车行进路线图和海运支墩在船舶上的实际位置，在船舶上标记出SPMT小车预计行进路线、船舶中心线及SPMT小车装船时行驶范围，任何影响装船时SPMT小车行驶的障碍物均需拆除。

1.4 场地运输

使用SPMT小车将大型结构物从总装区域运输至码头过程如下：(1)操作液压悬挂系统，使得SPMT小车平板部分将大型结构物缓慢举起，直至大型结构物和总装垫墩为分离状态；
(2)对每一组SPMT小车压力进行检查，无误的话对液压支撑系统进行再次确认；
(3)将载有大型结构物的SPMT小车按照设计好的运输路线，将大型结构物缓慢运输至码头前沿，同时，全程对SPMT小车运行情况进行监测，特别注意地面下沉情况以及大型结构物运输时和地面之间的间隙。

1.5 最终装船作业准备

标准的作业程序如下：(1)检查SPMT小车，PPU启动和系统运行测试；
(2)检查SPMT小车从码头至滚装栈桥和船舶的通道，确保栈桥安装位置正确；
(3)检查SPMT小车与海运支墩可能的碰撞情况，同时检查其余可发生碰撞的障碍物；
(4)检查系缆状态以使船舶保持在需要的位置；
(5)检查装船时的舷梯(如果有)；
(6)检查船舶甲板与码头高差、船舶纵倾和横倾情况，船舶甲板面高度要高于或者跟码头高度平齐，不然码头会损坏。

1.6 装船窗口

每次大型结构物装船前都应分析潮期表，选择合适的装船时间。详细调载过程及装船窗口参见调载报告。

1.7 滚装装船过程

大型钢结构物的装船工艺一般有四种方式：起重船吊装工艺、轨道滑车工艺、滑移装船工艺、SPMT运输小车滚装装船工艺等，下面具体介绍SPMT运输小车滚装装船工艺：将载有大型结构物的SPMT运输小车从非滑道建造区域缓慢行走到码头。此时，调整驳船甲板面水平高度要与码头平齐，再次检查揽绳与带揽桩是否系紧。SPMT运输小车开始准备装船，将载有大型结构物的SPMT运输小车缓慢行驶至驳船甲板面上，驳船甲板面与其原来静止时水平高度相比会下沉，当驳船甲板面水平高度降低到低于与码头高度相差70～95 mm时，SPMT运输小车停止前进，保持静止。等待潮水上涨浮力将驳船拖高，待驳船甲板面水平高度与码头再次平齐时，SPMT运输小车继续缓慢前行。重复上述操作过程，直至SPMT运输小车全部行驶到驳船甲板面。

大多数操作过程中，为了保证SPMT运输小车滚装过程的安全及工作效率，通常在滚装SPMT运输小车行驶至驳船上的过程中，也可通过调整驳船压载水仓水位来达到驳船船尾甲板面水平高度与码头表面水平高度相同的位置，误差是50 mm，同时根据潮水的水位变化实现SPMT运输小车滚装装船。

最后，在完成大型结构物采用SPMT运输小车滚装装船，SPMT运输小车完全行驶至驳船甲板面后，将停在驳船甲板面指定位置处。SPMT运输小车两侧结构物托架下安置支架，降低SPMT运输小车的高度，将托架降落至支架上方，使SPMT运输小车与大型结构物托架分离后，SPMT运输小车方可从大型结构物托架下方抽离出，具体步骤如下：(1)通过往船舶里面注水或者抽水(取决于潮汐情况)，测量船舶横倾、纵倾和静止状态下，船舶甲板面与海平面的差值是否满足要求；
(2)当船舶横倾、纵倾和静止状态下，船舶甲板面与海平面的差值满足要求时，承载结构物的SPMT运输小车缓慢行驶至船舶甲板面位置，船舶数据监测人员和SPMT运输小车指挥人员需进行全程监视；
(3) SPMT运输小车走或者停的指令由船舶监督发出，SPMT运输小车指挥按照指令进行SPMT运输小车操作；
(4)装船过程中，运输小组成员在大型结构物周围将可能的障碍物信息反馈给SPMT运输小车操作手。

1.8 装船过程控制

在结构物采用SPMT运输小车装船过程中，船舶的微移范围应该控制在可控范围内，并由业主和海事保障人员确认。下面的装船参数需在整个装船过程中监视并记录：(1) SPMT运输小车指挥人员和现场船舶指挥人员，要对结构物两侧相对码头垂直高度的差值进行监测，并在整个滚装装船过程中，需向小车指挥人员和船舶指挥人员连续汇报测量数据，保证船舶甲板面水平高度与码头保持平齐，即使出现高度差也要在10～100 mm的范围内；
(2)船舶调载需遵守调载方案；
(3)如果因为客观原因装船不能在白天完成，夜间完成需要提供充足照明；
(4)当SPMT运输小车所有车轮都行驶至船舶甲板面后，SPMT运输小车继续在船舶甲板面上行驶至指定位置，行驶过程中同样需要船舶调载满足水平方面平衡。

在SPMT运输小车装船过程中，小车始终在非滑道区域行驶，非滑道区域承载力强度相对码头和钢质栈桥，承载力强度偏小，大型钢结构物重量很相对较大，要求非滑道区域地基承载力强度足够支撑大型结构物及SPMT运输小车重量，确保滚装装船过程的安全性，因此载荷分析就显得非常必要。

1.9 载荷分配

在用SPMT运输小车运送模块时，首先把小车梁放在模块的腿部，用液压千斤顶将模块支起来并把木块放在小车梁的下面起到支撑模块的作用，然后让运输小车进入小车梁的下面，在运输小车摆放好位置后，运输小车缓慢升起与小车梁接触，并缓慢对小车梁施加作用力，将模块撑起来，去掉起支撑作用的木块，这样整个模块的重量完全通过小车梁作用在运输小车上。由于模块的重量不是均匀分布的，所以各个小车梁之间承受的重力也是有差别的，为了使各个小车梁充分发挥其性能，防止出现因小车梁受力过大而导致变形过大甚至是失效，需要对各个小车梁之间的载荷进行分配，使每个小车梁的受力情况基本相同，确保每个小车梁在运输过程中安全可靠。

1.9.1 载荷分配策略

小车梁之间的载荷分配问题属于静不定(或称超静定)载荷问题。但是运输小车的承载面在液压缸的调解下可以实现局部上下移动，从而调节小车梁的受力情况，文章所讨论的载荷分配调整都是通过运输小车承载面的缓慢上下移动实现的。

在对小车梁之间的载荷进行分配时，需要确定一个分配标准，来决定如何根据小车梁的载荷和受力变形情况，及时合理地分配各个小车梁的载荷，从而使每根小车梁都处于最佳状态，确保整个系统有较高的稳定性和安全性。

计算每根小车梁的安全系数，增加安全系数高的小车梁的载荷，降低安全系数低的小车梁的载荷，使每根小车梁的安全系数近似相等。

比较两种方案：方案一保证了每根小车梁载荷状态近似相等，但是由于每根小车梁的承载能力不尽相同，承载能力小的小车梁的载荷余量也小，对一定的载荷变化，由于静不定问题的存在，如果载荷的变化加到承载能力小的小车梁上，就容易出现超载的情况。方案二虽然不能保证每根小车梁都处于相同的承载状态，从单根小车梁看，承载能力大的小车梁与承载能力小的小车梁的安全系数差别较大，承载能力越大的小车梁越容易出现超载的情况，承载能力小的小车梁只能发挥很小一部分的承载能力。但是从系统整体来看，第一，承载能力大的小车梁承担了较多的载荷。第二，对于出现的载荷变化，要么就都能承担，要么就都不能承担，如果严格控制承载能力大的小车梁的载荷，既保证安全性，又实现整体性能的最优化。第三，每根小车梁有一个明确的载荷调节目标，计算十分简单，这样就便于进行调整。方案三从安全系数的角度来考虑载荷分配，与方案一相似，也存在承载能力小的小车梁上较容易出现超载的问题。每根小车梁的载荷也没有一个明确的调节目标数值，难以调节。

根据上面的分析，文章采用方案二来对每根小车梁的载荷进行调整。以目标载荷为最优目标，可以将载荷分配看成是求解的最优化问题。

1.9.2 小车梁载荷的确定

以某个项目模块3M131为例说明小车的载荷分配情况。3M131的小车梁有五根，其中四根呈直线状，且在尺寸、截面形状方面是完全相同的，另外一根的截面形状与其他的相同，只是呈折线状。小车梁的材料是Q345。在进行强度计算时，往往需要引入许用应力，其计算公式如式(1)所示：

式中：ns为安全系数，其值大于1。

此处选用安全系数ns=1.25，则可知许用应力为[σ]=276 MPa。

则经计算可知四根相同形状小车梁的每根额定承重载荷是1.542×106kg，呈折线状的小车梁的额定承重载荷是1.275×106kg。

模块3M131的小车梁有五根，即n=5。根据上述的分析可知，呈直线状四根小车梁的每根小车梁的设计载荷为1.05×105kg，呈折线状的小车梁的设计载荷为7.86×104kg。这样既能充分利用材料的性能，又能保证装船过程的安全性。

通过上面的论述可知，小车梁在大型结构物SPMT小车滚装装船运输过程中起着重要的作用，为了保证其在工作过程中安全可靠，有必要对其进行载荷分析。文章介绍了载荷分配原理以及小车梁之间载荷分配方案的选择，从而使小车梁的受力更加合理，使大型结构物采用SPMT运输小车滚装装船工艺安全可行。

作为工程项目施工过程中的一项重大作业过程，大型结构物采用SPMT小车滚装装船技术的 先 进 性、安全性直接影响着装船效率和费用支出，随着科技不断进步，施工单位的生产方式和建造方式也在不断进步，装船的工艺方法也在逐渐多样化，以适应更大吨位的大型结构物和不同形式的大型结构物装船运输的需要。小车滚装装船方式作为安全并且经济高效的装船运输方式，目前已被各大企业在工程施工领域广泛使用。

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