浮體生產裝置重量控制建造系數(shù)的量化統(tǒng)計方法

萬秀林， 王瑞平， 劉俊斐， 劉 存

(海洋石油工程(青島)有限公司，青島 266520)

0 引 言

隨著海洋油氣工業(yè)朝著深水和超深水未勘探開發(fā)地區(qū)進軍，復雜的海洋工程結構物，尤其是浮體生產裝置，在建造過程中的重量和重量分布是結構物海上安全、安裝、生產過程的重要控制參數(shù)。

以往有關建造過程中的重量控制的研究，多從重量控制總體原則[1]、控制措施[2]等方面進行解讀。在重量、重心統(tǒng)計計算方面，以理論重量、重心計算的研究較多[3]，在誤差、變量等研究領域，國內高校提出過公差分布，并通過數(shù)理統(tǒng)計及尺寸鏈原理推導過重量、重心控制方法[4]，但對于建造過程中重量變量的實質性梳理及統(tǒng)計，未見有系統(tǒng)性的成果。

在重量計算環(huán)節(jié)中，建造過程中的重量誤差一直是難以精確統(tǒng)計的一環(huán)。國內外造船及海洋工程行業(yè)，常采用固定系數(shù)的方式，對相應的理論重量進行一定比例疊加，進而得出最終估算重量，并以重量報告的方式反饋。但在工程實踐中，不同的工廠、環(huán)境、材料供貨狀態(tài)、焊接工藝、施工習慣等，都會對重量誤差產生不同程度的影響，固定系數(shù)的選取也無定式可循。

在陵水17-2半潛式生產平臺船體建造過程中，依托良好的管理流程和三維設計軟件，首次在浮體生產裝置的重量控制工作中，將建造過程中的重量系數(shù)進行了量化統(tǒng)計，并取得了優(yōu)異的成果。

1 重量控制建造系數(shù)的定義

重量控制建造系數(shù)也可稱為建造不確定系數(shù)，是指用于覆蓋在建造過程中必然發(fā)生且無法通過設計圖紙進行理論統(tǒng)計的重量，而設置的用于理論重量加成的一種系數(shù)。

設置此系數(shù)的目的是將設計工作中無法統(tǒng)計的建造誤差納入重量預估的范圍，確保重量報告中重量估值的真實性及準確性。此系數(shù)涉及的重量單元主要包括鋼板正公差、焊接材料、油漆等。

2 重量控制建造系數(shù)的量化統(tǒng)計

重量控制建造系數(shù)用量化計算方法，替代固定系數(shù)的方法，是陵水17-2項目船體建造過程重量控制工作的主要創(chuàng)新點。其核心工作是結合三維模型數(shù)據(jù)、鋼板測厚值匹配設計分布、焊接物理量及油漆工作量等數(shù)據(jù)，將建造階段的各類重量誤差進行量化統(tǒng)計。

2.1 鋼板厚度公差系數(shù)統(tǒng)計

在浮體生產裝置中，鋼板重量在平臺整體重量中占比最大，特別是在船體部分，鋼板重量一般占船體總重量的80%以上。所以，鋼板的厚度公差能直接影響整個平臺重量控制報告中數(shù)據(jù)的準確性。對鋼板重量的厚度公差做到準確統(tǒng)計，對平臺整體重量控制的準確性將起到基礎作用。以往的研究中也提到板厚偏差統(tǒng)計的重要性[1]。

鋼板厚度公差的量化統(tǒng)計主要流程包括： 設定鋼板測厚數(shù)據(jù)庫，現(xiàn)場測厚并記錄數(shù)據(jù)，測厚數(shù)據(jù)與設計分布比對并返回重量報告。

2.1.1 設定鋼板測厚數(shù)據(jù)庫

根據(jù)船體結構設計圖紙及零件清單，可以推導出各類板厚的鋼板重量分布及占比，再結合對應鋼板的數(shù)量，依此設定鋼板測厚數(shù)量。

鋼板測厚工作需遵循以下原則：

(1) 需覆蓋設計圖紙中所有板厚。

(2) 建議對所有到貨鋼板均進行板厚測定；如條件不允許，則要求對每種板厚的測厚板的數(shù)量進行重點識別，對板厚占全船比例較大的(超過10%)，測厚比例不低于90%，板厚總重不超過10%的，測厚比例不低于70%。

以陵水17-2船體某區(qū)域為例，按照詳細設計圖紙及材料清單，各板厚重量占比如表1所示。

表1 陵水17-2船體某區(qū)域各板厚重量占比Tab.1 Weight percentage of plate thickness in a certain area of Lingshui 17-2 hull

根據(jù)分析，此區(qū)域內18 mm、 20 mm、 22 mm及25 mm此四類板厚的設計重量，占此區(qū)域主結構重量比例約為68%。

因此，質檢人員在進行材料驗貨、材料確認等工序中，需盡量將全部鋼板進行測厚并記錄。若因不可控制原因無法全部進行測厚的，則對占比較大的18 mm、 20 mm、 22 mm及25 mm此四類鋼板，要求測厚的鋼板數(shù)量占相應厚度鋼板總數(shù)的比例至少達到90%，其他厚度的鋼板，測厚比例至少達到70%。

2.1.2 現(xiàn)場測厚并記錄數(shù)據(jù)

現(xiàn)場測厚時需注意以下2個方面：

1) 鋼板測厚方法需滿足相關規(guī)范的要求

以入級ABS的陵水17-2半潛式生產平臺為例，根據(jù)ABS標準Rules for Materials and Welding Part 2中鋼板厚度的測定要求[5]，鋼板測厚人員需針對原材料鋼板或切割板材，區(qū)分測量方法，在圖1中規(guī)定的位置測量厚度。厚度測量可采用自動或手動方法。測量程序和測量記錄應提供給驗船師。

2) 數(shù)據(jù)記錄需完整

數(shù)據(jù)記錄需至少包含材料名稱、理論板厚、理論板尺、材質、理論重量、鋼板爐批號以及9組測厚數(shù)據(jù)信息。其中，爐批號用于出現(xiàn)個別板厚誤差不滿足要求時的同一爐鋼材或同一批次鋼材的擴展調查。

2.1.3 數(shù)據(jù)比對返回重量報告

1) 測厚樣本數(shù)據(jù)分析

根據(jù)檢驗人員完成的鋼板測厚記錄表，在樣本足夠的情況下，可以獲取每一類板厚的平均板厚及增重比例。

例如，某項目根據(jù)測量數(shù)據(jù)累計，12 mm厚鋼板共測厚293張，有效測厚數(shù)據(jù)293組，樣本數(shù)量足夠，經計算得出平均厚度為12.157 2 mm。據(jù)此可以推算出，在本項目的鋼板供貨狀態(tài)下，全船12 mm厚的鋼板增重比例約為0.157 2/12=1.31%。

2) 數(shù)據(jù)回歸重控報告

在重控報告中，各類板厚對總重的加成一般都體現(xiàn)在數(shù)據(jù)表中，數(shù)據(jù)可以追溯至設計材料表。各個板厚重量單項根據(jù)測厚樣本數(shù)據(jù)，逐個增加板厚誤差增重比例，即可形成完整的鋼板正公差系數(shù)回歸。

以陵水17-2平臺船體為例，某局部區(qū)域共有8個分段，此區(qū)域板厚分布為12～65 mm，共計13種板厚。根據(jù)13種板厚的測厚數(shù)據(jù)樣本，可以得出上述每種板厚的增重系數(shù)，即鋼板正公差帶來的建造系數(shù)，如表2所示。

圖1 鋼板測厚點位置Fig.1 Locations of thickness measuring points on steel plates說明： (1) 如圖1所示，從1號線、2號線或3號線中至少選擇兩條線，并在每條選定線上至少選擇3個點進行厚度測量。如果每條線上的點數(shù)超過3個，則每條線上的點數(shù)應相同。測量位置適用于直接從一塊板坯或鋼錠軋制的產品，即使該產品稍后將由制造商切割。圖1也顯示了與后期切割產品相關的原始測量示例。(2) 對于自動測量，測量外圍點應位于距離邊緣10～300 mm的位置。(3) 對于手動測量，測量外圍點應位于距離邊緣10～100 mm的位置。

表2 鋼板測厚數(shù)據(jù)推算得出的增重系數(shù)Tab.2 Construction allowance calculated from plate thickness measurement data

依據(jù)此數(shù)據(jù)，結合分段中每種板厚的理論重量，加權得出每種板厚的增重重量，進而得出8個分段的板厚公差系數(shù)，如表3所示。以此類推可以得到全船的板厚公差系數(shù)。

表3 陵水船體項目部分分段板厚公差系數(shù)Tab.3 Construction allowance from plate thickness tolerance of Lingshui 17-2 hull

2.2 焊接重量系數(shù)統(tǒng)計

在常規(guī)做法中，焊接工作帶來的重量誤差多采用統(tǒng)一估算系數(shù)的方式，例如國內部分船廠，一般取2%作為固定系數(shù)代入重量控制報告進行統(tǒng)計。

依托陵水17-2船體區(qū)域的生產設計三維模型，錄入焊道有關信息，實現(xiàn)了自動輸出焊接物理量清單，進而得到真實統(tǒng)計的焊材填充重量。

2.2.1 三維模型中坡口信息和焊接信息的錄入

在船體生產設計開始之前，根據(jù)項目焊接工藝、坡口詳圖，提前設置好坡口代碼和焊接工藝代碼，錄入三維模型建模數(shù)據(jù)庫。代碼設置完成后，在生產設計三維模型建立過程中，所有的坡口及焊接信息全部錄入船體三維模型。

2.2.2 輸出焊接物理量文件

根據(jù)三維模型中已經錄入的坡口及焊接信息代碼，可以直接生成焊接物理量文件。此文件包含焊道工位、裝配名稱、焊接方式、焊接接頭類型、焊接姿態(tài)、焊接長度、理論焊材消耗重量等信息。根據(jù)以上信息，可以對不同接頭類型、不同焊道工位的焊接長度、耗材重量進行準確統(tǒng)計，如表4所示。

表4 焊接物理量Tab.4 Schematic diagram of physical quantity of welding

2.2.3 數(shù)據(jù)返回重量報告

得到焊接物理量的所有信息后，再根據(jù)模型中各類焊道的三維數(shù)據(jù)信息，可以得到每個分段不同焊材所有重量的集合，進而得出每個分段的焊材重量和焊接重量系數(shù)，各分段焊材重量如表5所示。

表5 各分段焊材重量統(tǒng)計Tab.5 Weight statistics of welding materials in some hull blocks

2.3 油漆重量系數(shù)統(tǒng)計

在重量控制統(tǒng)計工作中，有些項目油漆重量作為一個重量單元單獨計算的，有些項目則是結合在各專業(yè)重量中，以油漆重量系數(shù)的形式進行統(tǒng)計。

由于在陵水17-2船體項目中，鋼結構重量占絕大部分，其油漆重量的組成與相應區(qū)域的結構類型和油漆配套息息相關，因此本方法針對油漆以系數(shù)體現(xiàn)的方式進行量化統(tǒng)計。

2.3.1 油漆配套錄入三維模型數(shù)據(jù)庫

在三維模型的數(shù)據(jù)庫中，提前錄入油漆配套，利用船體三維設計軟件的報表功能，在船體生產設計階段，提前將零件的油漆配套組成，根據(jù)區(qū)域內的防腐設計進行錄入，從而得到油漆MTO文件。

該文件包括以下信息： 此文件包含了零件號、所在分段、零件材質、零件面積、涂裝面積、涂層系統(tǒng)等信息。根據(jù)以上信息的報表，可以對不同分段、不同類型的結構件進行油漆工作量統(tǒng)計，如表6所示。

表6 依托三維模型的油漆工作量清單Tab.6 Schematic diagram of paint workload

2.3.2 計算油漆重量

依據(jù)模型提取的油漆工作量清單，可以統(tǒng)計每個分段的油漆用量，結合一定的損耗系數(shù)，可以得出每個分段各個油漆配套的重量，進而得出每個分段的油漆總重和油漆重量系數(shù)，油漆重量統(tǒng)計如表7所示。

表7 各分段基于零件噴涂面積的油漆重量準確統(tǒng)計Tab.7 Accurate statistics of paint weight

3 重量控制建造系數(shù)的匯總及回歸

根據(jù)上述3類主要建造系數(shù)的量化統(tǒng)計的結果，每一類都代入重量報告，可以得到每種建造系數(shù)對應的增重重量，以及匯總后的整體重量控制建造系數(shù)。最終得到重量控制建造系數(shù)，加到船體干重后，便可得到船體凈重。

在陵水17-2船體項目中，通過此方法，成功獲得了該半潛式生產平臺船體在建造過程中的重量控制建造系數(shù)，如表8所示，并最終將各項誤差系數(shù)回歸至重量控制報告。

表8 陵水17-2船體重量控制報告(節(jié)選)Tab.8 Weight control report of Lingshui 17-2 hull

4 重量控制建造系數(shù)的驗證

為了核對重量控制工作中的統(tǒng)計方法和系數(shù)選用的準確程度，保證統(tǒng)計方法、系數(shù)選取的科學性和適用性，在陵水17-2項目中，通過3次建造過程中的總段稱重，對建造系數(shù)進行充分驗證。

稱重過程選取了底部浮筒區(qū)域和立柱區(qū)域的3個總段，兼顧了不同區(qū)域、不同板厚/艙室特點，并通過2種不同稱重工具進行差異化驗證(見表9、圖2～圖4)。

圖2 現(xiàn)場過程稱重方式Fig.2 On site weighing methods

圖4 現(xiàn)場過程稱重結果2Fig.4 On site weighing result 2

結果顯示，3次過程稱重，利用本文中的量化統(tǒng)計方法及重量系數(shù)，得出的計算重量與實際稱重結果相比，最大偏差僅為1.07%，特別是對于稱重環(huán)境更穩(wěn)定的液壓重載車稱重方式，偏差僅為0.5%左右(見表10)。

表10 陵水17-2船體建造過程的稱重驗證結果Tab.10 Weighing results of Lingshui 17-2 hull blocks during construction

5 結 語

通過以上方法的介紹及驗證結果，可以得出結論，在優(yōu)異的三維模型功能加持下，做好建造數(shù)據(jù)庫錄入管理和模型報表輸出，能夠做到對浮體生產裝置建造過程中的重量控制建造系數(shù)進行量化統(tǒng)計，同時可以使全船的重量控制報告的準確程度上升至更高的水平。

此種重量控制建造系數(shù)的量化統(tǒng)計方法在國內同行業(yè)中尚屬首次。此方法在陵水17-2半潛式生產平臺船體建造項目中順利實施，并通過分段過程稱重和單體完工整體稱重2種驗證方式，其優(yōu)越性、科學性及準確性得到了充分的驗證，能夠為后續(xù)同類工作起到參考作用。