大型海洋平臺(tái)桁架式上部模塊建造方案研究

張 偉,張充霖

(1.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院,江蘇 南京 211100;2.中海石油技術(shù)檢測(cè)有限公司,天津 300452)

0 引言

海洋平臺(tái)上部模塊是海洋平臺(tái)作業(yè)的核心部位,布置了油氣處理、電站動(dòng)力、生活樓等大型模塊,因此對(duì)其建造方案進(jìn)行研究具有重大工程意義[1]。劉震[2]研究了海洋平臺(tái)大型模塊整體漂浮安裝的方法及關(guān)鍵技術(shù)。閆孟嬌等[3]分析了海洋平臺(tái)上部模塊的傳統(tǒng)建造工藝流程。宮學(xué)成等[4]提出了海洋平臺(tái)雙層一體化建造的方法。倪云飛[5]探討了傳統(tǒng)建造工藝和現(xiàn)代一體化建造工藝的不同點(diǎn)。李鑫[6]分析了FPSO上部模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建造所要考慮的主要問題。馬紅旗等[7]以渤海某平臺(tái)為例,分析了組塊一體化建造新工藝的實(shí)施效果。

現(xiàn)有研究主要是針對(duì)海洋平臺(tái)的小型上部模塊整體一體化建造工藝及主體結(jié)構(gòu)建造工藝,對(duì)大型桁架式上部模塊的建造技術(shù)研究較少。為此,本文對(duì)某大型半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的桁架式上部模塊的建造關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 平臺(tái)概述

半潛式生產(chǎn)平臺(tái)由下浮體和立柱(以下稱“下部結(jié)構(gòu)”)及上部模塊組成。下部結(jié)構(gòu)包括環(huán)形下浮體、立柱。環(huán)形下浮體為整個(gè)生產(chǎn)平臺(tái)提供浮力,并調(diào)節(jié)各種工況下的吃水。立柱承上啟下,內(nèi)部通道很多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

上部模塊(包括主體框架和其他次要結(jié)構(gòu)、主甲板以上的獨(dú)立模塊結(jié)構(gòu)及所有固定設(shè)備、管線等)的重量約為320 000 kN。上部模塊主體結(jié)構(gòu)采用主甲板與下沉甲板之間的桁架式框架結(jié)構(gòu)。該框架結(jié)構(gòu)包括由方鋼連接而成的位于主甲板與下沉甲板高度的2個(gè)平面框架,以及由支柱與斜撐組成的若干橫向和縱向框架。此外,根據(jù)模塊布置需要在橫向和縱向擴(kuò)展延伸出懸臂結(jié)構(gòu)。部分生產(chǎn)工藝模塊、動(dòng)力共用模塊和生活模塊作為獨(dú)立的模塊結(jié)構(gòu)坐落于主體框架結(jié)構(gòu)的主甲板面以上。

2 上部模塊分段/總段劃分方案

從大尺度上衡量,上部模塊可以簡(jiǎn)化為單跨梁結(jié)構(gòu),其建造過程中產(chǎn)生的撓度變形需重點(diǎn)考慮。

某船廠1號(hào)船塢配置2臺(tái)6 000 kN龍門吊,2號(hào)船塢配置1臺(tái)6 000 kN龍門吊和1臺(tái)8 000 kN龍門吊。該半潛式生產(chǎn)平臺(tái)下部結(jié)構(gòu)的總長和總寬均超過2號(hào)船塢寬度,因此選擇1號(hào)船塢作為該半潛式生產(chǎn)平臺(tái)上部模塊的總裝建造場(chǎng)地。

上部模塊總重28 640 kN,超出了1號(hào)船塢龍門吊起重的最大能力,因此將上部模塊分為9個(gè)分段,單個(gè)分段重量控制在240～4 000 kN之間,最大分段尺寸為31 m×33 m。上部模塊主體框架結(jié)構(gòu)的分段劃分方案見圖1。901～903分段為跨中分段,921～923、931～933分段為左右舷對(duì)稱分段。其中,901～903分段構(gòu)成了總段90A,921+922分段組成了總段92A,931+932分段組成了總段93A。

圖1 上部模塊分段/總段劃分圖

3 上部模塊分段建造方案

上部模塊的分段建造的主要流程為:鋼板完成切割后,在部件中心完成初步的焊接工作,制作相應(yīng)的方鋼和工字鋼,再到合適的外場(chǎng)建造片體,并完成涂裝,最終送往分段建造場(chǎng)地進(jìn)行組裝焊接,完成最后的分段建造工作。

3.1 胎架制作

為保證制造的精度和施工的便利性,分段建造過程需用水泥支墩作為胎架。每個(gè)水泥支墩胎架載荷為2 000 kN,其尺寸見圖2。

圖2 胎架尺寸(單位:mm)

首先在外場(chǎng)場(chǎng)地進(jìn)行劃線,做好胎架定位的準(zhǔn)備工作。根據(jù)上部模塊框架結(jié)構(gòu)的分段/總段劃分圖和搭載順序,采用不同的胎架布置方式。

根據(jù)胎架圖,使用全站儀進(jìn)行定位、劃線工作,標(biāo)出胎架底面形心所在位置。將預(yù)制好的水泥墩胎架按照劃線方案進(jìn)行布置,并使用水平儀和木板校準(zhǔn)胎架高度。

3.2 分段建造方法

上部模塊主體框架結(jié)構(gòu)分段結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但尺寸較大、重量較重。為控制其焊接變形,可在胎架定位之前就預(yù)先考慮增加一定量的反變形。901～903分段在90A胎架上分別進(jìn)行建造,最后在胎架上完成總段的組裝;921和922分段、931分段和932分段在92A的胎架上進(jìn)行分段建造,并最后完成總組。本文以901分段為例,進(jìn)行分段建造方法介紹。

901分段長33 m,寬31 m,總重2 820 kN。為提高建造效率,需要將其分為多個(gè)片體進(jìn)行預(yù)制。片體建造時(shí),以上下兩層甲板位置的方鋼為基平面,組成基本的框架。當(dāng)片體完成后,使用平板車將其運(yùn)輸?shù)酵鈭?chǎng)平臺(tái),按照?qǐng)D3順序,上胎架組裝,最后完成901分段建造。平面片體是整個(gè)桁架結(jié)構(gòu)最重要的組成單位,因此在制作平面片體階段,需要增加變形控制措施,如在平整場(chǎng)地制作簡(jiǎn)易固定胎架,專門用于平面片體的制作。

圖3 901分段片體

4 上部模塊建造精度控制

上部模塊分段結(jié)構(gòu)為桁架結(jié)構(gòu),焊縫較長缺少支撐構(gòu)件,在裝配、焊接的過程中極易產(chǎn)生變形,因此,建造時(shí)需要制定合理的裝配標(biāo)準(zhǔn)和焊接工藝,并做好測(cè)量檢驗(yàn)工作,及時(shí)修復(fù)變形結(jié)構(gòu)。

上部模塊的焊接焊縫長度長,容易產(chǎn)生焊接收縮,因此需要在設(shè)計(jì)階段就加放好收縮量。經(jīng)過對(duì)母材的焊接試驗(yàn),每1 000 mm加放0.5 mm的火工補(bǔ)償量;每檔肋距加放0.4 mm的收縮量;方鋼和工字鋼對(duì)接處的埋弧自動(dòng)焊焊縫,單邊加放0.5 mm的收縮量。

圖4給出了分段建造過程中所采用的余量布置。第1種用于總組階段,給主板或內(nèi)部零件賦予10 mm的余量值,在總組時(shí),進(jìn)行檢查后予以切割。第2種用于搭載階段,給主板或內(nèi)部零件賦予10 mm的余量值,在搭載前,進(jìn)行檢查,必要時(shí)予以切割后再施工。第3種用于搭載階段,給主板或內(nèi)部零件賦予6 mm的余量值。考慮到搭載時(shí)焊接引起的收縮量,在組立階段保留6 mm不予以切割。

圖4 精度控制圖(單位:mm)

方鋼、工字鋼為上部模塊最基本的組成結(jié)構(gòu)。以方鋼為例,存在2種尺寸:1 500 mm×1 500 mm×20 mm×20 mm和1 500 mm×1 000 mm×15 mm×15 mm。組成方鋼的4片鋼板在方鋼的制作焊接過程中易產(chǎn)生變形,因此需要設(shè)計(jì)胎架工裝構(gòu)件,用以控制焊接結(jié)構(gòu)變形,見圖5。裝配最后一邊的鋼板時(shí),需要使用合適的裝配馬進(jìn)行固定。

圖5 方鋼制造及胎架示意圖(單位:mm)

上部模塊加工裝配標(biāo)準(zhǔn)見表1。在片體制作階段,使用火工對(duì)焊接變形進(jìn)行修復(fù),同時(shí)在片體完工后,做好片體的尺寸測(cè)量記錄工作,根據(jù)表1控制片體的裝配誤差。

表1 上部模塊各結(jié)構(gòu)制造精度標(biāo)準(zhǔn)

片體送達(dá)外場(chǎng)進(jìn)行分段裝配時(shí),需要對(duì)片體進(jìn)行定位工作。完成定位后進(jìn)行焊接,之后精度部門需要對(duì)分段進(jìn)行長寬高和對(duì)角線進(jìn)行測(cè)量、記錄,切除小組立階段余量,保留總組余量。

對(duì)于需要進(jìn)行總組的分段,在分段完工并完成精度測(cè)量后,在總組胎架上直接進(jìn)行總組工作。總組完成后,切除多余量,保證總段的尺寸與理論尺寸相符合。

5 結(jié)論

(1)本文基于某大型半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的桁架式上部模塊,結(jié)合國內(nèi)某大型船廠現(xiàn)有硬件設(shè)施條件,考慮其結(jié)構(gòu)型式及重量尺寸,提出了一套適用于大型桁架式上部模塊特點(diǎn)的分段/總段劃分方案、建造工藝及建造精度控制方法。

(2)大型桁架式上部模塊采用片體形式建造,有效提高了船廠作業(yè)區(qū)的利用率及上部模塊建造質(zhì)量,縮短了建造周期。

(3)大型桁架式上部模塊建造過程中的變形控制需要高度重視,根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制定精度控制余量,控制焊接變形。