水下產(chǎn)品三維技術(shù)能力提升及應(yīng)用研究

何鑫，姬興達(dá)，王康，張皓，王焱(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引言

當(dāng)前，三維技術(shù)能力的應(yīng)用已經(jīng)涉及到很多大型復(fù)雜裝配體中，但對(duì)于水下產(chǎn)品大型復(fù)雜裝配體的建模仍缺乏經(jīng)驗(yàn)，并且在水下產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)和總體、機(jī)械兩條線并行，專業(yè)接口容易出錯(cuò)，效率低，以往模型的重用度不高，三維建模的規(guī)范性不高，標(biāo)準(zhǔn)化系列化不足，維模型和圖紙未能綁定驅(qū)動(dòng)，模型修改之后，還需要進(jìn)一步導(dǎo)出CAD 修改，設(shè)計(jì)效率低。

以當(dāng)前水下產(chǎn)品的項(xiàng)目要求為例，當(dāng)項(xiàng)目水深突破1 500 m 時(shí)，一般要求30 年免維護(hù)，并且工藝管線、液控/化學(xué)注入超雙小管工作量大，小管加設(shè)、施工、測(cè)試往往缺乏經(jīng)驗(yàn)，缺少施工、測(cè)試專用設(shè)備。業(yè)主供貨材料(CPI)種類繁多，有時(shí)會(huì)多達(dá)24 大類，超過2.3 萬件材料，且沒有相關(guān)使用經(jīng)驗(yàn)，還會(huì)存在對(duì)業(yè)主方的文件體系和要求不熟悉的情況。面對(duì)項(xiàng)目工期短、任務(wù)重的情況，如何能夠合理利用水下產(chǎn)品三維技術(shù)，擴(kuò)展應(yīng)用場(chǎng)景，解決應(yīng)用過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題，是目前需要解決的主要問題[1-2]。

1 三維技術(shù)概要

三維模型是三維一體化出圖的基礎(chǔ)。只有高準(zhǔn)確度、高精細(xì)度、高完成度的三維模型才能滿足后續(xù)工作的需求(例如：工程圖繪制、料單統(tǒng)計(jì)、干涉檢查、重量中心提取、電纜布線等工作)。圖層是數(shù)據(jù)組織和管理的基本單位，對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分層是對(duì)數(shù)據(jù)管理的重要內(nèi)容，分層管理便于數(shù)據(jù)處理和分析，在圖層支持下，地圖編輯、制圖綜合、專題制圖會(huì)更加方便、準(zhǔn)確、迅速，在三維設(shè)計(jì)平臺(tái)上完成工程圖繪制，可以讓設(shè)計(jì)人員在編輯三維模型時(shí)所做的每處更改，自動(dòng)更新到相關(guān)聯(lián)的視圖、圖紙和工程圖中。疊置分析是三維空間技術(shù)常用的方法之一，圖層疊置分析是指多個(gè)圖層在空間上進(jìn)行疊加產(chǎn)生新圖層，并對(duì)新圖層進(jìn)行計(jì)算分析，產(chǎn)生用戶需要的結(jié)果或回答用戶提出的問題。圖層疊置分析需要兩個(gè)或兩個(gè)以上圖層參與，涉及到邏輯并、邏輯交、邏輯差的運(yùn)算。因此設(shè)計(jì)人員無須手工重新編輯工程圖紙，從而降低發(fā)生錯(cuò)誤的可能性，極大地提高了工作效率。在三維設(shè)計(jì)平臺(tái)上完成料單的統(tǒng)計(jì)，具有快速、清晰、簡(jiǎn)易、模型聯(lián)動(dòng)的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)人員無須進(jìn)行機(jī)械式的統(tǒng)計(jì)工作，統(tǒng)計(jì)出來的數(shù)據(jù)也會(huì)隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)的變化而變化，極大地提高了工作效率[3]。

以某管匯的三維模型建立工作為例，在應(yīng)用三維技術(shù)完成模型建立后，以此為基礎(chǔ)，可以提升水下產(chǎn)品大型裝配體的建模技術(shù)能力，完成突破三維模型到二維工程圖的轉(zhuǎn)化能力，完成水下產(chǎn)品企業(yè)庫搭建，并且運(yùn)用Visualize 完成渲染圖，包括中心管匯效果圖，總體布置效果圖等，并完成PDM 功能的搭建與應(yīng)用[4]。

2 三維模型解決途徑

模塊化：對(duì)于常用的水下產(chǎn)品，做成塊或者基型產(chǎn)品進(jìn)行保存，項(xiàng)目需用時(shí)，按需求調(diào)用，采用“拼積木”的方式進(jìn)行搭建即可；

參數(shù)化：對(duì)于同種類型的水下產(chǎn)品或者零部件，在做設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，在需要修改時(shí)，只需要修改關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)參數(shù)，就能生成新的產(chǎn)品或者零部件；

自動(dòng)化：對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件庫或者外購件庫、實(shí)現(xiàn)分類收集管理，項(xiàng)目需用時(shí)，直接調(diào)用即可自動(dòng)生成[5]。

三維模型問題的主要解決途徑主要包括：標(biāo)準(zhǔn)化三維模型、標(biāo)準(zhǔn)化零件庫、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)庫、標(biāo)準(zhǔn)化文件等。

標(biāo)準(zhǔn)化三維模型：PLET(固定式、滑移式、折疊式)、PLEM、帶壓開孔結(jié)構(gòu)、PLR(立式、水平)、法蘭保護(hù)器、HDM、EDB、MQC；標(biāo)準(zhǔn)化零件庫：標(biāo)準(zhǔn)件庫、外購件庫、廠標(biāo)件庫、模塊庫；標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)庫：素材庫、材料庫、注釋庫、焊件截面庫；標(biāo)準(zhǔn)化文件：零部件命名規(guī)則、工程圖繪制方法、焊件截面設(shè)計(jì)方法。

3 案例分析

某30-88 水下中心管匯是A 公司承擔(dān)的帶控制系統(tǒng)的管匯，該中心管匯設(shè)計(jì)水深2 000 m，應(yīng)用水深670 m，中心管匯將實(shí)現(xiàn)與8 口水下采油樹的連接，具有SCM、SRM、連接器、水下閥門、電液飛線、多相流量計(jì)等整套設(shè)備，管匯重量超220 t，整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)非常緊湊，集成度非常高，制造、測(cè)試難度較大。

3.1 項(xiàng)目困難

該項(xiàng)目水深突破1 500 m，是公司第一個(gè)自主開發(fā)的深水項(xiàng)目，A 公司首次全面開展帶控制系統(tǒng)中心管匯的制造、測(cè)試工作，當(dāng)前面臨的主要困難包括：(1)項(xiàng)目對(duì)于技術(shù)、質(zhì)量、采辦、安全、過程控制要求嚴(yán)格；(2)項(xiàng)目工作量大、工期緊；(3)超雙小管的長(zhǎng)度突破10 km，潔凈度要求高，安裝和測(cè)試難度大；(4)缺乏各方面相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

另外，在管匯結(jié)構(gòu)建造難點(diǎn)，主要包括：(1) 管匯結(jié)構(gòu)：次結(jié)構(gòu)數(shù)量占比約 50%(對(duì)結(jié)構(gòu)制造流程和防腐有很大的影響)；(2) 尺寸精度控制嚴(yán)格，關(guān)鍵尺寸需使用全站儀測(cè)量和控制；(3) ROV 面板需要等離子切割，以保證儀控管線定位的準(zhǔn)確性；(4)焊縫多為全熔透焊接；加大了檢驗(yàn)的難度和工作量。

3.2 三維模擬的主要內(nèi)容

基于三維技術(shù)的水下產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)，三維模型可以詳細(xì)地說明水下產(chǎn)品所涉及的材料、功能、建造、技術(shù)要求等所需要的資料信息。三維建模的方法能有效重構(gòu)出領(lǐng)域內(nèi)專家的知識(shí)及知識(shí)的運(yùn)用，為水下產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了重要手段，將水下產(chǎn)品的信息內(nèi)容、采用規(guī)則的形式存于知識(shí)庫，作為三維設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。主要包括四個(gè)方面：安裝階段，頂部操作，前后左右四個(gè)面操作，連接器操作。安裝階段是指卸扣拆除、向柱安裝拆除。頂部操作是指閥門操作、SCM/EDB 艙蓋打開。前后左右四個(gè)面操作是指閥門操作、電飛線操作、CIMV 操作。連接器操作是指垂直連接器(VCS)操作、臍帶纜連接器(HCS)操作。

3.3 解決的關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)當(dāng)前存在的諸多困難，A 公司克服利用三維建模，解決了該項(xiàng)目在建設(shè)過程中的關(guān)鍵技術(shù)[6-8]，主要包括：(1)深水管匯尺寸控制技術(shù)。提前規(guī)劃管匯關(guān)鍵尺寸(94 個(gè)關(guān)鍵尺寸)，提前對(duì)尺寸控制點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)交底，施工人員和QC 人員根據(jù)精度控制需要開展工作，整個(gè)流程完成閉環(huán)控制。(2)深水管匯核心設(shè)備/部件安裝技術(shù)。翻譯整理核心設(shè)備/部件管理程序(含保管、存儲(chǔ)、搬運(yùn)、維護(hù)、使用等)，通過培訓(xùn)/交底的方式傳遞給施工方/項(xiàng)目管理/質(zhì)控人員，并且解讀CPI 程序、圖紙和操維手冊(cè)，開展多次技術(shù)澄清會(huì)、培訓(xùn)交流、技術(shù)交底，確保內(nèi)容傳達(dá)到位。(3)深水管匯工藝管線總裝技術(shù)。包括：管線預(yù)制、安裝定位主管閥門、安裝主管線及管件、安裝定位支管閥門、安裝支管管線及管件、頂板及連接器總裝、剩余結(jié)構(gòu)桿件總裝及補(bǔ)漆等。(4) 化學(xué)注入/ 液控tubing 管線制造相關(guān)技術(shù)?；瘜W(xué)注入/液控tubing 管線分段設(shè)計(jì)技術(shù)?；瘜W(xué)注入/液控tubing 管線冷彎技術(shù)：攻克化學(xué)注入/液控tubing 管的連續(xù)自動(dòng)冷彎技術(shù)，并開發(fā)了100°過彎冷彎工藝，通過了第三方(DNV.GL) 的認(rèn)證?；瘜W(xué)注入/液控tubing 管線清潔技術(shù)：tubing 管線預(yù)制及總裝階段，通過設(shè)置獨(dú)立加工區(qū)域、人員培訓(xùn)、管線端部保護(hù)、工機(jī)具使用、吹掃等措施，有效保障了管線內(nèi)部清潔度；化學(xué)注入/ 液控tubing 管線焊接技術(shù)：開發(fā)了25Cr 超雙tubing 管線焊接工藝；化學(xué)注入/ 液控tubing 管線現(xiàn)場(chǎng)組裝技術(shù)：確立了tubing 管線的施工順序安排、分區(qū)組裝技術(shù)。(5)深水管匯核心設(shè)備/部件測(cè)試技術(shù)。包括固定端、邏輯帽、長(zhǎng)期壓力帽、保護(hù)帽、沖洗帽在內(nèi)的系列產(chǎn)品的測(cè)試技術(shù)，SCM、EDB、電飛線等控制模塊的測(cè)試技術(shù)，水下液控閥門、水平多孔連接器、水下蓄能器等產(chǎn)品的測(cè)試技術(shù)。(6)化學(xué)注入/液控tubing 管線高效沖洗技術(shù)。根據(jù)計(jì)算確定沖洗流量需求，考慮溫度、管徑、黏度等因素，結(jié)合測(cè)試實(shí)際，總結(jié)確定沖洗時(shí)間，在最優(yōu)的時(shí)間內(nèi)達(dá)到清潔效果，清潔度要求：液控系統(tǒng)達(dá)到6 級(jí)，化學(xué)藥劑系統(tǒng)達(dá)到8 級(jí)。(7) 深水管匯制造及運(yùn)輸程序。包括：建造程序、吊裝程序、焊接程序、彎管程序、涂裝程序、運(yùn)輸和裝船程序等。(8)深水管匯測(cè)試方案。編制了中心管匯測(cè)試方案確定了沖洗、通球、壓力測(cè)試、tubing 沖洗及試壓、閥門功能等FAT 測(cè)試內(nèi)容，明確了測(cè)試接收標(biāo)準(zhǔn)，確定了裝配、壓力帽、連接器、通訊、ROV 接口及通道測(cè)試等EFAT/SIT 測(cè)試內(nèi)容，明確了測(cè)試接收標(biāo)準(zhǔn)。(9) 深水管匯質(zhì)量控制體系。包括：ITP、尺寸控制程序、無損檢測(cè)程序等，建立了MQC、HCS、VCS等產(chǎn)品拆卸的完整材料追溯體系，建立了水下產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)控制制度，推動(dòng)建立水下產(chǎn)品質(zhì)量案例制度。

3.4 功能測(cè)試

(1) 結(jié)構(gòu)FAT。分為管匯模塊結(jié)構(gòu)FAT 和吸力樁結(jié)構(gòu)FAT(可穿插在其他活動(dòng)中進(jìn)行)，測(cè)試內(nèi)容包括：關(guān)鍵尺寸檢查；標(biāo)識(shí)檢查確認(rèn)；拖曳點(diǎn)檢查；陽極位置/類型/數(shù)量檢查確認(rèn)；螺栓扭矩&電連續(xù)性確認(rèn)；密閉空間泄流孔確認(rèn)；牛眼調(diào)平；ROV 抓手位置檢查；卸扣適配檢查；緩沖器軟著陸檢查；SCM，HR 插頭和EDB 艙蓋測(cè)試；羅經(jīng)支架界面測(cè)試；ROV 套筒界面檢查/ 西部管匯閥門；MQC、EFL 方向及裝配檢查；重量、重心測(cè)量。(2)管線FAT。分為大管線FAT 和小管線FAT。(3) eFAT。驗(yàn)證控制系統(tǒng)工作是否正常。電纜連續(xù)性/絕緣/電阻測(cè)試；光纜測(cè)試；水下控制模塊(SCM)接口檢查/ 軟件；啟動(dòng)/ 傳感器測(cè)試/ 電力測(cè)試/ 隔離閥測(cè)試等；EDB 接口檢查/ 界面測(cè)試/ 通訊測(cè)試等；液壓控制閥門操作；壓力溫度傳感器(PT/PTT)通信測(cè)試；自動(dòng)清管球探測(cè)器(APD)通信測(cè)試；化學(xué)藥劑注入計(jì)量閥(CIMV) 功能測(cè)試。(4) SIT。驗(yàn)證水下ROV 可操作性

3.5 主要成效

首次實(shí)現(xiàn)了大于600 m 帶控制系統(tǒng)水下中心管匯的工程應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了1 500 m 水深帶控制系統(tǒng)水下中心管匯的批量工程應(yīng)用。包括：形成了帶控制系統(tǒng)復(fù)雜深水管匯的施工工藝流程、確定了帶控制系統(tǒng)復(fù)雜深水管匯工藝管線總裝技術(shù)，掌握了帶控制系統(tǒng)復(fù)雜深水管匯尺寸控制技術(shù)、帶控制系統(tǒng)復(fù)雜深水管匯核心設(shè)備/部件安裝技術(shù)、化學(xué)注入/液控tubing 管線分段設(shè)計(jì)技術(shù)、冷彎技術(shù)、清潔技術(shù)、焊接技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)組裝技術(shù)、帶控制系統(tǒng)復(fù)雜深水管匯核心設(shè)備/部件測(cè)試技術(shù)、化學(xué)注入/液控tubing 管線高效沖洗技術(shù)，形成了一套完整的帶控制系統(tǒng)復(fù)雜深水管匯測(cè)試流程。跟蹤并了解復(fù)雜帶控制系統(tǒng)深水管匯的擴(kuò)展工廠接收測(cè)試(EFAT) 及系統(tǒng)集成測(cè)試(SIT) 技術(shù)，為后續(xù)自主完成相關(guān)測(cè)試工作奠定了基礎(chǔ)。掌握了工程化垂直連接器(VCS)、水平多孔連接器(HCS)散供后廠內(nèi)組裝及出廠測(cè)試(FAT)技術(shù)。形成了一套完整的帶控制系統(tǒng)復(fù)雜深水管匯制造及運(yùn)輸程序、帶控制系統(tǒng)復(fù)雜深水管匯測(cè)試方案，建立了帶控制系統(tǒng)復(fù)雜深水管匯的質(zhì)量控制體系，研制配套了一系列深水管匯制造、測(cè)試所需的關(guān)鍵設(shè)備及工裝，并且培養(yǎng)了一批水下生產(chǎn)設(shè)施制造、測(cè)試實(shí)施團(tuán)隊(duì)。

4 結(jié)語

本文運(yùn)用三維技術(shù)，分析水下產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、施工等階段的關(guān)鍵技術(shù)，以三維模型，解決水下產(chǎn)品在全流程過程中的多個(gè)關(guān)鍵問題，加強(qiáng)水下產(chǎn)品今后的可靠性，并且建模的成果可以重復(fù)使用，并且在今后的運(yùn)用過程中，不斷修正結(jié)構(gòu)，確保設(shè)計(jì)要求符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。同時(shí)，技術(shù)的應(yīng)用可以更加明確水下中心管匯制造、程序和流程，確定主框架整體預(yù)制，先設(shè)備、次管件、后調(diào)整段、對(duì)稱施焊的焊接工序，除了以上應(yīng)用成效之外，提升水下產(chǎn)品的三維技術(shù)能力，還可以用于其他方面的技術(shù)成果提煉，包括：完善水下中心管匯的施工工藝。優(yōu)化工藝管線和控制管線的加工設(shè)計(jì)方法、管匯整體框架反造、翻身的制造工藝，更好地保證了焊接的質(zhì)量，減小了焊接變形。

掌握中心管匯尺寸控制標(biāo)準(zhǔn)。建立了水下管匯“結(jié)構(gòu)-長(zhǎng)度”尺寸公差表；建立焊接后“直線度、平面度、平行度”尺寸公差表；識(shí)別管匯關(guān)鍵尺寸，掌握了全站儀全程測(cè)量技術(shù)，保證了中心管匯的建造精度。

掌握水下中心管匯核心部件安裝技術(shù)。建立了核心部件管理程序(含保管、存儲(chǔ)、搬運(yùn)、維護(hù)、使用等)；確立核心部件安裝精度控制技術(shù)；建立核心部件全過程質(zhì)量控制體系。