環(huán)境因素對FPSO船體月池定位影響的研究

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.06.005

摘" " 要：在FPSO船體集成過程中，溫度和光照等環(huán)境因素對精度控制的影響不可忽視。以近期完工的國內(nèi)某FPSO項目為例，研究了在干塢條件下，下塔體與船體集成時，船體月池中心點作為下塔體定位的基準(zhǔn)點，受溫度和光照等環(huán)境因素的影響，位置產(chǎn)生變化的現(xiàn)象。通過測量實驗定性定量地分析了月池中心因環(huán)境變化而產(chǎn)生位置變化的原因和規(guī)律，進(jìn)而提出在溫度較為恒定的夜間時段進(jìn)行下塔體精確定位和焊接施工的建議。

關(guān)鍵詞：月池；下塔體；溫度；定位

Abstract：In the process of FPSO hull integration， the influence of environmental factors such as temperature and illumination on accuracy control cannot be ignored. Taking a domestic FPSO project recently completed as an example， this paper studies the position change of the moonpool center， which is the fiducial point for positioning， influenced by environmental factors including temperature and illumination when the lower tower body is integrated with the hull on dry dockyard. Measurement experiments are conducted to qualitatively and quantitatively analyze the reasons and patterns of position changes in the center of the moonpool under environmental changes. In addition， the construction suggestion that precise positioning and welding of the lower tower body should be carried out during the night time with a constant temperature is proposed.

Keywords：moonpool; lower tower body; temperature; positioning

內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO是目前世界上深水FPSO的主要船型之一[1]。內(nèi)轉(zhuǎn)塔式SIT型FPSO主要由船體、上部模塊和單點系泊系統(tǒng)等3部分組成。單點系泊系統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)塔是整個FPSO系統(tǒng)中最核心的結(jié)構(gòu)，其主要功能有兩個：一是通過與內(nèi)轉(zhuǎn)塔上連接的系泊系統(tǒng)，將整個FPSO固定在指定海域，并通過其特有的風(fēng)向標(biāo)，使FPSO船頭始終朝向風(fēng)浪流最大的方向，使整個系統(tǒng)受力最小；二是通過內(nèi)轉(zhuǎn)塔內(nèi)部的滑環(huán)（Swivel）系統(tǒng)，將海底的油、水、液壓管線、電力和信號與船上的油水處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)相連，保持管線在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下可正常工作[2]。在FPSO的陸地建造階段，船體、上部模塊和單點系泊系統(tǒng)3個部分分別建造完成后，再將上部模塊和單點系泊系統(tǒng)依次集成到船體上。其中單點系泊系統(tǒng)位于船首的月池艙內(nèi)，從下到上分為下塔體、管匯平臺和塔架3個模塊。由于吊裝能力受限和結(jié)構(gòu)形式的影響，單點的集成通常不是一次性完成，而是按照從下往上的順序，分別將3個模塊依次集成到船體月池區(qū)域。在船體集成過程中，單點的集成定位精度是施工質(zhì)量控制的主要內(nèi)容之一，其中下塔體作為內(nèi)轉(zhuǎn)塔與船體的主要連接結(jié)構(gòu)，能否精準(zhǔn)完成就位是內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)集成施工的關(guān)鍵[3]。

近期完工的國內(nèi)某FPSO項目要求下塔體集成時相對于船體月池艙的定位誤差不超過±2.5 mm，月池艙相對于船體的位置見圖1。集成前船體坐落于干船塢內(nèi)的墊墩上，同時在塢底月池區(qū)域布置一系列墊墩。集成時將下塔體吊入月池并放置在墊墩上，調(diào)整下塔體相對于月池的空間位置，最終使下塔體相對于月池的定位精度滿足項目要求。

精度控制人員在集成前首先對船體月池艙中心點進(jìn)行定位測量，將其作為下塔體集成定位的基準(zhǔn)點。測量過程中發(fā)現(xiàn)不同時間測量的月池艙中心點相對塢底的位置會發(fā)生變化，變化量最大可達(dá)7 mm，而下塔體集成定位的精度要求誤差不超過±2.5 mm。如何準(zhǔn)確定位月池艙，從而保證下塔體集成時相對于月池艙的定位精度，是技術(shù)人員需要解決的一道難題。

在去除測量過程中儀器的系統(tǒng)誤差和觀測的偶然誤差后，仍然存在約6 mm的變化量?？梢酝茰y是溫度和光照等環(huán)境因素的變化導(dǎo)致了不同時間測量結(jié)果的不同。為此，設(shè)計了一項環(huán)境因素對月池艙中心定位影響的監(jiān)控觀測實驗，以此來驗證上述推論是否正確。

1" " 實驗部分

1.1" " 實驗?zāi)康?/p>

溫度和太陽光照等環(huán)境因素對月池艙中心點的相對位置產(chǎn)生一定的影響，通過持續(xù)的觀測實驗研究其變化規(guī)律。

1.2" " 測量日期和時間

日期：xx月xx日—xx日，共5天，每天兩次（上午、下午各一次）。

觀測時間：上午8：30—9：30 ；下午2：30—3：30。

1.3" " 測量設(shè)備

徠卡TS30全站儀，測角誤差0.5\"，測距誤差0.6 mm+1 μm。為避免系統(tǒng)誤差，整個實驗過程中使用同一臺測量設(shè)備。

1.4" " 測量人員

固定一組測量人員（2人）完成整個實驗觀測。

1.5" " 測量位置

在月池內(nèi)壁距高度基準(zhǔn)線以上200、13 405、26 500 mm共3個標(biāo)高層的位置，分別標(biāo)記為200層、13 405層、26 500層，每層分別觀測布置在月池內(nèi)壁0°、90°、180°、270°上的4個觀測點，總計12個觀測點。通過分析各層4個觀測點的測量值，即可得出各層圓心相對塢底的位置變化量。月池觀測位置側(cè)視/俯視示意如圖2所示。

1.6" " 測量方法

在月池圓心附近位置的塢底地面上標(biāo)記一個設(shè)站點，在平行于船長方向的遠(yuǎn)端地面上標(biāo)記一個后視點。每次觀測時將全站儀架設(shè)在同一設(shè)站點上，首先觀測后視點定向，然后對各觀測點進(jìn)行測量。以設(shè)站點為坐標(biāo)系原點，船首方向為X軸正方向，左舷方向為Y軸正方向，測量各個觀測點的X 、Y值。以第一日第一次測量的各點的X、Y值為基準(zhǔn)0值（X0、Y0），后續(xù)每次測量所得的各點的X、Y值（Xn/Yn）均與基準(zhǔn)值對比，即可得到每次測量各點在X、Y方向的變化量，見式（1）和式（2）。

為降低觀測誤差，每次測量均使用同一個徠卡MINI小棱鏡以及與之配套的棱鏡桿，禁止采用無棱鏡測量的方式。觀測人員和棱鏡放置人員固定不變。由于13 405層和26 500層的測量點位置較高，棱鏡放置人員需要乘坐吊籠將棱鏡放置于測量點。

2" " 觀測結(jié)果分析

2.1" " 環(huán)境變化

整個實驗過程持續(xù)5 d，溫度變化范圍在14～27 ℃之間，天氣狀況包括晴天、多云、陰天。由于船體月池內(nèi)不同位置的光照情況不同，光照區(qū)域和背光區(qū)域在同一時間的溫度也不相同，測量人員在記錄溫度時采用的是各區(qū)域的平均溫度。觀測期間溫度及光照變化情況如表1所示。

2.2" " 月池中心在船長方向位置的變化

記錄每個測量點的X坐標(biāo)，并計算船長方向變化量ΔX，然后分別統(tǒng)計分析每個測量點位置在船長方向的單日最大變化量和5 日最大變化量，見表2。其中，26 500層0°觀測點位置的變化量最大，單日最大變化量為5 mm，5日最大變化量為8 mm。

為分析月池每一層圓心位置的變化量，將各層在0°、90°、180°、270°上的4個觀測點的變化量計算算術(shù)平均值，得出各層圓心位置在船長方向的單日變化量和5日變化量。具體數(shù)據(jù)如表3所示。

2.3" " 月池中心在船寬方向位置的變化

記錄每個測量點的Y坐標(biāo)，并計算船寬方向變化量ΔY，然后分別統(tǒng)計分析每個測量點位置在船寬方向的單日最大變化量和5日內(nèi)最大變化量，見表4。

為分析月池每一層圓心位置的變化量，將各層在0°、90°、180°、270°上的4個觀測點的變化量取算術(shù)平均值，得出各層圓心位置在船寬方向的單日變化量和5日變化量，具體數(shù)據(jù)如表5所示。

2.4" " 月池中心圓心位置的變化

從觀測結(jié)果可以看出，在船體長度方向上，不同標(biāo)高層月池中心位置的變化量有明顯差異，越靠近船體主甲板位置，受溫度等環(huán)境因素影響產(chǎn)生的位置變化量越大，越靠近船體底部區(qū)域，位置變化量越小。主要原因在于靠近主甲板的船體上部區(qū)域受光照的影響大而導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)溫度變化較大，而船體底部區(qū)域光照影響小，從而溫度變化幅度也小。在船體寬度方向上，不同標(biāo)高位置的觀測點，這種位置變化量沒有明顯差異。

下塔體集成時將在13 405位置與船體月池進(jìn)行連接，因此重點關(guān)注13 405位置月池中心在不同環(huán)境條件下的位置變化量。從表3、表5可以看出，13 405位置測量點相對在船長方向5日平均變化量為6.0 mm，在船寬方向5日平均變化量為3.75 mm。將船長和船寬兩個方向向量合并后的變化量為7 mm，即是13 405位置圓心的變化量。

由于下塔體集成項目定位精度小于±2.5 mm，而作為定位基準(zhǔn)的月池圓心位置在不同溫度等環(huán)境條件下的變化量已達(dá)7 mm，定位基準(zhǔn)的不穩(wěn)定性，將給下塔體的集成定位帶來巨大難度。

為減少溫度變化帶來的影響，決定將下塔體定位時間安排在夜間0點—6點。在這一時間段內(nèi)溫度較為恒定，溫差變化僅為2 ℃左右；相鄰日期的此時間段溫度也相對近似，同時夜間定位也可以排除光照這一因素對船體月池定位的影響。因此在這個時間段內(nèi)月池中心的位置比較穩(wěn)定，有利于下塔體的精確定位。同時建議下塔體定位合格后，開始焊接的時間也是控制在夜間0點—6點，最大程度地保證下塔體與月池的同心度滿足項目規(guī)格書與API RP 2A[4]、EEMUA158[5]等國際常用海洋鋼結(jié)構(gòu)建造規(guī)范的精度要求。

3" " 結(jié)束語

FPSO船體月池中心在不同環(huán)境條件下位移變化，根本原因在于不同的氣溫和光照使得船體結(jié)構(gòu)溫度發(fā)生變化，在熱脹冷縮效應(yīng)的影響下，船體結(jié)構(gòu)的整體尺寸和形狀會隨之發(fā)生變化。本實驗中FPSO船體的船長256 m、型寬49 m、型深27 m，熱脹冷縮效應(yīng)比較明顯。不同的結(jié)構(gòu)溫度下，越靠近船體的艏艉兩端，熱脹冷縮導(dǎo)致的尺寸變化就越明顯。月池位于船體艏部，因此受溫度影響而在船長方向的位移變化就比較大。在船寬方向上，船體艏艉兩端也會隨溫度變化而左右擺動，但是變化幅度相對于船長方向小。

隨著我國船舶和海工裝備業(yè)的不斷發(fā)展，建造過程的尺寸控制越來越走向精細(xì)化管理。對于鋼結(jié)構(gòu)建造過程中的尺寸控制，尤其是諸如FPSO船體等大尺寸結(jié)構(gòu)物的建造尺寸控制，引入溫度這一參考變量是非常有必要的。

本文僅對溫度等環(huán)境因素變化對FPSO船體月池中心位置的變化做了初步分析，分析過程采用的是船體結(jié)構(gòu)的平均溫度。在實際情況下受光照影響，結(jié)構(gòu)物的光照面和背光面的溫度是不同的。隨著溫度的變化，結(jié)構(gòu)物的尺寸變化并非是簡單的線性變化，這是由船體或?qū)Ч芗艿慕Y(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定的。因此溫度等環(huán)境因素對船體及海工鋼結(jié)構(gòu)的尺寸影響還需要進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)

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[2]" 王銘飛，杜耀軍，宋亞新等. 深水FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析[J]. 中國海洋平臺，2016（5）：6-11.

[3]" 翟桂森，王金源. 內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)下塔體集成施工工藝[J]. 船海工程，2021（4）：123-126.

[4]" API RP 2A -WSD-2014，Recommended Practice for Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design[S].

[5]" EEMUA158-2014，Construction Specification for fixed offshore structures[S].

作者簡介：荊" " 鵬（1981—），男，山東青島人，高級工程師，2003年畢業(yè)于煙臺大學(xué)，現(xiàn)主要從事導(dǎo)管架、海洋平臺、LNG模塊、FPSO建造尺寸精度控制等方向的研究工作。

Email：jingpemg3@cnooc.com.cn

收稿日期：2024-09-29