FPSO單點集成激光掃描數(shù)據(jù)與模型比對檢驗技術(shù)

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：

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