基于焊接變形量控制的FPSO單點艙建造精度控制工藝探討

楊現(xiàn)陽，田從永，荊 鵬

（海洋石油工程股份有限公司，山東 青島 266555）

在整個FPSO的建造過程中，單點艙建造的精度控制工藝至關(guān)重要，決定著后期能否與單點實現(xiàn)順利合攏。根據(jù)建造工藝，單點艙由船艏的主船體分段和將與單點對接的圓筒壁狀結(jié)構(gòu)組成。其中，船體分段實現(xiàn)與主船體的對接，筒壁狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)與單點的對接。在其建造過程中，船體分段的精度控制可參考常規(guī)船體分段的控制工藝，圓筒狀結(jié)構(gòu)作為新型結(jié)構(gòu)模式，須采用特定的精度控制工藝。在整個工藝控制過程中，必須采取相關(guān)措施，對焊前、焊后的變化量予以足夠的重視，本文以某FPSO項目單點艙為例，逐一介紹其中的精度控制工藝手段[1]。

1 單點艙建造工藝介紹

該FPSO項目屬于內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點儲油輪，其單點艙主結(jié)構(gòu)從下到上可分為三個主要分段，即8001、8003、8005分段，每個分段由筒壁和對應(yīng)的船體分段組成。其中，8001分段有兩個圓筒，內(nèi)徑18500mm；8003分段有四個圓筒，內(nèi)徑18500mm；8005分段有六個圓筒，內(nèi)徑17000mm。單個分段的單個圓筒在胎架上單獨預(yù)制后，同一分段的圓筒之間進行合攏。單個分段的圓筒合攏后，再與對應(yīng)的船體分段進行合攏。各分段合攏完成后，三個主分段在船塢內(nèi)依次與主船體進行合攏。主合攏完成后，主船體須下水，拖至另外一個船塢進行二次落墩[2]。之后，通過單點艙預(yù)先設(shè)置的界面圓、止蕩裝置、塔架基準(zhǔn)實現(xiàn)與單點結(jié)構(gòu)的對接。

2 單點艙建造總體精度控制工藝

2.1 劃定地樣線

在單個圓筒制作區(qū)域，以地面某一固定點作為圓心，設(shè)定十字交叉線，作為主分段的中心線和穿越單點艙寬度的肋位線FR100。參考圖紙上半徑大小，劃定胎架的圓周。一般測量0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°位置的半徑，現(xiàn)場通過測量點進行圓周放樣。同時，定出用于定位胎的架外圍100檢查線。

2.2 制作胎架并劃定圓筒制作基準(zhǔn)線

按照胎架功能，可將其分為兩種。第一種是為了滿足圓筒拼板與合攏，第二種為了分段制作及分段與圓筒合攏。兩者都須控制胎架水平度、胎架外板垂直度、圓弧線半徑、圓弧線圓度。

胎架制作完成后，應(yīng)在胎架上劃定制作圓筒的圓周線和檢查線。

2.3 單個圓筒拼板及圓筒之間合攏

單個圓筒分段可劃分為四到五個小型環(huán)段。小型環(huán)段組裝之前，應(yīng)嚴(yán)格控制其精度，防止過多的二次修整。單個圓筒制作完成后，一般將某一底層圓筒固定在胎架上，依次組裝成大型圓筒，整個制作過程的基本控制項見表1。

表1 圓筒拼板與圓筒合攏控制項

2.4 拼接后圓筒與對應(yīng)主船體分段合攏

此階段的目的是形成8001、8003、8005主分段。合攏之前，首先確保圓筒上下口的圓心連線在鉛錘方向上的公差滿足規(guī)格書要求。其次，確保所要合攏的船體分段的基準(zhǔn)面整體水平滿足公差要求。然后，確保以上二者屬于平面與其法向量的關(guān)系[3]。其基本控制項可見表2。

上述三個分段合攏完成后，應(yīng)在圓筒壁上制作塢內(nèi)搭載合攏基準(zhǔn)線。高度及水平基準(zhǔn)線定在圓筒上下口附近的標(biāo)高上，平面基準(zhǔn)點是將地樣線上中心線與FR100肋位線標(biāo)記在圓筒上下口的合適標(biāo)高上。

表2 圓筒與對應(yīng)主船體分段控制項

2.5 主分段船塢搭載合攏

此階段的主要目標(biāo)是完成 8001、8003、8005分段之間的合攏以及與主船體分段的合攏。合攏之前，應(yīng)重新劃定艏部分段相對于全船的位置基準(zhǔn)線，尤其是船體主中心線與肋位FR100線及其交叉點的位置[4]。同時，參考全船外地板水平和撓度，在船塢壁上設(shè)定起算標(biāo)高點，并將其與8001分段外底板對應(yīng)起來。其主要控制項見表3。

2.6 單點艙基準(zhǔn)線劃定

表3 主分段船塢搭載合攏控制項

單點艙與單點進行合攏，需要在單點艙制定二次落墩的基準(zhǔn)點、基準(zhǔn)線。主要實現(xiàn)下述目的：

1）二次落墩后，單點艙上下的結(jié)構(gòu)變形在公差范圍之內(nèi)；

2）二次落墩后，單點艙的垂直度滿足公差要求；

3）二次落墩后，單點艙上下口的中心線與基準(zhǔn)面的相對關(guān)系滿足公差要求；

基于上述目的，在單點艙的整個筒壁上，由下到上，共設(shè)計了七層基準(zhǔn)點，其中上下及靠近界面圓處的基準(zhǔn)點設(shè)置24個，其他各層，分別為4個。所有層的基準(zhǔn)點均包括船中線與FR100肋位線與筒壁的交叉點。

3 各階段精度控制中的焊接收縮及相關(guān)措施

3.1 精度控制工藝關(guān)注重點

參考上述建造工藝和精度控制工藝，須注意下述幾個方面的變形量控制：

1） 圓環(huán)拼板時焊前、焊后向心徑向收縮；2）圓環(huán)拼板時焊前、焊后周長收縮；3）不同圓環(huán)之間拼接時高度方向收縮；4）圓筒與自身對應(yīng)的船體分段合攏時焊前、焊后向心徑向收縮；5）船塢內(nèi)合攏搭載時單點艙分段與主船體分段合攏焊前、焊后徑向變化

3.2 圓環(huán)拼板時徑向收縮

圓環(huán)拼板時的徑向收縮通過圓環(huán)板的根部與地樣線的變化來衡量。其中地樣線在圓環(huán)內(nèi)部，圓環(huán)板內(nèi)側(cè)與地樣線的距離為固定值，焊接前后，此固定值的變化量即為徑向收縮，負(fù)值代表收縮，每個圓筒上，設(shè)置十二個檢查點，單位為mm，下同，各圓筒的變化量見表4。

通過表4看出：

1）除去測量誤差和工況限制外，每個圓筒半徑約有mm的徑向收縮，最大收縮有3mm；2）厚板收縮量較薄板大。

表4 圓環(huán)板焊接前后徑向收縮表

3.3 圓環(huán)拼板是周長收縮

每個圓環(huán)板的周長測量位置是上端和下端，工具為盤尺。為最大程度的減少測量誤差，所用盤尺均配合拉力計使用，且其每10m的刻度與高精度全站儀所測數(shù)值進行了校對，確保固定用同一把尺子測量，其周長測量變化值見表5。

通過表5看出：

1）此階段單個圓筒的周長焊接收縮量平均在10mm左右，換算到直徑為3mm左右，與3.2節(jié)的徑向收縮基本一致；2）焊接收縮量隨縱縫的數(shù)量增多而加大；3）焊接收縮與板厚沒有明顯的相關(guān)性。

3.4 不同圓環(huán)之間拼接時高度方向收縮

不同圓環(huán)之間拼接時，高度方向上的收縮，主要為兩個圓環(huán)之間的環(huán)縫收縮，圓筒預(yù)制階段主要有八條環(huán)縫的對接，其位置和3.2節(jié)保持一致，數(shù)據(jù)見表6，其中負(fù)值代表收縮量。

從表6看出：

總體高度方向平均累計收縮量約為6mm。

3.5 圓筒與自身對應(yīng)的船體分段合攏時焊前、焊后徑向變化表

測量的數(shù)據(jù)為圓筒內(nèi)壁相對于地樣線圓心的半徑，焊前焊后的測量點位置基本保持一致，因個別點遮擋，采取附近點來代替，其統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表7。

從表7看出：

1）整個圓筒在焊接后，半徑處于輕微放大狀態(tài)，平均值約為1.4mm；2） 對于單個分段，其下部的半徑基本保持不變或輕微變小，上部半徑發(fā)生明顯變大。

表5 圓筒焊接前后周長變化表 mm

表6 拼接圓環(huán)在高度方向上的變化表 mm

表7 各圓筒與自身對應(yīng)分段合攏時徑向變化表

3.6 船塢內(nèi)合攏搭載時單點艙分段與主船體分段合攏焊前、焊后變化

船塢內(nèi)合攏的變化量主要表現(xiàn)為圓筒十字線，即貫穿圓筒的主船體中心線與貫穿圓筒的FR100肋位線，二者相交于圓筒的圓心，延申點位于各分段圓筒內(nèi)壁上，從現(xiàn)場數(shù)據(jù)來看：

1）底層分段向主船體收縮約10mm，中層約為5mm，上層約為2mm，從下到上，依次變小；2）左右兩邊的收縮量可以通過焊接順序來調(diào)整；

3.7 焊接前后收縮及分析

從上述數(shù)據(jù)看出，在單點艙建造過程中，除在3.5節(jié)中所述圓筒與自身對應(yīng)船體分段焊接過程中的收縮不明顯外，其他各個階段都存在收縮現(xiàn)象。在預(yù)定建造方案中，圓筒外壁上有大量肘板和環(huán)板要焊接，存在大量熱輸入，此階段將會有10mm的收縮，但實際情況卻有出入。

4 結(jié)語

在單點艙建造過程中，存在很多變化量，比如溫差變化、自重變形、沉降變化等，本文只針對此種工藝下的焊接收縮進行了統(tǒng)計描述，并在實際的工程實踐中，圓滿的實現(xiàn)了各個結(jié)構(gòu)的順利對接，為整體同心度、整體標(biāo)高基準(zhǔn)、界面圓、StopperFoundation、導(dǎo)向板、Gantry Foundation等關(guān)鍵位置的精度控制打下了良好的基礎(chǔ)。

在單點艙建造工藝的方案中，有一個備選方案，即將單點艙分段自上而下切成四分之一分段，但并沒有付諸實施。精度控制工藝是隨建造方案、吊裝方案、焊接方案的實際情況而定的。它不僅在建造初始階段設(shè)置一定的閥值，還需要在建造過程中，綜合廠區(qū)的焊接、建造工藝，進行動態(tài)的調(diào)整，以便與設(shè)計、建造、檢驗形成閉合環(huán)。