FPSO單點(diǎn)錨鏈盤(pán)側(cè)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)加工測(cè)量方法探討

張慶營(yíng)，劉磊，吳航

（海洋石油工程（青島）有限公司， 山東 青島 266520）

隨著我國(guó)海洋石油開(kāi)發(fā)的快速發(fā)展，對(duì)油氣開(kāi)發(fā)關(guān)鍵裝備的需求不斷增加。目前，在我國(guó)海上油氣開(kāi)發(fā)中普遍使用FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，而單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中與主軸承連接的大直徑部件是FPSO單點(diǎn)系泊結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)與核心構(gòu)件。提升單點(diǎn)系泊系統(tǒng)大直徑部件的制造精度、效率和可靠性等能力，是海上油氣裝備制造行業(yè)不懈追求的目標(biāo)。

本文對(duì)軸承支撐錨鏈盤(pán)側(cè)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)加工后的測(cè)量需求，從被加工件需測(cè)量部位分析、測(cè)量設(shè)備選型、關(guān)鍵測(cè)量節(jié)點(diǎn)控制、測(cè)量環(huán)境要求以及測(cè)量方法等內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 軸承支撐錨鏈盤(pán)側(cè)分析

1.1 總體結(jié)構(gòu)情況

軸承支撐錨鏈盤(pán)側(cè)總體結(jié)構(gòu)情況的分析與說(shuō)明，具體如下：

總體結(jié)構(gòu)：是由鋼板、鋼管和鑄造件焊接在一起的結(jié)構(gòu)件；結(jié)構(gòu)總體重量：約406t；最大輪廓尺寸：約Φ15465（D）×11410（H）mm；加工部位：如圖1所示，藍(lán)色部位為加工部位，材質(zhì)為鑄鋼件。

圖1 機(jī)加工位置錨鏈盤(pán)側(cè)三維圖

1.2 加工內(nèi)容及加工精度要求

軸承支撐側(cè)的具體加工內(nèi)容與精度如圖2所示，具體如下：

Φ7160mm外圓柱面（基準(zhǔn)B）：公差要求：0/-2mm；加工深度：115mm；加工余量：5mm；粗糙度要求：Ra6.3μm。

Φ6710mm軸承支撐面：直徑公差要求：±2mm；平面度要求：0.4/180°；垂直度要求：0.5mm（對(duì)基準(zhǔn)B）；加工余量：5mm；粗糙度要求：Ra3.2μm。

M80×4軸承螺栓孔：加工深度：120mm；位置度要求：Φ0.7mm（對(duì)基準(zhǔn)C、B）。

圖2 軸承支撐（錨鏈盤(pán)側(cè)）加工部位剖面圖

2 平面度測(cè)量

軸承支撐（錨鏈盤(pán)側(cè)）作為單點(diǎn)重要的構(gòu)件之一，用于單點(diǎn)主軸承的支撐，其軸承支撐面的精度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)軸承和單點(diǎn)的運(yùn)行至關(guān)重要。軸承支撐面因直徑達(dá)7160mm，直徑較大，一般的檢測(cè)設(shè)備，例如平尺很難測(cè)量，且測(cè)量精度和測(cè)量效率都相對(duì)較低。故需要采用精度較高的測(cè)量設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。本測(cè)量方案提出采用激光幾何測(cè)量系統(tǒng)對(duì)軸承支撐面平面度進(jìn)行測(cè)量。

2.1激光幾何測(cè)量系統(tǒng)介紹

主要系統(tǒng)配置包括以下部件，如圖3所示：

1臺(tái)D279測(cè)量顯示器；1個(gè)D22旋轉(zhuǎn)激光發(fā)射器；1個(gè)D5探測(cè)器；1個(gè)帶旋轉(zhuǎn)頭的磁座；2m和5m帶插拔接口的電纜各1根；2套固定桿。

圖3 EASY-LASER D600激光幾何測(cè)量系統(tǒng)

2.1.1 激光原理

激光發(fā)射器采用半導(dǎo)體He-Ne激光器，激光波長(zhǎng)為635-670nm，處于可見(jiàn)光的邊緣，顏色為紅色，具體光波位置見(jiàn)圖4所示：

圖4 激光波段

圖5為激光發(fā)射器示意圖。陰極管內(nèi)充滿氦氣和氖氣，通過(guò)高電壓激發(fā)出相應(yīng)波長(zhǎng)的光波，通過(guò)兩端透鏡和反射鏡的反復(fù)作用，只有平行于中心線的光束被發(fā)射出去，形成激光。

圖5 激光發(fā)射器原理示意圖

激光接收器采用先進(jìn)的PSD定位技術(shù)，PSD即Position Sensitive Device的縮寫(xiě)。傳統(tǒng)的激光接收器是CCD技術(shù)，即將激光感應(yīng)平面分為m×n個(gè)等份，接收到激光后計(jì)算出激光的位置。其分辨率由等分的密度來(lái)決定，因此有上限約束。而PSD技術(shù)是在感應(yīng)面的兩端加適當(dāng)電壓，激光打到感應(yīng)面的不同位置則會(huì)在兩端產(chǎn)生不同的電流，其分析的是模擬量，理論上講模擬量的精度是無(wú)窮高因此大大提高了測(cè)量精度。儀器最終的精度不受感應(yīng)面的限制，只決定于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，如圖6所示。

圖6 激光探測(cè)器感應(yīng)原理

激光束的中心位置的確定。激光束并不是絕對(duì)圓形的，激光的能量分布也不是均勻的。但是這一點(diǎn)并不影響最終的測(cè)量結(jié)果，因?yàn)樘綔y(cè)器測(cè)量和讀取的是激光的能量中心。如果激光有部分照射到靶區(qū)之外，能量就會(huì)部分損失，因此在測(cè)量時(shí)必須保證激光束全部打在探測(cè)器內(nèi)，如圖7所示。

圖7 激光束與探測(cè)器位置示意圖

熱量對(duì)激光測(cè)量是有影響的，這一點(diǎn)類(lèi)似于夏天我們經(jīng)?？吹桨赜婉R路上升起的熱浪而使遠(yuǎn)處的物體發(fā)生變形的情形。當(dāng)激光通過(guò)不同溫度的氣體時(shí)，其光束發(fā)生了折射，如圖8所示。因此在測(cè)量時(shí)應(yīng)避免周?chē)忻黠@的熱源或冷風(fēng)。

圖8 激光束折射示意圖

2.2 測(cè)量方案

將目標(biāo)的輸出參數(shù)與預(yù)期值的差值反饋至控制系統(tǒng)，有效消除或抑制內(nèi)外界對(duì)輸出參數(shù)的干擾?？刂七^(guò)程為：當(dāng)負(fù)載不變時(shí)，每條支路的輸入流量越接近，同步精度越高。當(dāng)某支路的負(fù)載增大時(shí)，液壓缸輸出位移將減少，位移傳感器將位移差值反饋到控制器，控制器將改變液壓閥的開(kāi)度，改變液壓缸的運(yùn)動(dòng)位移，保證液壓缸輸出位移恢復(fù)至設(shè)定值內(nèi)。系統(tǒng)的物理模型如圖2。

2.2.1 測(cè)量前準(zhǔn)備—激光線的調(diào)整

將D22激光發(fā)射器放置在軸承支撐面指定的0°象限位置處。采用easylaser系統(tǒng)進(jìn)行幾何測(cè)量，如直線度，平面度測(cè)量都是基于同樣的測(cè)量原理，所有的測(cè)量值反映的是接收器相對(duì)與激光束的位置?？梢赃x擇絕對(duì)參考點(diǎn)或相對(duì)參考點(diǎn)重新計(jì)算測(cè)量結(jié)果，可以選擇水平面或被測(cè)目標(biāo)上的測(cè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)。

當(dāng)以水平面做參考時(shí)，激光發(fā)射器要按照發(fā)射器上的水平儀調(diào)平（精度較低0.02mm/m，最高0.005mm/m）。

當(dāng)以被測(cè)目標(biāo)上的測(cè)點(diǎn)作為參考時(shí)，激光束要根據(jù)參考點(diǎn)的測(cè)量值調(diào)整，兩種操作的目的是一樣的，將激光束置0（精度較高，40m全長(zhǎng)精度0.02mm，最高0.005mm）。

2.2.2 測(cè)量方案

(a)按圖9所示A、B、C位置焊接激光發(fā)射器支撐工裝。

(b)將激光發(fā)射器放置在圖10所示A點(diǎn)處，按圖示被加工面194°范圍內(nèi)圓周均布設(shè)置11個(gè)測(cè)量點(diǎn)，按順時(shí)針?lè)较蛞来尉幪?hào)；

圖9 激光發(fā)射器支撐工裝布置示意圖

圖10 A點(diǎn)測(cè)量區(qū)域激光發(fā)射器及測(cè)量點(diǎn)布置示意圖

(c)按圖11所示，打開(kāi)程序進(jìn)行法蘭平面度測(cè)量，并記錄數(shù)據(jù)。

圖11 測(cè)量程序示意圖

(d)將激光發(fā)射器放置在圖示B、C位置處，重復(fù)A位置的操作，并記錄數(shù)據(jù)。由于每次測(cè)量范圍均大于180°，三次不同位置的測(cè)量既有重復(fù)測(cè)量區(qū)域覆蓋，又可以累積覆蓋整個(gè)圓周加工面，可以全面反映整個(gè)加工面的平面度情況，如圖12所示。

圖12 A、B、C三點(diǎn)測(cè)量區(qū)域覆蓋示意圖

(e)將三次測(cè)量的平面度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，對(duì)整個(gè)加工平面而言，實(shí)際上是建立了一個(gè)三維立體圖，如圖13所示，它反映出整個(gè)加工面的平面度情況。因設(shè)計(jì)要求加工后的平面度為180°內(nèi)平面度不大于0.4mm，將實(shí)際的測(cè)量結(jié)果與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對(duì)比，就能夠檢測(cè)到實(shí)際的加工結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求。

3 垂直度測(cè)量

圖13 測(cè)量結(jié)果三維立體示意圖

圖14所示直角尺，是檢驗(yàn)和劃線工作中常用的量具，用于檢測(cè)工件的垂直度及工件相對(duì)位置的垂直度，是一種專(zhuān)業(yè)量具，適用于機(jī)床、機(jī)械設(shè)備及零部件的垂直度檢驗(yàn)，在進(jìn)行加工件安裝定位、劃線等工作時(shí)，也經(jīng)常使用。

Φ6710軸承螺支撐面對(duì)Φ7160外徑面（基準(zhǔn)B）的垂直度要求為0.5mm，此垂直度精度可采用通過(guò)計(jì)量檢驗(yàn)合格的直角尺貼合在測(cè)量平面與外圓柱表面上，然后通過(guò)塞尺測(cè)量其垂直度。

圖14 直角尺

4 大直徑尺寸測(cè)量

(a)先用一塊磁鐵將π尺的付尺端吸固在工件的表面上，然后將π尺拉緊繞在工件上，每隔一定的距離吸固一塊磁鐵。走到一圈以后，將π尺的末端吸固在工件表面上。這時(shí)，兩手可以松開(kāi)π尺。如圖15所示。

圖15 π尺使用示意圖

(b)首、末端的兩塊磁鐵不動(dòng)，將其余吸在π尺表面上的磁鐵，放到尺的下方，直接吸固在工件表面上，用以支撐π尺，防止由于尺身自重而下垂。這時(shí)用目測(cè)使π尺繞在同一高度上，然后將首、末端的兩塊磁鐵分別移到離首、末端稍遠(yuǎn)的尺面下方，兩手拉住π尺.來(lái)回蹭幾下，施加20牛頓左右的拉力，便可以讀數(shù)。

(c)測(cè)量完后，仍將磁鐵吸固在π尺表面上，然后拉起尺的一端。邊推磁鐵邊卷，直至卷完，收起磁鐵。這樣可以防止尺身落地，避免尺身受意外損傷.并保持尺面清潔。

5 粗糙度測(cè)量

各加工部位要求測(cè)量的表面粗糙度的部位，可選取多點(diǎn)，采用便攜式粗糙度測(cè)試儀（如圖16所示）進(jìn)行測(cè)量。

(a)要求每段測(cè)量長(zhǎng)度不小于5mm。

(b)測(cè)頭運(yùn)行方向要求與加工刀具運(yùn)行軌跡垂直。

圖16 粗糙度測(cè)試儀示意圖

6 螺紋孔精度測(cè)量

螺紋孔精度測(cè)量采用螺紋規(guī)進(jìn)行測(cè)量，螺紋規(guī)包括通規(guī)和止規(guī)。

(a)通規(guī)

使用前：應(yīng)經(jīng)相關(guān)檢驗(yàn)計(jì)量機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)計(jì)量合格后，方可投入生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用。

使用時(shí)：應(yīng)注意被測(cè)螺紋公差等級(jí)及偏差代號(hào)與環(huán)規(guī)標(biāo)識(shí)的公差等級(jí)、偏差代號(hào)相同（如M24×1.5-6h與M24×1.5-5g兩種環(huán)規(guī)外形相同，其螺紋公差帶不相同，錯(cuò)用后將產(chǎn)生批量不合格品）。

(b)止規(guī)

使用時(shí)：應(yīng)注意被測(cè)螺紋公差等級(jí)及偏差代號(hào)與環(huán)規(guī)標(biāo)識(shí)公差等級(jí)、偏差代號(hào)相同。

檢驗(yàn)測(cè)量過(guò)程：首先要清理干凈被測(cè)螺紋油污及雜質(zhì)，然后在止規(guī)與被測(cè)螺紋對(duì)正后，用大拇指與食指轉(zhuǎn)動(dòng)止規(guī)，旋入螺紋長(zhǎng)度在2個(gè)螺距之內(nèi)為合格，否則判為不合格品。

圖17 螺紋規(guī)示意圖

7 結(jié)論

本文對(duì)內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)制造中大直徑部件的現(xiàn)場(chǎng)機(jī)加工測(cè)量方法進(jìn)行了探討，提出了一套可靠的測(cè)量方案，具有一定的實(shí)用推廣價(jià)值。通過(guò)此項(xiàng)工作的研究，為海上油氣單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的自主建造積累了經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了有益的探索和嘗試，對(duì)海洋油氣裝備發(fā)展具有重要工程意義。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 北京英科宇科技開(kāi)發(fā)中心編. 機(jī)械工程師設(shè)計(jì)手冊(cè)（電子版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2] SY/T10032-2000，單點(diǎn)系泊裝置建造與入級(jí)規(guī)范[S].

[3] 薛士輝，李懷亮，胡雪峰. 內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)及安裝工藝介紹[J].中國(guó)造船，2008，49（增刊2）：243-250.