FPSO船體單點艙建造工藝研究與應(yīng)用

石 亮, 劉傳輝, 孔 強, 趙立君

(海洋石油工程股份有限公司, 天津 300461)

0 引 言

浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)具有生產(chǎn)、儲油和卸油等功能，通過系泊系統(tǒng)固定，在風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的作用下繞單點系泊裝置作圓周運動。整個FPSO圍繞單點轉(zhuǎn)動，在設(shè)計周期內(nèi)可能遇到多種極限工況。隨著單點懸掛數(shù)量的增加，單點艙設(shè)計的越來越大，對船體與單點直接相連的結(jié)構(gòu)單點艙有較高的強度要求和精度要求。本文通過分析單點艙區(qū)域的結(jié)構(gòu)特點，有針對性地提出制作工藝，同時結(jié)合單點建造的精度要求，有針對性地提出控制措施，保證單點艙建造完成之后滿足單點集成的要求，實現(xiàn)設(shè)計功能。

1 單點艙結(jié)構(gòu)特點分析

單點艙結(jié)構(gòu)主要受單點的影響，單點一般設(shè)計為單軸承或雙軸承結(jié)構(gòu)，典型結(jié)構(gòu)形式見圖1。適用于內(nèi)轉(zhuǎn)塔形式的單點艙一般設(shè)計為內(nèi)部圓形結(jié)構(gòu)，周邊布置若干個輻射筋板進行加強。單軸承結(jié)構(gòu)主要考慮軸承受力最小，與單點艙界面布置在船體梁中和軸附近；雙軸承結(jié)構(gòu)一般布置在靠近基線的位置和船體主甲板位置。若要保證單點艙滿足使用要求，主要控制其與單點的界面位置處接合的建造精度，在單點集成之后能使船體在規(guī)定力矩下360°旋轉(zhuǎn)，不至于存在較大的應(yīng)力。

圖1 典型內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點艙結(jié)構(gòu)形式

2 精度分析

由于結(jié)構(gòu)形式不同，與單點直接相連的單點艙的建造精度要求也不同。單點艙需根據(jù)對應(yīng)單點的精度要求有針對性地建造。以國內(nèi)最近建造的某單軸承單點艙為例，其精度要求見表1，單點對單點筒體的周長、端面垂直度和不圓度的要求已遠(yuǎn)高于常規(guī)船體建造規(guī)范的要求，尤其是對界面圓處位置度的要求，需通過專用的建造工藝和特殊的工裝來滿足。

表1 最近建造的某單軸承單點艙的精度要求

3 工藝設(shè)計

通過分析單點艙的建造精度可知，圓筒結(jié)構(gòu)的制造要求與海洋工程中卷制鋼管的制造要求相似，將圓筒與單點艙周邊輻射加強結(jié)構(gòu)分離出來，分別進行制造，制造完成之后進行裝配。根據(jù)建造廠設(shè)備的作業(yè)能力和單點艙自身的結(jié)構(gòu)特點，在高度方向上將單點艙分為3個分段建造，并在塢內(nèi)合攏(見圖2)。

圖2 單點艙三維圖

3.1 圓筒結(jié)構(gòu)制作

圓筒結(jié)構(gòu)的直徑達(dá)到18 m，需要多張圓弧板拼接完成。制作專用的檢驗工裝樣板，使用樣板檢查圓弧的圓度。通過胎架上的限位裝置調(diào)節(jié)圓弧板片與地線的對位，通過左右絲調(diào)節(jié)圓弧板片的垂直度。依次吊裝剩余的圓弧板片，通過調(diào)節(jié)對位輔助線的對合確定圓弧板端部的平面度，對合完畢之后，使用馬板封固并加放圓弧板的焊接收縮量。在焊接過程中，通過吊線錘測量線錘與地線的對合情況，確定圓環(huán)的垂直度。利用全站儀監(jiān)控水平輔助線上的標(biāo)靶，由此檢測圓環(huán)的圓度，若發(fā)現(xiàn)超差，通過調(diào)節(jié)焊接參數(shù)和焊接順序進行調(diào)整。圖3為圓筒水平檢測示意。

圖3 圓筒水平檢測示意

3.2 專用工裝設(shè)計

為控制圓筒結(jié)構(gòu)在吊裝過程中的變形，設(shè)計專用的圓環(huán)吊排吊裝圓筒。對圓環(huán)吊排進行有限元強度校核，以確定其應(yīng)力水平，分2種工況對圓環(huán)吊排進行校核：

1) 選用內(nèi)圈吊耳進行吊裝，在內(nèi)圈每個吊耳處施加50 kN的豎直向下的拉力;

2) 選用外圈吊耳進行吊裝,在外圈每個吊耳處施加50 kN的豎直向下的拉力。

通過有限元分析，板單元最大應(yīng)力為209 MPa，此處為應(yīng)力集中區(qū)域，其他區(qū)域單元的應(yīng)力均小于許用衡準(zhǔn)，吊排結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

3.3 界面圓裝配

界面圓是單點艙與單點結(jié)構(gòu)的物理界面，連接位置靠近船體梁中和軸。界面圓的建造精度直接影響其與單點的集成，此處精度控制為整個單點艙建造的重點和難點。

界面圓所在圓環(huán)要在下層圓環(huán)焊接完成之后使用專用圓環(huán)吊排吊裝，界面圓裝配示意見圖4。通過吊線錘檢查地線對位情況，并確定圓環(huán)的垂直度。通過在界面圓下設(shè)置穩(wěn)固的圓管支撐，保證界面圓下口的水平度，定位時測量界面圓環(huán)下口水平高度值。在焊接過程中，重點監(jiān)控圓筒的圓度、垂直度和界面圓下口水平高度的變化，若發(fā)現(xiàn)超差，及時調(diào)節(jié)焊接參數(shù)和焊接順序。

圖4 界面圓裝配示意

3.4 分段裝配

各分段組立采用同胎建造，采用全站儀與樣板配合的方式保證地線勘劃的準(zhǔn)確性。網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)線在結(jié)構(gòu)劃線時一并勘劃在圓筒組立和甲板組立的非結(jié)構(gòu)面上，基準(zhǔn)線在分段完工之后應(yīng)重新進行校驗，后期用作合攏對合基準(zhǔn)。重點控制分段焊接引起的月池圍壁圓度變化，采用先焊外圍結(jié)構(gòu)焊縫，再采用退焊法焊接圓筒圍壁水平構(gòu)件焊縫，最后焊接豎向構(gòu)件焊縫的方式。裝配過程中設(shè)置必要的工裝，保證組立準(zhǔn)確、快速裝配。待圓環(huán)結(jié)構(gòu)與扇形分段預(yù)制完成之后，以圓環(huán)裝配成圓筒，以圓筒為基準(zhǔn)靠裝周圍結(jié)構(gòu)及其他散件，完成焊接之后形成完整分段。

4 分段總組

為保障塢內(nèi)的合攏精度，單點艙區(qū)域采用混合布墩工藝，鋼墩和木墩混合擺放。鋼墩控制分段下沉量，木墩減少硬接觸引起的船底結(jié)構(gòu)變形。為更好地控制同軸度，分別控制上部2個分段合攏吊裝的時機，待前一個段燒焊結(jié)束之后進行合攏定位。對高度方向的合攏縫設(shè)置補償量，控制各層平臺及主甲板的高度、界面圓高度和水平度。

4.1 底部分段合攏

底部分段建造完工之后,在分段船底板4個位置各貼1個光靶(見圖5)，用于在底部分段合攏定位時作為分段水平度定位基準(zhǔn)和月池區(qū)域船底板水平高度的測量基準(zhǔn)。在底部分段合攏之前檢查平底區(qū)域塢墩是否水平，測量已合攏船體結(jié)構(gòu)船底板中心線的高度,得到已合攏船體區(qū)域的平均高度。長度方向與寬度方向的定位采用肋檢線與中心線對位的方式控制。在進行圓筒定位的同時，兼顧分段平臺板上的船體中心線與地線的對位精度。在圓筒內(nèi)側(cè)每隔45°從圓筒上口到下口吊線錘，檢驗圓筒定位的垂直度(見圖6)。測量船底板標(biāo)記平均高度與塢墻基準(zhǔn)線的相對高度差，測量已合攏船體區(qū)域基線平均高度與塢墻基準(zhǔn)線的高度差，保證偏差值均滿足精度要求。

圖5 底板光靶位置示意

圖6 圓筒內(nèi)側(cè)測量定位示意

底部分段定位完成之后，在單點艙內(nèi)的塢底區(qū)域設(shè)置一處標(biāo)桿，用于進行測量和監(jiān)控，并最終確定月池區(qū)域船底基線的高度。分段裝配完工之后，按相關(guān)焊接工藝要求進行結(jié)構(gòu)裝配和焊接工作。焊接過程中按要求對分段精度進行監(jiān)控，出現(xiàn)超差時通過調(diào)整焊接順序保證精度。

4.2 中間分段合攏

在中間分段合攏前，應(yīng)完成底部分段主板封焊作業(yè)。在界面圓內(nèi)側(cè)理論高度位置處設(shè)置水平標(biāo)記，標(biāo)記點在圓筒內(nèi)側(cè)，每隔45°劃一處，用于在界面圓筒下端面進行高度定位使用。在圓筒內(nèi)側(cè)采用吊線錘的方式檢驗圓筒的垂直度，同時兼顧底部分段圓筒整體的垂直度。測量界面圓的高度標(biāo)記，確定中間分段的定位高度，高度定位應(yīng)進行正公差控制。測量分段建造時在圓筒內(nèi)側(cè)勘劃的界面圓理論高度基準(zhǔn)點,控制這些測量點確定的圓心與地線圓心的對位精度。在對中間分段進行定位的同時，測量監(jiān)控界面圓下端面的不圓度和界面圓周長(見圖7)。

圖7 界面圓高度監(jiān)控

中間分段定位結(jié)束之后，應(yīng)持續(xù)監(jiān)控界面圓下端口的水平度和高度，保證精度偏差始終滿足要求，若出現(xiàn)精度超差，應(yīng)及時調(diào)整，最終得到的界面圓標(biāo)高和不圓度測量結(jié)果見表2。分段裝配完工之后進行結(jié)構(gòu)裝配和焊接工作。焊接過程中應(yīng)按要求隨時監(jiān)控分段各項精度，若出現(xiàn)超差，應(yīng)及時調(diào)整焊接順序，以保證精度。

表2 界面圓標(biāo)高和不圓度測量結(jié)果

4.3 頂部分段合攏

頂部分段合攏前，應(yīng)至少完成底部分段主要焊縫50%的焊接工作，以及中間分段主板封焊作業(yè)。與前述分段一樣，進行長度方向和寬度方向的定位。在調(diào)整垂直度時，除了通過吊線錘檢驗圓筒的垂直度以外，還同時兼顧頂部、中間和底部等3個分段圓筒整體的垂直度。單點艙同心度測量結(jié)果見表3。測量頂部分段的高度標(biāo)記與基線基準(zhǔn)高度的高度差確定頂部分段的定位高，在進行高度定位時兼顧船體型深尺寸控制(見圖8)。水平調(diào)整通過測量平臺強框架的水平度控制分段的水平定位精度。在分段裝配完工后的焊接過程中，應(yīng)隨時監(jiān)控分段的各項精度，若出現(xiàn)超差，應(yīng)及時調(diào)整焊接順序，以保證精度。

圖8 頂部分段合攏

表3 單點艙同心度測量結(jié)果

5 結(jié) 語

單點艙結(jié)構(gòu)是FPSO船體的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，屬于船體結(jié)構(gòu)的建造難點。通過對單點艙結(jié)構(gòu)的建造實踐進行分析發(fā)現(xiàn)，將圓筒與周邊加強結(jié)構(gòu)分開建造、分別控制精度的方式是可行的，在具體實施過程中，應(yīng)充分重視對焊接變形的監(jiān)控，根據(jù)實際情況調(diào)整焊接順序。該方案可供以后類似結(jié)構(gòu)，尤其是圓筒形結(jié)構(gòu)的建造參考。