一種內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)集成工藝

石亮

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)(single point mooring system)中的內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)包含一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的圓筒形結(jié)構(gòu)物(下塔體)，下塔體結(jié)構(gòu)被集成到FPSO中的圓筒形的單點(diǎn)艙中，下塔體和FPSO之間通過(guò)軸承支撐結(jié)構(gòu)連接。下塔體上端為管匯平臺(tái)，管匯平臺(tái)為一個(gè)多層甲板模塊結(jié)構(gòu)物，內(nèi)部容納管線系統(tǒng)。塔架位于管匯平臺(tái)上部，內(nèi)部集成有滑環(huán)，滑環(huán)用于連接船體(旋轉(zhuǎn)部分)與管匯平臺(tái)、下塔體以及海底錨鏈(固定部分)[1]，見(jiàn)圖1。這種類(lèi)型單點(diǎn)集成滑環(huán)數(shù)達(dá)10個(gè)，懸掛數(shù)量達(dá)到19個(gè)，是目前國(guó)內(nèi)懸掛數(shù)量最多的單點(diǎn)系統(tǒng)，而且國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用、集成此類(lèi)型單點(diǎn)。

1 集成原理

根據(jù)單點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及浮吊吊裝能力，將內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng)分3個(gè)單體(下塔體、管匯平臺(tái)、塔架)，各自單獨(dú)建造[2]。模塊建造完成后，按照下塔體、管匯平臺(tái)、塔架的順序依次集成到FPSO的單點(diǎn)艙之中，最后安裝滑環(huán)系統(tǒng)至塔架內(nèi)部，集成流程見(jiàn)圖2。單點(diǎn)集成要求(見(jiàn)表1)中軸承圓心偏差為±5 mm，滑環(huán)支撐同心度為±7.5 mm，集成關(guān)鍵在于3個(gè)單體同軸度的控制，要求3個(gè)單體在集成完成后實(shí)現(xiàn)同軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)對(duì)軸承基板水平進(jìn)行控制。

表1 單點(diǎn)集成精度要求

圖2 單點(diǎn)集成流程示意

2 工裝設(shè)計(jì)

單點(diǎn)集成屬于小間隙吊裝，尤其對(duì)于下塔體，下塔體與單點(diǎn)艙壁理論間隙為300 mm，小于浮吊吊裝最小間隙要求[3]，需要設(shè)計(jì)專(zhuān)用導(dǎo)向工裝，保護(hù)本體結(jié)構(gòu)并輔助單體就位。為實(shí)現(xiàn)下塔體就位后的精調(diào)整，需要設(shè)計(jì)專(zhuān)用的集成支墩。

2.1 導(dǎo)向工裝設(shè)計(jì)

自主甲板單點(diǎn)艙口到筒體內(nèi)部界面圓下方，設(shè)置6道由上至下的連續(xù)導(dǎo)向工裝，用于輔助定位并控制下塔體吊裝過(guò)程中與單點(diǎn)艙間隙，主甲板上導(dǎo)向結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，由木頭與H型鋼組成。使用ANSYS軟件對(duì)導(dǎo)向工裝進(jìn)行局部強(qiáng)度校核，利用Shell181單元模擬鋼板，導(dǎo)向工裝材料選取AH36，最小屈服強(qiáng)度355 MPa。主要考慮3種工況校核導(dǎo)向工裝，載荷布置見(jiàn)圖4[4]。

圖3 主甲板導(dǎo)向

圖4 導(dǎo)向載荷布置及應(yīng)力

1)500 kN(下塔體重量的5%)水平面內(nèi)載荷和500 kN(下塔體重量的5%)作用于導(dǎo)向傾斜面的豎向載荷；

2)500 kN(下塔體重量的5%)水平面內(nèi)載荷和50 kN(下塔體重量的0.5%)作用于豎向緩沖結(jié)構(gòu)頂部的豎向載荷;

3)500 kN(下塔體重量的5%)水平面內(nèi)載荷和50 kN(下塔體重量的0.5%)作用于豎向緩沖結(jié)構(gòu)中間位置的豎向載荷。

對(duì)管匯平臺(tái)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，結(jié)果見(jiàn)表3，應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4，結(jié)果表明導(dǎo)向結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度滿足單體吊裝。

表2 應(yīng)力分析結(jié)果

2.2 集成支墩設(shè)計(jì)

當(dāng)下塔體吊入單點(diǎn)艙后，要控制下塔體主軸承中心與單點(diǎn)艙的同心度和相對(duì)高差，設(shè)計(jì)專(zhuān)用工裝完成精就位。在下塔體下方沿圓周方向設(shè)置3個(gè)集成支墩，將下塔體吊裝至單點(diǎn)艙內(nèi)，置于集成支墩之上，見(jiàn)圖5。集成支墩上的3個(gè)徑向千斤頂調(diào)節(jié)下塔體與單點(diǎn)艙的同心度，軸向千斤頂調(diào)節(jié)塔體相對(duì)船體基線的高度和水平度，使軸承表面相對(duì)船底基線公差滿足精度要求。

圖5 集成支墩使用示意

水平和垂向調(diào)整是獨(dú)立進(jìn)行的，分析所用載荷由千斤頂最大頂推能力確定。水平千斤頂能力3 000 kN，垂向千斤頂能力6 000 kN，集成支墩模型采用板單元模擬，材料選取DH36，最小屈服強(qiáng)度355 MPa。對(duì)3種工況進(jìn)行校核。

1)豎向調(diào)整時(shí)，下塔體直接作用于豎向千斤頂，千斤頂只承受豎向力。

2)水平調(diào)整時(shí)，水平千斤頂作用于下塔體，僅推力座作用于結(jié)構(gòu)的水平方向力。

3)水平調(diào)整時(shí)，水平調(diào)整過(guò)程中受到的支撐板的阻力。

對(duì)3種工況分別進(jìn)行有限元分析，獲得圖6所示應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6。3種工況最大應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)果表明，集成支墩結(jié)構(gòu)在各個(gè)工況下是安全的。

圖6 應(yīng)力云圖

表3 應(yīng)力分析結(jié)果

3 碰撞分析

為防止下塔體結(jié)構(gòu)在吊裝進(jìn)入單點(diǎn)艙筒體過(guò)程中發(fā)生碰撞變形，在單點(diǎn)艙壁布置若干導(dǎo)向工裝并在下塔體本體對(duì)應(yīng)位置安裝鋼制保護(hù)結(jié)構(gòu)，使碰撞只發(fā)生在導(dǎo)向工裝木頭和保護(hù)結(jié)構(gòu)之間，相對(duì)位置示意見(jiàn)圖7。為防止吊裝偏心導(dǎo)致下塔體自身傾斜過(guò)大，在下塔體加裝姿態(tài)儀控制塔體水平。當(dāng)下轉(zhuǎn)塔傾斜大于1°時(shí)，下轉(zhuǎn)塔底部和頂部保護(hù)結(jié)構(gòu)將同時(shí)緊貼木制導(dǎo)向，此時(shí)下轉(zhuǎn)塔本體與月池壁無(wú)碰撞。下塔體按最大傾斜度0.5°控制，下塔體與單點(diǎn)艙按整體建造公差0.1%變化考慮。結(jié)合下塔體吊裝下落過(guò)程，按照以上原則，對(duì)下塔體及保護(hù)結(jié)構(gòu)、單點(diǎn)艙及其導(dǎo)向工裝木頭進(jìn)行三維建模，選取6個(gè)極限工況進(jìn)行碰撞分析，見(jiàn)表4。表內(nèi)列出軸承支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)與導(dǎo)向木頭貼合的預(yù)設(shè)極端工況，偏轉(zhuǎn)后導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)無(wú)法接觸到單點(diǎn)艙壁，不會(huì)發(fā)生碰撞。

圖7 單點(diǎn)艙與下塔體相對(duì)位置示意

表4 極限工況下碰撞分析

4 模擬搭載

為進(jìn)一步提升吊裝可靠性，降低不可預(yù)見(jiàn)因素影響，待單點(diǎn)艙與單點(diǎn)下塔體建造完工后，利用三維掃描技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行實(shí)體掃描，通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理形成實(shí)際尺寸的三維模型，然后將進(jìn)行兩者模擬搭載[5]，見(jiàn)圖8。通過(guò)三維掃描，可以獲得下塔體、單點(diǎn)艙不同標(biāo)高處的圓心，進(jìn)而獲得兩者的中心線，進(jìn)行垂直度和同心度的分析。

圖8 點(diǎn)云模型

對(duì)單點(diǎn)艙中安裝的木質(zhì)導(dǎo)向與下塔體進(jìn)行間距分析，見(jiàn)圖9a)。止鏈器圓筒在集成時(shí)會(huì)出現(xiàn)干涉，需在集成時(shí)做傾斜度調(diào)整，如下塔體出現(xiàn)約5°左右旋轉(zhuǎn)，會(huì)與單點(diǎn)艙上的導(dǎo)向塊發(fā)生碰撞，見(jiàn)圖9b)。通過(guò)模擬搭載技術(shù)，將實(shí)際施工裝配中的問(wèn)題暴露出來(lái)，提前整改。

圖9 模擬搭載分析

5 集成實(shí)施

在完成3個(gè)單體、導(dǎo)向工裝、集成支墩預(yù)制，開(kāi)展碰撞校核、模擬搭載準(zhǔn)備工作后，開(kāi)始實(shí)施集成吊裝工作。集成工作還涉及止推裝置安裝、跑道調(diào)整、圓形風(fēng)雨圍堰安裝、滑環(huán)安裝,以及多次旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)等工作。

5.1 下塔體集成

浮吊通過(guò)吊裝框架吊裝下轉(zhuǎn)塔，吊至單點(diǎn)艙口上方，下放下轉(zhuǎn)塔。激光測(cè)距儀安裝在下轉(zhuǎn)塔3個(gè)突出部位，姿態(tài)儀安裝在下轉(zhuǎn)塔頂部平面。在下轉(zhuǎn)塔吊裝過(guò)程中，實(shí)時(shí)測(cè)量下轉(zhuǎn)塔外沿至單點(diǎn)艙壁的距離和下轉(zhuǎn)塔的水平度。

5.1.1 下塔體就位

下塔體下放過(guò)程中，控制傾斜角度在0.5°之內(nèi)，繼續(xù)下放下塔體進(jìn)入集成支墩上的就位導(dǎo)向。為避免主軸承在下塔體重量由浮吊轉(zhuǎn)移至集成支墩過(guò)程中受沖擊損壞，在集成支墩底座上預(yù)先布置厚木板。下塔體進(jìn)入集成支墩導(dǎo)向后，緩慢下落至木板上，轉(zhuǎn)移30%重量(約4 000 kN)重量給木頭。然后操作垂直液壓千斤頂，使垂直千斤頂伸展，直至活塞接觸到下塔體。浮吊緩慢釋放下塔體重量，將塔體重量轉(zhuǎn)移至3個(gè)垂直千斤頂上。完成重量轉(zhuǎn)移后，緩慢降下千斤頂活塞，直到下塔體結(jié)構(gòu)全部坐落于集成支墩上，完成粗就位。

下塔體的精就位包含2個(gè)施工過(guò)程。

1)徑向?qū)π恼{(diào)整過(guò)程：分別測(cè)量單點(diǎn)艙集成界面中軸線基準(zhǔn)點(diǎn)、主軸承控制點(diǎn)，計(jì)算主軸承中心線與單點(diǎn)艙集成界面中軸線的偏差量[6]。啟動(dòng)徑向千斤頂泵站，在需要頂推的方向推動(dòng)該方向千斤頂上活塞，每一步推動(dòng)的位移都需要進(jìn)行測(cè)量記錄，根據(jù)結(jié)果調(diào)整移動(dòng)方向。

2)水平標(biāo)高調(diào)整過(guò)程：測(cè)量主軸承標(biāo)高水平相對(duì)于單點(diǎn)艙基線標(biāo)高水平偏差，確定軸向千斤頂?shù)拇怪表斖屏俊＿_(dá)到目標(biāo)位移量，停止活塞的推進(jìn)。測(cè)量主軸承水平和標(biāo)高相對(duì)船體基線的偏差，偏差要控制在±2.5mm以內(nèi)。完成調(diào)整后，進(jìn)行集成板組對(duì)焊接工作。

5.1.2 集成板組對(duì)、焊接

集成板指單點(diǎn)艙界面圓與下塔體連接的一圈圓弧板，沿圓周分為多片，見(jiàn)圖10。下塔體精就位完成后，需測(cè)量單點(diǎn)艙界面圓與軸承支撐結(jié)構(gòu)之間距離，作為切割集成板的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。集成板組對(duì)完成后開(kāi)展焊接作業(yè)，先焊接縱縫，后焊接上下兩道環(huán)焊縫，環(huán)焊縫采用分段退焊的方式，多人沿同一方向?qū)ΨQ施焊。在焊接過(guò)程中，對(duì)軸承平面度、中心線進(jìn)行定期監(jiān)控，焊接順序根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

圖10 下塔體集成板示意

5.2 管匯平臺(tái)集成

為準(zhǔn)確定位管匯平臺(tái)，在管匯平臺(tái)頂層甲板邊緣做定位標(biāo)記輔助線，在吊裝進(jìn)入主甲板導(dǎo)向前，通過(guò)布置在主甲板的全站儀調(diào)整位置和朝向。管匯平臺(tái)落放到下塔體上后，以下塔體主軸承平面和中軸線為基準(zhǔn)，測(cè)量滑環(huán)底座上表面標(biāo)高以及相對(duì)主軸承同心度。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，利用千斤頂將管匯平臺(tái)頂起，調(diào)整標(biāo)高和水平。調(diào)整完畢后開(kāi)始焊接，多名焊工對(duì)稱同步焊接，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管匯平臺(tái)的標(biāo)高和水平度。

5.3 塔架集成

管匯平臺(tái)吊裝完成后，進(jìn)行塔架基座余量切割，基座余量的修剪須在管匯平臺(tái)集成后依據(jù)滑環(huán)底座水平標(biāo)高確定。在塔架基座外圈安裝就位導(dǎo)向工裝，導(dǎo)向工裝與主腿間隙根據(jù)實(shí)際尺寸進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)計(jì)算，塔架吊起后主腿在自重作用下向內(nèi)變形，變形量小于100 mm，頂部導(dǎo)向捕捉范圍設(shè)計(jì)為±300 mm。3個(gè)單體集成完成后測(cè)量報(bào)告見(jiàn)表5，軸承平臺(tái)與單點(diǎn)艙平臺(tái)同心度偏差為5 mm，3個(gè)單體同心度最大偏差為5 mm，滑環(huán)集成平臺(tái)同心度偏差為5 mm，滿足集成精度要求。

表5 單點(diǎn)集成同心度測(cè)量報(bào)告 mm

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)典型內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合集成精度要求，明確集成原理，識(shí)別出集成的關(guān)鍵控制點(diǎn)，進(jìn)行集成工裝設(shè)計(jì)，碰撞分析，模擬搭載并完成具體實(shí)施工作。單點(diǎn)集成工作是一個(gè)系統(tǒng)性的工作，需要從船體建造階段就籌劃，單點(diǎn)艙建造、單點(diǎn)制造、吊裝、精度控制等各項(xiàng)工作綜合考慮實(shí)施。通過(guò)使用三維掃描技術(shù)、碰撞校核、吊裝動(dòng)態(tài)監(jiān)控等新技術(shù)，為單點(diǎn)集成順利實(shí)施提供保障。