深水半潛式平臺(tái)上部組塊主吊點(diǎn)建造精度控制技術(shù)

李長亮， 韓少寧， 王會(huì)峰， 張慶營

(海洋石油工程(青島)有限公司，青島 266555)

0 引 言

“深海一號(hào)”能源站是我國自主設(shè)計(jì)建造的全球首個(gè)十萬噸級(jí)半潛式生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)。由上部組塊和下部船體兩部分組成，上部組塊設(shè)計(jì)重量為19 000 t，下部船體設(shè)計(jì)重量為50 000 t。基于“深海一號(hào)”能源站吃水深、船體自由漂浮狀態(tài)下上部敞口等特點(diǎn)，采用上部組塊整體吊裝合攏方案，即利用來福士海油工程有限公司泰山吊吊起上部組塊，下部船體漂浮對接到位后作底，上部組塊下放與下部船體進(jìn)行合攏焊接[1-2]。由于泰山吊固有的設(shè)備技術(shù)參數(shù)，其對上部組塊的主吊點(diǎn)的設(shè)置及安裝精度提出了非常高的要求，主要反映在上部組塊主吊點(diǎn)的直線度、水平度及跨距精度等，以確保與泰山吊吊鉤的匹配。

1 泰山吊簡介及上部組塊主吊點(diǎn)的設(shè)置要求

1.1 泰山吊簡介

泰山吊為超大噸位橋式起重機(jī)(見圖1)，最大起重量為20 000 t，技術(shù)參數(shù)見表1。泰山吊由2個(gè)主梁、12組1 680 t卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)、橫移機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)式維修起重機(jī)、電氣設(shè)備等主要部分組成。橫跨在長380 m、寬120 m、深14 m的船塢上，高梁起升高度為113 m，低梁起升高度為83 m，雙梁間距35.5～49.5 m。泰山吊設(shè)有12套卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)，每套卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)有16個(gè)吊鉤，分別設(shè)置在主梁的兩側(cè)，每側(cè)6套。12套卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)可單獨(dú)工作，也可聯(lián)合工作[3-4]。

圖1 泰山吊示意圖Fig.1 Schematic diagram of Taishan crane

表1 泰山吊技術(shù)參數(shù)表

1.2 “深海一號(hào)”能源站簡介

“深海一號(hào)”能源站如圖2所示，主要由上部組塊和下部船體組成。上部組塊由生產(chǎn)甲板(底層甲板)、主甲板(頂層甲板)、生活樓、MRU模塊、火炬臂、吊機(jī)、救生艇等構(gòu)成，下部船體由回字形浮筒及4個(gè)立柱構(gòu)成。

圖2 “深海一號(hào)”能源站組成Fig.2 Composition of the energy station of “Deep Sea No.1”

1.3 上部組塊整體吊裝方式及主吊點(diǎn)的設(shè)置

1.3.1 上部組塊整體吊裝參數(shù)

受泰山吊技術(shù)參數(shù)限制，為防止大合攏時(shí)吊裝干涉，上部組塊生活樓、MRU模塊、火炬臂、吊機(jī)、救生艇等不參與大合攏。參與大合攏的生產(chǎn)甲板、主甲板及甲板上設(shè)備、管線、電儀、舾裝等，如圖3所示，重量為15 373 t，上部組塊參與大合攏構(gòu)件示意如圖3所示，技術(shù)參數(shù)如表2所示；下部船體重量為33 498 t。

圖3 上部組塊參與大合攏構(gòu)件示意圖Fig.3 Schematic diagram of the upper block in integration

表2 上部組塊大合攏吊裝技術(shù)參數(shù)

1.3.2 上部組塊上主吊點(diǎn)的設(shè)置

上部組塊的吊裝須動(dòng)用泰山吊的全部12套卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)，并利用雙梁間49.5 m的最大跨距來完成，上部組塊主吊點(diǎn)布置在上部組塊主甲板A軸及D軸結(jié)構(gòu)梁上，其主吊點(diǎn)在上部組塊上的布置如圖4所示，每根主結(jié)構(gòu)梁上均勻布置有96個(gè)吊耳，共192個(gè)吊耳。以每套卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)吊鉤對應(yīng)的16吊耳為一組，共12組，吊鉤在主結(jié)構(gòu)梁上的排布如圖5所示，吊耳形式如圖6所示，上部組塊主吊點(diǎn)與泰山吊吊鉤連接方式如圖7所示。

1.3.3 上部組塊上主吊點(diǎn)的安裝精度

為確保泰山吊對上部組塊安全精準(zhǔn)的吊裝，對上部組塊上主吊點(diǎn)的安裝精度提出了要求，主要技術(shù)指標(biāo)如下：

圖4 上部組塊主吊點(diǎn)布置圖Fig.4 Layout of main lifting points of the upper block

圖5 吊鉤在主結(jié)構(gòu)梁上的排布Fig.5 Arrangement of hooks on main structural beam

(1) 垂直度： 每個(gè)吊耳的頂端中心偏擺不能超過±2 mm。

(2) 直線度： 每軸96個(gè)吊耳直線差不超過±2 mm。

(3) 水平度： 基于基線平面，以每組吊耳13 600 mm內(nèi)主結(jié)構(gòu)梁的最低點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，高低差不超過30 mm，吊耳中心差不超過±2 mm。

(4) 跨度： A軸及D軸結(jié)構(gòu)梁上吊耳間距離在49 500 mm基礎(chǔ)上偏差不超過±2 mm。

2 影響上部組塊主吊點(diǎn)安裝精度因子

采用傳統(tǒng)的制造工藝，上部組塊主吊點(diǎn)吊耳加工及主結(jié)構(gòu)梁裝焊等不能滿足上述精度要求，其原因主要反映在下面幾個(gè)方面：

(1) 主吊點(diǎn)吊耳下料精度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)吊耳排版圖一般采用火焰切割方式切割下料，再通過機(jī)加工的方式完成吊耳吊孔的加工。經(jīng)實(shí)際檢測，吊耳整體尺寸誤差為±5 mm，無法滿足每個(gè)吊耳頂端中心偏擺不能超過±2 mm的要求。因此，必須改進(jìn)吊耳的預(yù)制工藝，提高吊耳的預(yù)制精度。

圖6 吊耳形式Fig.6 Form of lifting lug

圖7 上部組塊主吊點(diǎn)與泰山吊吊鉤連接方式實(shí)景圖Fig.7 Connection between main lifting point of the upper block and hooks of Taishan crane

(2) 上部組塊主吊點(diǎn)處結(jié)構(gòu)梁精度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

主吊點(diǎn)的安裝是在上部組塊主結(jié)構(gòu)完成封頂、結(jié)構(gòu)全部焊接完，并在所有設(shè)備載荷作用下產(chǎn)生穩(wěn)定撓度后進(jìn)行的，以防止上部組塊撓度變形導(dǎo)致吊耳變形。

經(jīng)實(shí)際檢測，上部組塊的結(jié)構(gòu)梁安裝精度與主吊點(diǎn)的精度要求差距較大，主吊點(diǎn)所在A軸結(jié)構(gòu)梁水平最高+35 mm，最低-9 mm，差值為44 mm，直線度偏差26 mm；在D軸結(jié)構(gòu)梁水平最高+44 mm，最低+7 mm，差值為37 mm，直線度偏差13 mm； A軸與D軸結(jié)構(gòu)梁中心跨距最大偏差19 mm，主吊點(diǎn)位置結(jié)構(gòu)梁焊前直線度/水平度測量數(shù)據(jù)如圖8所示。作為既成事實(shí)的偏差，必須在主吊點(diǎn)預(yù)制、安裝、焊接過程中予以處理，以防止上部組塊撓度變形導(dǎo)致吊耳變形。

圖8 吊點(diǎn)位置結(jié)構(gòu)梁焊前直線度/水平度測量數(shù)據(jù)Fig.8 Mensurement date of straightness/levelness of structural beam at lifting points before welding

(3) 上部組塊主吊點(diǎn)吊耳數(shù)量多、跨距大，焊接變形難以控制共192個(gè)吊耳分兩排布置在上部組塊A軸與D軸結(jié)構(gòu)梁上，每根主結(jié)構(gòu)梁上均勻布置有96個(gè)吊耳，長度達(dá)81.6 m，兩排吊耳間跨度49.5 m。為滿足吊耳安裝精度要求，需192個(gè)吊耳在預(yù)制及定位準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，保證吊耳焊接變形在可接受的范圍內(nèi)。

3 上部組塊主吊點(diǎn)精度控制措施

上部組塊主吊點(diǎn)精度控制的目的就是確保主吊點(diǎn)能夠與泰山吊吊鉤順利匹配，以確保上部組塊與下部船體的吊裝合攏，這就要控制每個(gè)吊耳的吊孔中心定位尺寸必須滿足上部組塊吊裝的各項(xiàng)精度要求。結(jié)合泰山吊吊裝特點(diǎn)及上部組塊結(jié)構(gòu)情況，對其精度需從整體考慮，從預(yù)制、安裝到焊接逐步控制，其思路如下： 首先對上部組塊主吊點(diǎn)吊孔中心高差、每單組吊鉤內(nèi)主吊點(diǎn)的高度差要求綜合考慮，根據(jù)實(shí)測的上部組塊主吊點(diǎn)位置結(jié)構(gòu)梁水平差，在吊耳下料階段對結(jié)構(gòu)梁水平差進(jìn)行補(bǔ)償；在吊耳機(jī)加工階段控制吊孔中心高差；在吊耳安裝階段總體控制對焊接、水平度、直線度、跨距等精度要求[5-9]。

3.1 上部組塊主吊點(diǎn)預(yù)制及機(jī)加工的精度控制

(1) 上部組塊主吊點(diǎn)預(yù)制中的精度控制。

為確保上部組塊主吊點(diǎn)匹配泰山吊要求，每個(gè)吊耳間的安裝偏差不超過1 mm，為此，在主吊點(diǎn)預(yù)制過程中要結(jié)合母材鋼板長度，同時(shí)考慮機(jī)加工設(shè)備能力以最多5個(gè)吊耳為一組整體下料，以減少吊耳組合安裝焊接時(shí)的誤差。

在下料之前，需要按照測量的數(shù)據(jù)將上部組塊A、 D軸所在位置結(jié)構(gòu)梁水平度誤差予以補(bǔ)償，即結(jié)構(gòu)梁水平度為負(fù)偏差時(shí)，吊耳下料應(yīng)予以正偏差補(bǔ)償；結(jié)構(gòu)梁水平度為正偏差時(shí)，吊耳下料應(yīng)予以負(fù)偏差補(bǔ)償，并將補(bǔ)償數(shù)據(jù)反饋在數(shù)控套料軟件中，以確保每13.6 m內(nèi)16個(gè)吊耳在最終焊接到結(jié)構(gòu)梁上時(shí)的水平度滿足要求。

(2) 上部組塊主吊點(diǎn)吊耳孔機(jī)加工中的精度控制。

考慮到吊耳車間下料誤差為±5 mm，為控制吊耳孔(吊鉤螺栓穿過的孔)中心的直線度，通過計(jì)算確定吊耳孔上緣到吊耳上緣的長度最小值為114 mm，在機(jī)加工的時(shí)候首先保證吊點(diǎn)孔中心直線度符合要求，同時(shí)確保吊耳孔上緣到吊點(diǎn)板上緣的長度大于114 mm。

確定吊孔上緣到吊耳上緣的長度最小值之后，吊耳機(jī)加工時(shí)就可以做到有的放矢，在每組吊耳上緣最低的位置開始計(jì)算下方吊孔開孔位置，既能保證吊耳強(qiáng)度，又能滿足吊孔中心在一條直線上。對于吊耳孔上緣到吊耳上緣的長度最大值，只要保證吊耳與吊鉤有正常裝配間隙就可以，在130 mm以下就可以保證吊鉤螺栓的順利穿過。

經(jīng)過這種方法切割加工的吊耳吊孔上緣到吊耳上緣的長度，最終數(shù)據(jù)為114～126 mm，所有吊耳既滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，也能滿足泰山吊吊鉤的裝配間隙要求。

3.2 上部組塊主吊點(diǎn)定位安裝精度控制

在完成所有吊耳的預(yù)制工作之后，將全部吊耳按照下料補(bǔ)償位置擺放到A軸及D軸結(jié)構(gòu)梁上，通過全站儀整體控制定位精度，保證吊耳均勻分布。為保證直線度、水平度滿足要求，需要重點(diǎn)關(guān)注以下3組數(shù)據(jù)。

(1) A軸及D軸結(jié)構(gòu)梁上吊耳安裝的起始點(diǎn)應(yīng)準(zhǔn)確，直線度保證在±2 mm以內(nèi)。

(2) 每組整體下料的吊耳間的組對間隙誤差在1 mm以內(nèi)。

(3) A軸及D軸結(jié)構(gòu)梁上對應(yīng)的吊耳間跨距應(yīng)為49.5 m，誤差在±2 mm以內(nèi)。

由于A軸及D軸結(jié)構(gòu)梁中心間跨度超差最大達(dá)到19 mm，為同時(shí)滿足直線度和跨距要求，需要在保證跨度情況下盡量縮小吊耳眼板中心線與結(jié)構(gòu)梁腹板中心線間的偏移量。從實(shí)測數(shù)據(jù)來看，D軸結(jié)構(gòu)梁直線度偏差較小，只有13 mm； A軸結(jié)構(gòu)梁直線度偏差較大，達(dá)到26 mm，可以以A軸為基準(zhǔn)，調(diào)整D軸基準(zhǔn)線，在保證直線度基礎(chǔ)上保證兩軸跨距為49.5 m。對于A軸結(jié)構(gòu)梁腹板偏移出吊耳眼板范圍的情況進(jìn)行強(qiáng)度校核，可以通過增高眼板與大梁間焊縫高度的方法來保證吊耳強(qiáng)度滿足要求。

3.3 上部組塊主吊點(diǎn)焊接變形控制

在控制好上部組塊主吊點(diǎn)吊耳預(yù)制和定位精度的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)行吊耳的焊接變形控制，主要集中在兩點(diǎn)： 一是吊耳的焊接偏擺，二是每組吊耳間焊接收縮變形。

吊耳的焊接偏擺直接影響吊耳吊孔中心的直線度，可采用對稱焊接的辦法，通過全站儀實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，又通過測量數(shù)據(jù)控制焊接變形并矯正。

對于每組吊耳間焊接收縮變形，主要采用多點(diǎn)同時(shí)施工焊接，使收縮應(yīng)力相互抵消，降低焊接速度，減少焊接收縮量。

(1) 吊耳與主結(jié)構(gòu)焊接原則。

① 吊耳以4～6個(gè)為一組，每組同主結(jié)構(gòu)的焊接按照先中間、后兩邊的順序進(jìn)行焊接，以圖9為例，按照S1→S2→S3的順序進(jìn)行。

② 在保證焊接順序的基礎(chǔ)上，吊耳拼接處左右預(yù)留100～150 mm緩焊(見圖9)。

③ 焊道接頭錯(cuò)開，長直焊道起弧點(diǎn)或熄弧點(diǎn)不可在同一位置，每個(gè)焊道要錯(cuò)開至少50 mm。

(2) 每組吊耳間的拼接。

每組吊耳間的拼接焊口為非對稱X形坡口，如圖10所示的坡口3。為更好地控制焊接變形，推薦雙人雙面焊接。在完成每組吊耳間的焊接之后，再進(jìn)行吊耳同主結(jié)構(gòu)間剩余焊縫的焊接。兩坡口交匯處的焊縫要打磨至平滑過渡。

(3) 吊耳與主結(jié)構(gòu)焊接順序。

吊耳與主結(jié)構(gòu)連接為非對稱K形坡口，焊接之后還要進(jìn)行10～12 mm角焊縫補(bǔ)強(qiáng)，如圖11所示。

圖9 吊耳組間焊接裝配示意圖Fig.9 Schematic diagram of welding assembly between lifting lug groups

圖10 吊耳拼接焊口詳圖Fig.10 Detailed drawing of lifting lug splicing weld junction

圖11 吊耳焊口詳圖Fig.11 Detailed drawing of lifting lug weld junction

為控制焊接變形，推薦采取雙人雙面焊接，如圖12所示，其焊接順序：

圖12 吊耳與主結(jié)構(gòu)焊接順序示意圖Fig.12 Schematic diagram of welding sequence between lifting lug and main structure

(1) 先焊接A側(cè)坡口的3t/5。

(2) 對B側(cè)氣刨清根，打磨光滑至完好金屬。

(3) 最后A、B兩側(cè)同時(shí)焊接，完成整個(gè)節(jié)點(diǎn)的焊接工作。焊接過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況微調(diào)A、B兩側(cè)焊接量。

通過從上部組塊主吊點(diǎn)下料補(bǔ)償、機(jī)加工、現(xiàn)場定位及焊接的全過程精度控制措施，以及焊接過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測調(diào)整，吊耳焊接完成后吊孔間距控制在±1 mm以內(nèi)，直線度控制在±2 mm以內(nèi)，單軸吊耳水平差控制在30 mm以內(nèi)。主吊點(diǎn)的各項(xiàng)精度控制目標(biāo)圓滿完成后，焊后測量數(shù)據(jù)如圖13所示。

圖13 主吊點(diǎn)焊后測量數(shù)據(jù)Fig.13 Measurement data after welding of main lifting points

4 結(jié) 語

通過對主結(jié)構(gòu)梁焊前數(shù)據(jù)測量、吊耳預(yù)制補(bǔ)償、吊點(diǎn)焊接變形控制等技術(shù)的應(yīng)用，該平臺(tái)上部組塊順利實(shí)現(xiàn)整體吊裝合攏，所采取的對上部組塊主吊點(diǎn)的各項(xiàng)精度控制目標(biāo)都得以實(shí)現(xiàn)，這也為國內(nèi)同類型平臺(tái)建造積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

通過此次上部組塊主吊點(diǎn)的建造，也得到兩點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)： 一是上部組塊主吊點(diǎn)所在結(jié)構(gòu)梁跨距已經(jīng)達(dá)到了泰山吊的跨距調(diào)整上限，這給主吊點(diǎn)制造中的精度控制增加了難度，建議以后類似工程應(yīng)避免這種極限設(shè)計(jì)；二是對主吊點(diǎn)所在結(jié)構(gòu)梁的預(yù)制、總裝精度應(yīng)提前干預(yù)，設(shè)計(jì)階段就應(yīng)考慮撓度變形，建造階段應(yīng)提高預(yù)制、安裝精度。