內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點集成精度控制研究

荊 鵬孫云虎楊現(xiàn)陽楊青峰劉榮坤

(海洋石油工程股份有限公司，青島 266555)

0 引 言

浮式生產(chǎn)儲油輪(FPSO)是海上石油生產(chǎn)儲存必不可少的設施之一。FPSO由船體、上部油氣處理模塊和系泊系統(tǒng)三部分組成，其中系泊系統(tǒng)是影響FPSO安全性的關鍵。根據(jù)系泊系統(tǒng)的形式，可以分為單點系泊式、多點系泊式和動力定位式[1]。目前，全球范圍內(nèi)的FPSO主要以單點系泊式為主。單點系泊式中的轉(zhuǎn)塔式單點系泊又主要分為內(nèi)轉(zhuǎn)塔式和外轉(zhuǎn)塔式[2]。目前，國內(nèi)在船體和上部模塊建造方面已基本具備獨立設計建造的能力[3]，但是單點系泊系統(tǒng)由于結構復雜、精度高等特點，其在國內(nèi)的設計、建造、集成才剛剛起步。本文以某項目FPSO為例，對內(nèi)轉(zhuǎn)塔式的單點系泊系統(tǒng)在集成過程中的精度控制進行了研究。

1 單點集成精度控制的邏輯與流程

單點集成的精度控制邏輯是： 在船體月池附近布置一系列基準點，在單點各單體上布置一系列控制點，集成過程中用基準點去定位控制點，最終準確定位單點各單體的空間位置。其中下塔體集成以船體外底板上表面(keel level)作為高度基準面，以月池集成界面圓中心所在基準面的投影作為坐標系原點進行定位控制。管匯平臺和塔架集成以下塔體集成焊接完成后的主軸承實際平面作為基準面、主軸承實際圓心作為坐標系原點進行定位控制。

單點集成的精度控制流程如圖1所示。

圖1 單點集成流程圖

2 集成準備工作

2.1 基準點轉(zhuǎn)移

為了保證單點功能的順利實現(xiàn)，下部主軸承與船底板基面的平行度、下部主軸承和上部軸承(限位器和環(huán)形跑道)的同心度是兩個關鍵的控制內(nèi)容。由于在單點集成過程中，月池內(nèi)部空間極為有限，測量視線受阻，給精度測量和控制增加了難度。因此在下塔體集成前需要提前將船底板基面的基準點轉(zhuǎn)移到月池內(nèi)壁主軸承附近，基準點布置如圖2所示。在管匯平臺和塔架集成前需要提前將主軸承平面和中心基準點轉(zhuǎn)移到月池內(nèi)壁限位器附近，以及月池周圍的主甲板上，基準線布置如圖3所示。

為保證基準點轉(zhuǎn)移的精度，需要避免光照和溫度劇烈變化等因素的影響，因此所有基準點轉(zhuǎn)移工作必須在夜間氣溫較為穩(wěn)定的階段進行，通常在凌晨0～6點比較合適。

圖2 月池內(nèi)部基準點布置圖

圖3 主甲板基準線布置圖

2.2 控制點布置

下塔體建造完工后，分別在頂部、底部和主軸承上表面，以軸承中心為基準進行平面控制點布置，以軸承平面為基準進行高度控制點布置?？刂泣c可以間接反映下塔體集成時主軸承的空間位置。

管匯平臺建造完工后，以地線為基準測量底部集成界面中心和頂部滑環(huán)底座中心，檢查管匯平臺整體垂直度，綜合分析偏差，制訂控制點布置方案。以滑環(huán)底座上表面作為控制點的標高基準，在底部集成界面位置布置4個控制點。

上部塔架建造完工后，在頂層甲板和底層甲板上布置控制點。高度控制點以塔架底層甲板為標高基準，水平方向控制點布置在頂層甲板和底層甲板的梁中心線上。

所有控制點應布置在強結構上且便于現(xiàn)場觀測的位置，防止因吊裝變形而導致控制點發(fā)生位移?？刂泣c布置時應根據(jù)實際溫度進行溫度換算。所有控制點應注意合理保護，并設置一定數(shù)量的備用控制點，防止其他原因?qū)е驴刂泣c失效?？刂泣c布置如圖4所示。

圖4 控制點布置圖

2.3 下塔體碰撞檢查分析

由于下塔體集成吊裝時與月池的間隙非常狹小，如果在建造階段下塔體或月池存在尺寸超差情況，或者部分外圍臨時腳手架未及時拆除，都將可能在吊裝過程中產(chǎn)生碰撞，極大延遲生產(chǎn)進度，并造成高昂的維修費用。因此，需要在安裝之前，分別對單點和月池進行三維掃描，并模擬安裝碰撞分析。一方面可以檢查單點和月池的建造完工尺寸，另一方面也可以預判吊裝風險。

下塔體完工后，月池內(nèi)吊裝導向安裝完成后，使用三維激光掃描儀分別對下塔體和船體月池區(qū)域進行三維掃描，然后利用軟件對掃描點云進行后處理分析，模擬分析下塔體搭載過程中是否存在碰撞位置，如圖5所示。如果存在碰撞風險，在吊裝前應及時修改風險區(qū)域。

圖5 碰撞分析示意圖

3 下塔體集成精度控制

3.1 下塔體定位精度控制

下塔體吊裝進入船體月池后，坐落在三組千斤頂上，通過千斤頂在縱向和橫向的調(diào)節(jié)，最終使下塔體精確就位。首先以布置在塢底和主甲板上的基準線作為控制基準，調(diào)整下塔體頂部和底部控制點在水平和高度方向的位置。當下塔體頂部和底部調(diào)整到位后，理論上主軸承也應調(diào)整到位。為確認主軸承實際位置，再以月池內(nèi)壁基準點為基準，直接測量主軸承的標高、水平和軸心偏差，最終確保主軸承的水平、標高以及中心偏移滿足公差要求，主軸承精度控制如圖6所示。

圖6 主軸承精度控制示意圖

船體月池位置會受溫度及日照的影響而產(chǎn)生變化。在一天的不同時間段內(nèi)，因為溫度變化和日照影響，月池整體會發(fā)生一定程度的位移。下塔體集成時主軸承中心與月池中心同心度公差要求為±2.5 mm，但是經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，月池受環(huán)境變化影響而產(chǎn)生的位移已經(jīng)超過2.5 mm，這會直接影響下塔體集成的精度。為盡量減少環(huán)境因素對下塔體集成精度的影響，定位測量時機至關重要。因此下塔體集成的定位測量應在夜間進行，夜間溫度變化較小且可以消除光照影響，但是夜間測量需要在施工區(qū)域保證充足的照明。

3.2 下塔體焊接精度控制

下塔體定位完成后，如圖7所示，需要使用扇形集成板將下塔體軸承支撐結構與船體月池結構連接固定。由于集成板在高度方向上有一定余量，首先測量下塔體軸承支撐對接口到月池壁對接口的空間距離，然后根據(jù)測得的實際距離指導余量切除。

圖7 集成板測量示意圖

在集成板焊接過程中，應對集成板上口半徑和周長、集成板下口半徑和周長、主軸承水平、主軸承中心位置進行定時監(jiān)控。將監(jiān)控數(shù)據(jù)及時反饋給焊接工程師，作為其控制焊接變形的數(shù)據(jù)參考。

下塔體與月池之間通過集成板焊接在一起。既有縱縫又有環(huán)縫，焊接工作量巨大，焊接收縮不均勻?qū)⒅苯佑绊懼鬏S承的水平精度。單點的細長型結構決定了在集成過程中單點底部的部分誤差會成倍地放大到頂部。為保證主軸承的水平精度，在集成板焊接前應制訂詳細的監(jiān)控計劃。焊接工程師應按照DNV-OS-C041規(guī)范[4]的要求定期監(jiān)控焊接的電流、電壓等技術參數(shù)，精度工程師應提前在集成板焊縫兩側(cè)和主軸承上布置尺寸監(jiān)控點，在焊接過程中，定期監(jiān)控焊縫收縮量和主軸承監(jiān)控點的水平變化。

3.3 下塔體焊后的精度控制工作

集成板焊接完成后，以月池內(nèi)壁界面圓附近的基準點為基準，使用全站儀測量主軸承中心位置，及軸承面水平、標高，檢查中心位置及水平標高是否滿足精度公差要求。

根據(jù)實際測得的主軸承的水平、標高和中心偏移，在月池內(nèi)壁限位器附近和月池周圍主甲板上布置一系列基準線和標高基準點，用于控制后續(xù)管匯平臺和塔架的集成精度。

4 管匯平臺集成精度控制

4.1 管匯平臺吊裝前的精度控制工作

圖8 限位器與環(huán)形跑道示意圖

在管匯平臺吊裝之前，首先需要進行8個限位器的定位安裝，如圖8所示。限位器的主要目的是在海上惡劣環(huán)境條件下限制船體和單點在垂直方向的相對角度保持在一定范圍內(nèi)，保障主軸承的正常運轉(zhuǎn)。以月池內(nèi)壁限位器附近的基準點為基準，使用全站儀測量8個限位器中心的標高、半徑以及面板角度。

為保證管匯平臺集成精度，減少浮吊過程占用時間，在下塔體焊接完成后、管匯平臺吊裝前，需要測量、檢查中塔體頂部集成對接口的標高是否滿足公差要求，如果超出公差要求，應對超差區(qū)域及時修口處理。

4.2 管匯平臺定位的精度控制

下塔體焊接完成后，將管匯平臺吊裝至下塔體上部，管匯平臺底部與下塔體頂部的環(huán)形對接口對接。為保證對接口的對齊精度、減少調(diào)整時間，可提前在對接口處布置一系列吊裝限位導向。在對接口位置使用千斤頂調(diào)整管匯平臺的位置。

管匯平臺初就位時，定位人員根據(jù)下塔體頂部對合線和管匯平臺底部對合線控制管匯平臺的扭轉(zhuǎn)以及管匯平臺標高和水平。同時以布置在主甲板上的基準線和輔助基準線作為控制基準，確認管匯平臺上部甲板控制點在水平方向的偏差。最后，以布置在主甲板上的標高基準點為控制基準，測量管匯平臺頂部滑環(huán)底座的標高和水平。精度控制人員綜合考慮管匯平臺底部對接口的組對狀況和頂部滑環(huán)底座標高狀況，使管匯平臺集成精度滿足公差要求。

4.3 管匯平臺焊后的其他精度控制工作

管匯平臺與下塔體焊接在一起后，通過旋轉(zhuǎn)實驗，分別檢查管匯平臺環(huán)形跑道與下塔體主軸承的同心度，滑環(huán)底座與主軸承的同心度，以及滑環(huán)底座的水平。通過千斤頂調(diào)整和機加工等方式使管匯平臺的環(huán)形跑道和滑環(huán)底座的精度滿足公差要求。根據(jù)環(huán)形跑道定位焊接的實際位置和橢圓度，調(diào)整限位器墊片的位置，最終使限位器墊片和環(huán)形跑道之間的間隙滿足公差要求。

5 塔架和滑環(huán)集成精度控制

塔架通過四根立柱與船體主甲板上的底座連接，上部由多層操作甲板組成，其主要作用是保持滑環(huán)穩(wěn)定，并且作為各層滑環(huán)的人、油、電的通道。

塔架的集成精度控制以布置在船體主甲板上的基準線和輔助基準線作為控制基準，分別測量塔架底層甲板和頂層甲板上的控制點，從而保證塔架的整體垂直度和同心度。以布置在船體主甲板上的標高基準點為控制基準，測量塔架各層甲板的標高。

塔架與船體焊接在一起后，開始從下往上逐層集成滑環(huán)。所有滑環(huán)集成完畢后，需要進行最終旋轉(zhuǎn)實驗，以確認整個滑環(huán)系統(tǒng)與主軸承的同心度和垂直度。

6 結 語

在各種類型的單點中，像本文所列舉的這種通過集成板與船體焊接的單點，其集成的精度控制最難。按照上述的單點集成的精度控制方法，最終保證了單點集成的各項精度指標完全滿足公差要求。頂層滑環(huán)在最終旋轉(zhuǎn)試驗過程中的運動半徑為±5 mm，優(yōu)于公差±10 mm的要求。尤其是作為核心部件的下塔體中的主軸承，其焊后定位精度成功控制在4 mm，優(yōu)于公差±5 mm的要求，為管匯平臺和塔架的集成精度的控制奠定了基礎。

經(jīng)過對單點集成全過程精度控制工藝的總結，我們認為單點集成精度控制的關鍵在于以下幾點：

(1) 主軸承定位的精度控制。

(2) 集成板焊接過程的焊接變形與收縮控制。

(3) 單點主要功能部件的同心度控制，包括下塔體的主軸承、管匯平臺的環(huán)形跑道和滑環(huán)底座。

另外，單點這類細長形結構的精度控制又有以下幾個特點：

(1) 根據(jù)直徑與高度的比例，底部基準面的水平度誤差將會成倍放大，影響至上部垂直度。因此對于底部(如主軸承之類)的基準面的水平度要嚴格控制。

(2) 集成過程存在多處對接，為防止高度方向的誤差累計，需要做好每層對接口的高程控制。

(3) 為防止光照和溫度變化對結構同心度和高度的影響，重要結構的測量應在陰天或夜間進行，同時應按照EEMUA 158規(guī)范[5]的要求將尺寸換算至同一溫度下進行分析。