孫小磊
摘要:流花16-2FPSO是海洋石油工程股份有限公司近年來遇到的最具技術(shù)挑戰(zhàn)的項目之一,單點系泊系統(tǒng)作為FPSO的中樞紐帶,也是科技含量最高的部分。利用技術(shù)手段在建造階段嚴格控制單點系泊和月池的結(jié)構(gòu)精度,是保證單點順利、成功集成的重要基礎(chǔ)。以流花16-2 FPSO為研究對象闡述了通過三維掃描形成點云數(shù)據(jù)對單點系泊和月池結(jié)構(gòu)的精度控制要點和尺寸檢驗方法,該方法在傳統(tǒng)造船、海工領(lǐng)域的尺寸檢驗方法基礎(chǔ)上進行了創(chuàng)造性的變革。
關(guān)鍵詞:FPSO;點云數(shù)據(jù);單點集成
中圖分類號:TQ022文獻標志碼:A文章編號:1001-2303(2020)03-0110-05
DOI:10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.20
0 前言
隨著我國海洋石油事業(yè)的不斷發(fā)展,浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(FPSO)成為海上油氣田開發(fā)的主要設(shè)施[1]。目前世界上的FPSO主要采用以下三種系泊方式:單點系泊系統(tǒng)、多點系泊系統(tǒng)以及動力定位系統(tǒng)[2]。單點系泊系統(tǒng)由于能抵抗惡劣極端環(huán)境條件,且具有風向標效應(yīng),成為惡劣海域FPSO定位的唯一選擇。單點系泊系統(tǒng)作為整個FPSO的關(guān)鍵部位,具有精度要求高、結(jié)構(gòu)復雜且不規(guī)則等特點,對單點系泊系統(tǒng)建造過程的精度控制提出了更高的要求[3]。國內(nèi)船廠的精度控制主要采用補償量代替余量的方法[4-5],建造過程中依靠全站儀采集結(jié)構(gòu)物上少數(shù)具有代表性的樣本點作為分析依據(jù),這種傳統(tǒng)做法不足以保證單點系泊系統(tǒng)和月池的建造精度,單點系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不規(guī)則,樣本點采集難度大,部分位置代表性不足,通過三維激光掃描技術(shù)可以解決上述問題。本文以流花16-2FPSO項目為例,詳細闡述了基于三維激光掃描點云做的單點系泊系統(tǒng)和月池結(jié)構(gòu)的精度控制工藝和檢查方法。
1 概念介紹
1.1 FPSO定義
FPSO(Floating Production Storage and Offloading)即浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置,可對原油進行初步加工并儲存,被稱為“海上石油工廠”。
1.2 點云數(shù)據(jù)
通過三維掃描儀獲取的海量點數(shù)據(jù)。
1.3 單點系泊系統(tǒng)
錨系泊系統(tǒng)與船體只有一個接觸,主要用于定位系泊FPSO和外輸原油終端。
1.4 月池
FPSO產(chǎn)品中,由于月池處于大開口區(qū)域,采用高強鋼,均為強力構(gòu)件,板材選用較厚,焊接質(zhì)量要求高,焊接變形大,精度要求高。
2 單點系統(tǒng)和月池主要組成部分
單點系統(tǒng)主要由塔架、管匯平臺結(jié)構(gòu)、下部轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)組成(見圖1)。船體月池(見圖2)結(jié)構(gòu)主要包含內(nèi)底組立、圓筒組立、T型材組立、水平絎組立等。
3 單點與月池建造的精度管理
單點系泊從結(jié)構(gòu)形式看下塔體和中塔體建造難度較大,在此主要以中塔體、下塔體及月池為例介紹精度管理要求。
3.1 中塔體結(jié)構(gòu)及控制要點介紹
中塔體結(jié)構(gòu)形式為圓柱體,最大直徑7 760 mm,高度為15 900 mm。中塔體頂部和底部端面圓度半徑控制在±3 mm以內(nèi),同心度控制在±2 mm以內(nèi),端面垂直度控制在±5 mm。中心點圓心的理論數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)偏差按照±1 mm管理,筒體直線度按照±4 mm管理。中塔體精度控制要點如圖3所示。
3.2 下塔體結(jié)構(gòu)及控制要點介紹
下塔體為不規(guī)則形狀,最大半徑16 310 mm,整體高度25 200 mm(見圖4)。其精控管理主要為同心度的管理,同心度精度必須控制在±2 mm以內(nèi)。由于形狀不規(guī)則,采用常規(guī)全站儀進行測量時很難找到分析基準,檢測難度增加,必須采用點云數(shù)據(jù)的拼接技術(shù)進行檢測。
3.3 月池結(jié)構(gòu)及控制要點介紹
月池艙為圓柱形,直徑17 m,高27m,周長精度需控制在10 mm以內(nèi),垂直度控制在5 mm以內(nèi),該要求是通用船型的10倍以上。月池由多個分段拼裝完成(見圖5),在單個分段預制時半徑需控制在±2 mm以內(nèi)才能達到搭載階段圓度±4 mm以及垂直度小于3 mm的要求,以及最終成品的精度要求。
4 三維激光掃描技術(shù)在單點系泊測量上的應(yīng)用研究
4.1 傳統(tǒng)測量技術(shù)難點
從精度表(見圖6)可以看出,測量物體為圓筒體時檢測點較多,用普通的全站儀測量無法得到全面的數(shù)據(jù),同時,若基準選取存在失誤,測取數(shù)據(jù)將失去意義。本次單點系泊的制作中塔體和下塔體采用全站儀和三維掃描儀結(jié)合的方法,將測量數(shù)值通過點云拼接軟件進行拼接模擬來獲取最終數(shù)據(jù)。
4.2 應(yīng)用的硬件及軟件
流花FPSO單點系泊的中塔體、下塔體、月池分段制作完成后,通過三維掃描儀和點云拼接軟件(見圖7),對分段進行檢查得出需要的檢查數(shù)據(jù),對超出公差范圍的部分提前進行調(diào)整修正以達到精度要求。
4.3 作業(yè)流程
利用全站儀和三維掃描儀相結(jié)合的測量方法對相關(guān)結(jié)構(gòu)物進行精度控制,將實測數(shù)據(jù)通過點云數(shù)據(jù)軟件進行拼接模擬,獲取最終數(shù)據(jù)(見圖8)。
首先,在下塔體、中塔體和月池設(shè)定統(tǒng)一的分析基準點,也是三維掃描完成后點云數(shù)據(jù)拼接模擬基準。其次,通過Faro S-350三維掃描儀對下塔體進行全面掃描,獲取實測點云數(shù)據(jù)模型。掃描過程重點注意不要遺漏前期設(shè)定的分析基準點,作為后續(xù)數(shù)據(jù)拼接的基準點。注意將掃描的時間放在溫差變化較小的夜間進行。最終,根據(jù)獲取的點云數(shù)據(jù)模型,利用點云數(shù)據(jù)分析軟件對實測點云數(shù)據(jù)模型和理論數(shù)據(jù)模型進行數(shù)據(jù)對比,得出各個位置的偏差值,并將偏差值調(diào)整到精度控制范圍以內(nèi)。
4.4 基于點云數(shù)據(jù)模擬分析流程
點云數(shù)據(jù)的分析過程是整個單點系泊系統(tǒng)基于點云數(shù)據(jù)應(yīng)用的最重要一環(huán),必須保證整個分析過程的基準是統(tǒng)一的,從而保證數(shù)據(jù)的一致性。點云數(shù)據(jù)分析流程如圖9所示。
(1)選定分析基準。利用點云軟件移動功能可調(diào)整高度,讓實測點云模型與設(shè)計理論模型保持基準點一致,可選擇避開無數(shù)據(jù)區(qū)域或無用數(shù)據(jù)區(qū)域。
(2)設(shè)置點云范圍。設(shè)置點云范圍,利用所選范圍內(nèi)的點云數(shù)據(jù)以及軟件3點生成圓的原理生成正圓,可以調(diào)整高度及深度,生成所需位置的圓度。
(3)生成正圓。在所選位置生成正圓,同時生成中心點。若掃描過程存在其他物體的干涉,那么掃描到的無效數(shù)據(jù)會導致生成的圓存在一定的變形。
(4)點云數(shù)據(jù)結(jié)果分析。對中塔體、下塔體以及月池的最終數(shù)據(jù)進行分析,選取中心線為絕對基準線,R代表圓柱體半徑的偏差值,L代表圓柱體的高度偏差值,Z值代表云數(shù)據(jù)中的該點的實測高度值。由圖10可以很詳細地知道測量物體每個點的坐標數(shù)據(jù)是否能夠達到精度要求。
5 經(jīng)濟效益
(1)無形效益。激光掃描數(shù)據(jù)與模型比對檢驗技術(shù)是國內(nèi)首次應(yīng)用于FPSO單點內(nèi)塔系泊的檢測方法,對后續(xù)建造的類似產(chǎn)品提供了技術(shù)支持,對于復雜結(jié)構(gòu)物可以采用此技術(shù)進行檢查。
(2)有形效益。通過點云數(shù)據(jù)測量達到逐點精密測量、通過專業(yè)工序反復調(diào)整變形量,在建造階段有效控制單點系泊系統(tǒng)與月池尺寸,能夠有效避免集成過程發(fā)生碰撞進而對結(jié)構(gòu)重新調(diào)整、修改,為后續(xù)單點與船體的集成打下堅實的基礎(chǔ),大大縮短集成工期。
6 展望
在流花FPSO中的內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)及船體月池建造過程中,利用點云數(shù)據(jù)的檢查方法貫穿始終,也是國內(nèi)首次將這一技術(shù)應(yīng)用在FPSO的建造中。對船廠而言,分段的檢測方法也進入高科技模式,傳統(tǒng)的制作、裝配、測量監(jiān)控模式已經(jīng)無法適應(yīng)當今的精度需求,新技術(shù)的引入和應(yīng)用就需要不斷的探索和研究。
參考文獻:
[1] Yong Luo,Hongwei Wang. Permanent versus disconnectable FPSOs[J]. Journal of Marine Science and Application,2009,8(5):93-98.
[2] 張益公. 深水 FPSO 系泊系統(tǒng)設(shè)計分析[D]. 黑龍江:哈爾濱工程大學,2015.
[3] 薛士輝,李懷亮,胡雪峰. 內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊系統(tǒng)及安裝工藝介紹[J]. 中國造船,2008,49(A02):243-250.
[4] 王孝海. 船體分段建造的精度控制研究[D]. 黑龍江:哈爾濱工程大學,2011.
[5] 楚立民,蘇忠義,黃偉. FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊鋼結(jié)構(gòu)建造工藝[J]. 船海工程,2014,43(A01):66-71.