超大型FPSO半船大合攏技術(shù)

朱波波，李振權(quán)，董鶴，繆寶華

(啟東中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程有限公司，江蘇 啟東 226200)

超大型FPSO通常采取模塊化方式建造，主船體作為一部分與上部模塊并行建造，建造周期36個(gè)月。相對(duì)上部模塊，主船體物量最大、建造周期最長(zhǎng)、在關(guān)鍵路徑上。關(guān)鍵路徑是指各建造條線中耗時(shí)最長(zhǎng)的路徑，縮短關(guān)鍵路徑長(zhǎng)度即可縮短整個(gè)建造周期。因此，如何縮短主船體的建造周期，成為縮短超大型FPSO建造周期的關(guān)鍵。

為了縮短FPSO主船體建造周期，探討將主船體切分為艏半船和艉半船，艏、艉半船并行建造。艏、艉半船并行建造屬于常規(guī)工作，總組和搭載方法與整船建造基本相似，作業(yè)難度不大。需要重視艏、艉半船在完工出塢后的半船大合攏對(duì)接工藝技術(shù)，解決半船浮態(tài)調(diào)平、拖航阻力預(yù)估、進(jìn)塢定位方法、對(duì)接精度控制、合攏口焊接順序等工藝技術(shù)問(wèn)題，確保大合攏對(duì)接工作在一個(gè)潮水內(nèi)完成，對(duì)接精度滿足精度控制要求，焊接質(zhì)量滿足NTD(無(wú)損探傷)要求。大合攏作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖1。

圖1 艏艉半船大合攏現(xiàn)場(chǎng)

1 艏艉半船劃分原則

1.1 劃分原則

船塢尺寸：為保證外板工程和船舶起浮，船塢內(nèi)長(zhǎng)和內(nèi)寬需保證半船前后和左右方向的作業(yè)空間。

漂浮吃水：為保證大合攏對(duì)接精度，艏半船和艉半船保留0.5～1.0 m吃水差，在進(jìn)塢大合攏時(shí)一頭半船先坐墩，作為定位基準(zhǔn)，另外一頭半船向坐墩的半船靠攏對(duì)接。

漂浮浮態(tài)：為保證艏、艉半船順利對(duì)接，需將半船縱向和橫向吃水差控制在千分之一以?xún)?nèi)，必要時(shí)可以通過(guò)壓載調(diào)平浮態(tài)。

工藝要求：為避開(kāi)應(yīng)力集中區(qū)，大合攏縫避開(kāi)角隅板、加厚板等區(qū)域；為保證分段預(yù)舾裝率和艙室完整性，大合攏縫避開(kāi)基座、特涂艙、管弄、風(fēng)道、主電纜通道、梯道。

1.2 劃分情況

半船建造船塢長(zhǎng)為170 m、寬為120 m、深為14.3 m、允許最大出塢船舶吃水9.1 m。半船大合攏船塢長(zhǎng)350 m、寬76 m、深11.9 m、最大允許進(jìn)出塢船舶吃水6.7 m。FPSO主船體型長(zhǎng)270 m、型寬54 m、型深32 m、重量59 293 t。通過(guò)對(duì)半船劃分原則的綜合對(duì)比和分析，將主船體大合攏縫劃在船舯偏艉貨油艙位置。劃分后艏半船長(zhǎng)為144.2 m、重量30 533 t、調(diào)平后吃水5.6 m，艉半船長(zhǎng)125.8 m、重量28 760 t、調(diào)平后吃水5.1 m。

2 大合攏技術(shù)準(zhǔn)備

2.1 浮態(tài)計(jì)算

在艏艉半船進(jìn)塢坐墩時(shí)，艏半船需要先坐墩，作為艉半船的對(duì)接定位基準(zhǔn)，且坐墩時(shí)間差應(yīng)大于0.5 h，為艉半船定位預(yù)留作業(yè)時(shí)間。因此，需要通過(guò)配載保證艏艉半船吃水差大于0.5 m且縱傾和橫傾小于0.1%。采用船舶性能計(jì)算軟件GHS，對(duì)艏半船和艉半船外型輪廓和內(nèi)部艙室建立模型，輸入半船重量和重心位置，計(jì)算初始浮態(tài)，然后進(jìn)行半船艙室配載計(jì)算，調(diào)平半船浮態(tài)。配載和浮態(tài)情況見(jiàn)表1。

表1 半船配載和浮態(tài)情況

2.2 塢墩設(shè)計(jì)

為補(bǔ)償船底板厚度差和塢底高低差，塢墩采用混凝土塊加楔形枕木組合形式，單墩承載力100 t?；炷翂K長(zhǎng)2 m、寬0.5 m、高1.0 m，楔形枕木長(zhǎng)0.8 m、寬0.3 m、高0.2 m，由2塊楔木組合而成，楔木斜面接觸、平面在上下兩面。通過(guò)減少枕木層數(shù)，控制枕木受力后下沉量，從而避免艏、艉半船因枕木下沉不均勻引起的大合攏口錯(cuò)位，一般情況下枕木小于3層。根據(jù)全船重量分布曲線，以塢墩受力均勻?yàn)樵瓌t進(jìn)行塢墩布置，防止塢墩下沉不均勻。塢墩枕木避開(kāi)犧牲陽(yáng)極、通?？?、放水塞、計(jì)程儀及測(cè)速儀探頭等突出物體。使用綁扎條和碼釘將塢墩枕木固定到混凝土塊上，防止塢內(nèi)進(jìn)水后枕木起浮。

2.3 大合攏口導(dǎo)向和快速對(duì)接碼設(shè)計(jì)

通過(guò)在艏、艉半船合攏口甲板面上安裝大合攏導(dǎo)向和快速對(duì)接碼，實(shí)現(xiàn)艉半船與艏半船快速對(duì)接。大合攏導(dǎo)向用于控制艉半船相對(duì)艏半船在左右方向的相對(duì)位置，快速對(duì)接碼用于控制艉半船相對(duì)艏半船在前后方向的相對(duì)位置。大合攏導(dǎo)向采用子母扣間隙配合。為保證安裝精度，大合攏導(dǎo)向和快速對(duì)接碼在出塢前安裝到位，安裝的定位基準(zhǔn)與艏、艉半船塢內(nèi)搭載基準(zhǔn)一致，安裝精度正負(fù)1 mm，子母扣間隙2 mm，半船對(duì)接控制精度正負(fù)3 mm。快速對(duì)接碼由平行拉泵碼和八字拉泵碼組成，平行拉碼用于調(diào)節(jié)艉半船前后方向位置，八字拉碼用于調(diào)節(jié)艉半船左右方向位置，艏、艉半船在高度方向的位置由塢墩相對(duì)高度控制。大合攏導(dǎo)向示意于圖2，快速對(duì)接碼布置見(jiàn)圖3。

圖2 大合攏導(dǎo)向示意

圖3 快速對(duì)接碼布置示意

2.4 大合攏口坡口及焊接順序設(shè)計(jì)

通過(guò)研究大合攏口結(jié)構(gòu)形式和焊接順序，控制控制焊接變形、減少焊接應(yīng)力、提高焊接效率。大合攏口由雙底、雙殼、中縱壁、甲板和平臺(tái)組成。首先焊接大合攏縫外板環(huán)縫，保證合攏口水密，減少雨雪天氣對(duì)焊接的影響，同時(shí)減少外板變形量，提高合攏口美觀度；然后焊接雙層底和內(nèi)縱壁，最后焊接中縱艙壁和水平小平臺(tái)。為提高焊接效率，舷側(cè)外板和內(nèi)縱壁的坡口留在非結(jié)構(gòu)面，采用自動(dòng)垂直氣電焊焊接；甲板、平臺(tái)、內(nèi)底板坡口留在上側(cè)非結(jié)構(gòu)面，采用埋弧自動(dòng)焊焊接；外底板坡口在上側(cè)結(jié)構(gòu)面，采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊焊接。大合攏口焊接順序見(jiàn)圖4。

圖4 大合攏口焊接順序

2.5 模擬搭載與余量切修

通過(guò)模擬搭載，模擬艏、艉半船大合攏口位置對(duì)接精度情況，提前在塢內(nèi)完成余量切割、對(duì)接口精度校正工作，保證大合攏一次到位。以艏、艉半船縱向中心線建軸，測(cè)量艏、艉半船斷面三維數(shù)據(jù)。完成外板、甲板、縱艙壁等主板100 mm檢驗(yàn)線后(間斷洋沖標(biāo)記)進(jìn)行余量切割。余量切割完成后使用全站儀進(jìn)行二次復(fù)測(cè)和對(duì)接模擬分析。大合攏二次測(cè)量主要測(cè)量主甲板、舷側(cè)外板、外底板、各中縱及邊縱壁艙壁主板之間的端面度，對(duì)二次測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析，若數(shù)據(jù)滿足接精度要求，則合攏口坡口提前開(kāi)設(shè)到位，打磨光順。若局部數(shù)據(jù)端面超差則進(jìn)行二次切割直到滿足合攏口對(duì)接精度要求，端差小于4 mm。

2.6 拖航阻力計(jì)算

艏、艉半船出塢和進(jìn)塢時(shí)，依靠塢邊牽引車(chē)和定位絞車(chē)進(jìn)行移動(dòng)和定位；拖航時(shí)，依靠拖輪進(jìn)行移動(dòng)和定位。為保證半船在出塢、拖航和進(jìn)塢時(shí)，牽引車(chē)、定位絞車(chē)和拖輪可以控制船位，保證作業(yè)安全和定位要求。需計(jì)算艏、艉半船拖航阻力，作為設(shè)計(jì)進(jìn)出塢絞車(chē)編隊(duì)和拖航編隊(duì)的依據(jù)。拖航阻力由摩擦阻力、剩余阻力和風(fēng)阻力組成。計(jì)算公式為=++，(計(jì)算過(guò)程略)阻力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 拖航阻力

2.7 大合攏作業(yè)時(shí)間與潮汐匹配設(shè)計(jì)

半船水下受流面和水上受風(fēng)面大，受到風(fēng)、浪、流外界環(huán)境載荷影響大，在進(jìn)塢時(shí)船位控制和定位難度大。為減小漲、落水流和風(fēng)對(duì)半船進(jìn)塢大合攏的影響，選擇風(fēng)力小于6級(jí)天氣作業(yè)。在漲水末期接近高平潮時(shí)開(kāi)始艏半船進(jìn)塢，使用塢邊牽引小車(chē)進(jìn)行牽拉移位，艏半船到達(dá)指定位置后，使用塢邊定位絞車(chē)進(jìn)行初步定位，艏半船到達(dá)指定位置后收緊四角定位絞車(chē)?yán)|繩，隨著潮位下降持續(xù)進(jìn)行船位置調(diào)整，直到坐墩完成。艏半船初定位完成后，進(jìn)行艉半船進(jìn)塢。艉半船到達(dá)指定位置后，使用塢邊定位絞車(chē)進(jìn)行初步定位，使用大合攏導(dǎo)向和拉泵器進(jìn)行精確定位。大合攏作業(yè)與潮汐關(guān)系見(jiàn)表3。

表3 大合攏作業(yè)與潮汐關(guān)系

3 大合攏操作流程

3.1 塢內(nèi)劃線和布墩

進(jìn)塢前，在塢底和塢墻標(biāo)記中縱線、半船線作為半船橫向定位的基準(zhǔn)，標(biāo)記艏垂線、大合攏縫、艉垂線作為半船縱向定位基準(zhǔn)。在塢側(cè)四角樹(shù)立高度方向標(biāo)桿，作為塢墩高度基準(zhǔn)?？v向、橫向和高度方向基準(zhǔn)確定后，進(jìn)行塢墩布置和高度調(diào)節(jié)。為確保艏、艉半船合攏口對(duì)接精度，在塢墩高度調(diào)節(jié)時(shí)，需考慮外底板板厚方向和板厚補(bǔ)償。

3.2 艏半船進(jìn)塢定位

艏半船進(jìn)塢時(shí)處于漲水期的末期，使用4艘2 960 kW(4 000 HP)全回轉(zhuǎn)拖船控制船位，其中2艘拖船垂直于艏半船以抵抗?jié)q水流影響，拖船將半船穩(wěn)在塢口后進(jìn)行塢邊小車(chē)?yán)|繩連接。使用塢邊小車(chē)牽引艏半船向塢內(nèi)移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中拖船逐步撤離。艏半船到達(dá)指定位置附近后連接塢邊定位絞車(chē)。拖船編隊(duì)和絞車(chē)布置見(jiàn)圖5。

圖5 艏半船拖船編隊(duì)和定位絞車(chē)布置

3.3 艉半船進(jìn)塢定位

艉半船進(jìn)塢時(shí)處于落水期的初期，使用4艘2 960 kW全回轉(zhuǎn)拖船控制船位，其中2艘船輪垂直于艉半船以抵抗落水流影響，拖船將半船穩(wěn)在塢口后進(jìn)行塢邊小車(chē)?yán)|繩連接。使用塢邊小車(chē)牽引艉半船向塢內(nèi)移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中拖船逐步撤離。艉半船到達(dá)指定位置附近后連接塢邊定位絞車(chē)。拖船編隊(duì)和絞車(chē)布置見(jiàn)圖6。

圖6 艉半船拖船編隊(duì)和定位絞車(chē)布置

3.4 大合攏作業(yè)流程

根據(jù)塢墻基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行艏半船定位和坐墩，艏半船坐墩后，使用塢邊絞車(chē)將艉半船拉入塢內(nèi)，在距離艏半船1 m時(shí)停止，使用葫蘆向艏半船拉靠。拉靠到位后使用拉泵器進(jìn)行位置微調(diào)，確保艏艉半船精度符合要求。

調(diào)整縱向中心線直線度：通過(guò)測(cè)量甲板位置距中CL±L22的縱向中心線直線度，同時(shí)觀察中縱壁、邊縱壁、外板、舭部外板等部位對(duì)接狀況,保證中心線直線度≤10 mm。艏艉半船拉靠結(jié)束后，塢內(nèi)排水，使艉總段坐墩，復(fù)測(cè)縱向中心線直線度無(wú)誤后，繼續(xù)排水至塢墩露出水面。通過(guò)甲板面的水平標(biāo)桿測(cè)量艏艉總段4角處一共8個(gè)點(diǎn)的甲板面平面度，滿足平面度≤20 mm。用封固馬板進(jìn)行艏艉半船大合攏縫封固。塢內(nèi)大合攏定位見(jiàn)圖7。

圖7 塢內(nèi)大合攏定位圖

4 結(jié)論

1)主船體采用艏、艉半船并行建造和大合攏工藝，可以將FPSO建造周期縮短6個(gè)月，大幅提升國(guó)內(nèi)企業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)接單中的競(jìng)爭(zhēng)力。

2)吃水大的半船先進(jìn)塢、先坐墩，吃水小的半船后進(jìn)塢、后坐墩，吃水差0.5 m以上，坐墩時(shí)間差大于0.5 h，滿足艏、艉半船依次坐墩的操作之間要求。

3)需對(duì)半船進(jìn)行浮態(tài)調(diào)平，縱傾和橫傾控制在0.1%以?xún)?nèi)，滿足對(duì)接精度要求。

4)采用硬質(zhì)桃木作為塢墩木，塢墩木受壓后下沉均勻，合攏口沒(méi)有產(chǎn)生錯(cuò)皮。

5)模擬搭載后，半船合攏口余量可以提前割除、坡口可以提前開(kāi)好，使用大合攏導(dǎo)向和快速拉馬可以實(shí)現(xiàn)快速搭載和精度控制要求。

6)根據(jù)當(dāng)?shù)厮摹庀髼l件進(jìn)行進(jìn)出塢拖航阻力分析，計(jì)算出風(fēng)、浪、流產(chǎn)生的環(huán)境載荷，選擇水流較緩的漲水末期和落水初期作為進(jìn)出塢作業(yè)窗口期，保證進(jìn)出塢作業(yè)安全。