海洋平臺的尺寸控制分析

謝 偉

（海洋石油工程（青島），山東青島266520）

0 前言

海洋平臺為傳統(tǒng)的大型海洋鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，包含多專業(yè)的施工。其中，結(jié)構(gòu)專業(yè)為基礎(chǔ)專業(yè)，后續(xù)專業(yè)的施工主要在結(jié)構(gòu)專業(yè)基礎(chǔ)上進(jìn)行，而結(jié)構(gòu)專業(yè)具有桿件強(qiáng)度高、噸位大等特點(diǎn)，其尺寸直接關(guān)系到海洋平臺的最終完工尺寸。海洋平臺尺寸控制應(yīng)從設(shè)計(jì)階段進(jìn)行，貫穿整個(gè)建造過程，受多種因素影響。在此主要按照施工流程來闡述海洋平臺的尺寸控制方法及措施。

圖1 完工組塊（1）

圖2 完工組塊（2）

1 設(shè)計(jì)階段

在總體設(shè)計(jì)階段，根據(jù)組塊的分層情況（見圖3），通常會在建造方案中劃分甲板片的分片方式[1]，將一整層甲板分成若干個(gè)甲板片進(jìn)行預(yù)制，如圖4所示，原則上分片宜少不宜多，以減少累積尺寸誤差；其次，在現(xiàn)場合攏口設(shè)計(jì)方面，需要合理設(shè)置立柱及型鋼的現(xiàn)場合攏口位置，對于現(xiàn)場不易對接的合攏口應(yīng)在預(yù)制階段進(jìn)行焊接；再次，項(xiàng)目允許的公差范圍通常是組塊整體完工后需要滿足的公差，因此需將組塊完工尺寸的公差進(jìn)行分解，細(xì)化到預(yù)制各階段，制定對應(yīng)公差范圍，從而保證合攏后的整體尺寸不會超出總體公差要求。

在預(yù)制方案設(shè)計(jì)階段，應(yīng)對甲板片設(shè)置一定的反變形量。甲板片由于自身質(zhì)量會產(chǎn)生一定的變形，同時(shí)，甲板片的運(yùn)輸及吊裝也會產(chǎn)生一定的彈性變形，因此在預(yù)制方案上應(yīng)通過綜合評估、計(jì)算而設(shè)置一定的反變形量；其次，預(yù)制方案以及圖紙上也應(yīng)設(shè)置一定的焊接收縮量以及補(bǔ)償量。切割、焊接等過程會產(chǎn)生一定的母材消耗，因此，需提前結(jié)合母材厚度、類型、坡口型式等要素進(jìn)行評估，并結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)和施工特點(diǎn)，設(shè)置一定的焊接收縮量及補(bǔ)償量，以抵消切割、焊接等導(dǎo)致的收縮[2]。

圖3 組塊立面設(shè)計(jì)圖紙

圖4 甲板片分片預(yù)制方案

在合攏方案設(shè)計(jì)階段，需注意吊裝方案及運(yùn)輸、擺放方案的設(shè)計(jì)。在編制吊裝方案時(shí)，需要以吊裝前的甲板片質(zhì)量作為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。近年來，隨著甲板片的一體化[3]程度的逐漸提高，甲板片在吊裝前會盡可能多地按照圖紙安裝多專業(yè)的管件、舾裝件及設(shè)備等，質(zhì)量會發(fā)生較大變化，所以吊裝方案一定要以吊裝前的最終質(zhì)量作為計(jì)算依據(jù)來進(jìn)行編制。其次，在編制運(yùn)輸、擺放方案時(shí)，由于甲板片從涂裝車間到總裝場地會經(jīng)過一段距離的運(yùn)輸，且在吊裝前還會經(jīng)過一段時(shí)間的擺放，因此，應(yīng)設(shè)計(jì)好墊墩數(shù)量及擺放位置以保證吊裝前甲板片的整體尺寸滿足要求，如圖5所示。

圖5 墊墩布置

2 施工階段

2.1 立柱預(yù)制階段

立柱通常由多節(jié)管拼接而成，因此，為了保證立柱整體的不圓度和直線度滿足要求，應(yīng)嚴(yán)格控制單節(jié)管的不圓度和直線度。管子通常由鋼板卷制而成，其截面通常不是完美的圓，例如，對于壁厚小于等于50.8 mm的鋼管，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定其允許的不圓度最大值為6.4 mm[4]，即單節(jié)管的最大直徑與最小直徑差值不能超過6.4 mm。但是為了盡量減小管子拼接成立柱后的總直線度公差，需控制各單節(jié)管的不圓度，可采取兩種措施：①單節(jié)管卷制時(shí)，所有管子應(yīng)采用相同的公差設(shè)定，比如規(guī)定所有單節(jié)管最小直徑都為正公差，例如理論直徑1 m的管，應(yīng)確保所有單節(jié)管最小直徑（一般出現(xiàn)在縱縫附近）都大于1 m，這樣在單節(jié)管接長時(shí)可以有效減少環(huán)縫處的錯(cuò)皮，進(jìn)而保證立柱整體的直線度，圖6和圖7為立柱接長時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)皮；②應(yīng)盡量縮小單節(jié)管卷制的不圓度公差，即采用小于6.4 mm的公差值，可有效提高管拼接成立柱后的整體直線度。現(xiàn)場測量鋼管橢圓度如圖8所示，現(xiàn)場測量鋼管直線度如圖9所示。

圖6 立柱環(huán)縫組對錯(cuò)皮（1）

圖7 立柱環(huán)縫組對錯(cuò)皮（2）

圖8 鋼管橢圓度測量

圖9 鋼管直線度測量（拉鋼絲）

2.2 施工順序

2.2.1 焊接保留

焊接保留分為整體焊接保留和部分焊接保留。對于整體焊接保留，首先由設(shè)計(jì)進(jìn)行吊裝安全評估，凡是在預(yù)制階段可不焊的桿件均留在總裝階段焊接，如位于兩層甲板片之間的斜拉筋，需要與上下層甲板片通過焊接進(jìn)行連接。在預(yù)制階段，斜拉筋通常會固定在下層甲板片上，而下口可以通過臨時(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定而先不焊接，因?yàn)楹附訉?dǎo)致的變形會改變拉筋的角度及方向，從而導(dǎo)致與上層甲板片的理論位置發(fā)生偏離。因此，建議在預(yù)制階段對下口進(jìn)行臨時(shí)固定，待上層片吊裝就位后整體調(diào)整斜拉筋，確保與圖紙尺寸一致后再整體焊接，小立柱在預(yù)制階段做整體焊接保留如圖10所示。對于部分焊接保留，結(jié)合實(shí)際施工精度水平由技術(shù)人員進(jìn)行評估，可以在部分桿件的合攏口位置保留一定長度不焊接，合攏并調(diào)整好對接桿件的尺寸后再進(jìn)行焊接，以免合攏時(shí)對接桿件的尺寸誤差過大，只能通過打開焊縫進(jìn)行調(diào)整。

圖10 立柱預(yù)制階段不焊接

2.2.2 夾層片的焊接順序

在設(shè)計(jì)階段，通常會將主立柱分成幾段布置在不同層高的甲板片上，隨著甲板片預(yù)制完成后進(jìn)行吊裝，分成幾段的立柱再進(jìn)行合攏對接。組塊通常由幾層不同層高的甲板組成，其中有些面積較小的夾層片位于主甲板之間，噸位較小，立柱需要貫穿其中，即夾層片需要與立柱焊接，焊接產(chǎn)生的應(yīng)力會導(dǎo)致立柱垂直度發(fā)生偏離，進(jìn)而影響下層片立柱上口與上層片立柱下口的對接精度，從而造成錯(cuò)皮。因此，首先應(yīng)使上層主甲板片就位，然后完成立柱的合攏，最后焊接夾層片。

2.2.3 甲板板焊接順序

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，甲板片上表面通常會覆蓋一層甲板板，其焊接順序?qū)⒅苯佑绊懻麄€(gè)甲板片的尺寸，如果焊接順序不當(dāng)，甲板板焊接產(chǎn)生的應(yīng)力會將甲板片的四個(gè)角整體拉起，造成整體水平度超差，所以甲板板焊接須遵循一定的焊接順序。

甲板板的整體焊接順序是：先焊接中間區(qū)域，再向四周焊接，以避免應(yīng)力集中。

2.3 立柱尺寸優(yōu)先原則

在設(shè)計(jì)階段，主立柱通常被分成幾段安插在各個(gè)預(yù)制甲板片的環(huán)板中，在總裝階段再進(jìn)行立柱合攏。

立柱合攏的精度直接決定整個(gè)組塊的施工精度。在甲板片預(yù)制階段，應(yīng)優(yōu)先保證安插在甲板片上的主立柱尺寸，即保證立柱之間的跨距以及單個(gè)立柱的垂直度，主立柱的尺寸應(yīng)該不讓步于所在甲板片的尺寸控制，主立柱預(yù)制階段垂直度測量如圖11和圖12所示。

圖11 立柱預(yù)制階段垂直度測量（1）

甲板片在預(yù)制過程中，本身會產(chǎn)生一定的誤差，可能導(dǎo)致立柱與周邊環(huán)板的間隙超差，但絕不能通過調(diào)整立柱來調(diào)整間隙。標(biāo)準(zhǔn)上規(guī)定，立柱之間的跨距與理論尺寸相比允許有一定的公差范圍，但是該公差應(yīng)該盡可能縮小，不能因?yàn)榱⒅诩装迤叽绯疃昧⒅墓钸M(jìn)行找補(bǔ)。

2.4 公差管理

一個(gè)海洋平臺通常分為十幾個(gè)甚至數(shù)十個(gè)甲板片進(jìn)行預(yù)制，不同甲板片往往由不同施工單位負(fù)責(zé)建造，其施工水平及尺寸控制措施不同，導(dǎo)致各個(gè)甲板片的尺寸控制水平參差不齊，給合攏帶來很大難度。因此，需要從管理者角度對所有施工單位負(fù)責(zé)的甲板片預(yù)制尺寸進(jìn)行統(tǒng)一管理。

圖12 立柱預(yù)制階段垂直度測量（2）

甲板片預(yù)制涉及焊接坡口間隙值的加放和整體尺寸控制，因此從預(yù)制第一個(gè)甲板片開始，管理者就應(yīng)該采集關(guān)鍵尺寸數(shù)據(jù)并加以管控，建立數(shù)據(jù)庫，結(jié)合允許的公差范圍，逐步總結(jié)出最適合的間隙加放值以及焊接收縮量，并在后續(xù)甲板片施工時(shí)進(jìn)行統(tǒng)一的間隙值及焊接收縮量的加放。

同時(shí)，上層甲板片預(yù)制時(shí)的尺寸控制要參考對應(yīng)下層甲板片完工后的尺寸數(shù)據(jù)，便于二者之間合攏階段的尺寸匹配。

同一層的甲板片需進(jìn)行統(tǒng)一管理，應(yīng)記錄完工甲板片的焊后尺寸數(shù)據(jù)，后續(xù)甲板片施工過程應(yīng)參考完工甲板片的數(shù)據(jù)，以保證同一層甲板片合攏后的整體數(shù)據(jù)滿足總公差要求，甲板片預(yù)制階段的尺寸測量報(bào)告如圖13和圖14所示。

2.5 預(yù)制反變形及總裝反變形

在甲板片預(yù)制過程中，其自重會導(dǎo)致下沉，越接近中心往往下沉量越大，因此需加放一定的反變形量，首先通過設(shè)計(jì)計(jì)算出甲板片的下沉量數(shù)據(jù)，在施工階段通過調(diào)整局部墊墩的高度（主要是靠近中心位置處的墊墩高度）或采取其他控制措施來抵消甲板片自重導(dǎo)致的下沉量。

在總裝階段，甲板片合攏后會大量安裝機(jī)械設(shè)備等重型結(jié)構(gòu)，會造成組塊緩慢變形，同時(shí)，由于主立柱通常布置在靠近四個(gè)角的位置，組塊中心缺乏有效的強(qiáng)支撐，因此，越靠近組塊中心，下沉量越大。在總裝開始前，應(yīng)先根據(jù)甲板片全部完工后的自重計(jì)算可能出現(xiàn)的下沉量，然后在合攏時(shí)通過施加反變形量來進(jìn)行控制，例如甲板片可進(jìn)行一定傾斜，靠近中心處的位置適當(dāng)抬高，這樣在后續(xù)機(jī)械設(shè)備安裝就位后可緩慢地抵消。

圖13 立柱垂直度報(bào)告（預(yù)制階段）

圖14 甲板片水平度報(bào)告（預(yù)制階段）

2.6 人員管理

裝配工藝以及焊接水平對甲板片的尺寸影響都很大，所以在甲板片預(yù)制或者總裝過程中，應(yīng)加強(qiáng)鉚工和焊工隊(duì)伍的培養(yǎng)。首先，通過考核或者考試選拔合適的鉚工和焊工組成施工隊(duì)伍；其次，盡量保持施工隊(duì)伍的穩(wěn)定性，同一批鉚工和焊工在養(yǎng)成良好且成熟的作業(yè)習(xí)慣后，不宜大量更換，不同鉚工有不同的裝配方法，不同焊工的焊接方法也不盡相同，都會對甲板片的整體尺寸產(chǎn)生影響，因此，要求盡可能保持施工隊(duì)伍的穩(wěn)定性。

2.7 臨時(shí)支撐

臨時(shí)支撐的使用對于控制甲板片變形具有一定作用，它可以靈活應(yīng)用于多個(gè)階段。在特定位置安裝一定數(shù)量的臨時(shí)支撐可以有效減小由于焊接收縮導(dǎo)致的變形，如圖15所示。甲板板焊接時(shí)，大量的焊接產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致四角往中間翹起，因此，焊接前和焊接過程中，在甲板片的四個(gè)角布置4個(gè)一定質(zhì)量的配重，可以在一定程度上減小由于甲板片焊接導(dǎo)致的變形。臨時(shí)支撐還可用于施工的其他方面。

圖15 半圓管焊接-臨時(shí)支撐固定

3 測量控制[5]

3.1 方案制定階段

測量方案應(yīng)盡可能詳細(xì)，首先要保證包含組塊整體公差及各預(yù)制階段分解后的公差值，其次要細(xì)化測量方案，不能只局限于焊前或焊后的整體尺寸控制，要強(qiáng)化過程尺寸的控制理念。

3.2 預(yù)制階段

立柱與環(huán)板焊接過程中，應(yīng)監(jiān)控立柱的垂直度，發(fā)生偏離后應(yīng)及時(shí)通知施工單位停止焊接，調(diào)整焊接順序，保證整體垂直度滿足要求，不能等立柱焊完后發(fā)現(xiàn)垂直度超差，再通過其他方式進(jìn)行調(diào)整。

甲板片焊接過程中，應(yīng)多設(shè)置幾個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，例如主梁、次梁以及筋板焊接時(shí)，以分解后的公差作為指導(dǎo)，持續(xù)監(jiān)控整體尺寸，一旦發(fā)現(xiàn)甲板片跨距或斜跨距超差，立即停止作業(yè)，重新制定焊接順序或其他控制措施，以保證焊后整體尺寸。

3.3 一體化施工

隨著施工工藝的改進(jìn)，如今一體化施工的工藝不斷成熟，在結(jié)構(gòu)甲板片焊接完工并測量合格后，通常在車間外進(jìn)行機(jī)械設(shè)備、管線支架等附件的安裝及焊接，由于桿件較多，焊接導(dǎo)致的變形會造成甲板片尺寸超差，因此應(yīng)該在一體化施工階段增加測量監(jiān)控點(diǎn)。

3.4 運(yùn)輸、擺放階段

甲板片在吊裝前通常會經(jīng)過運(yùn)輸及在預(yù)定地點(diǎn)擺放兩個(gè)階段，均可能會出現(xiàn)尺寸變形的情況。

對于運(yùn)輸變形，通常可采用剛性固定以及反變形措施來加以控制，同時(shí)合理安排生產(chǎn)區(qū)域，盡量避免長途運(yùn)輸。

在吊裝前，對于甲板片在預(yù)定地點(diǎn)的擺放，應(yīng)制定合理的墊墩擺放措施，避免由于墊墩數(shù)量不足或位置不合理導(dǎo)致的尺寸變形。

在這兩個(gè)階段都應(yīng)增加測量監(jiān)控點(diǎn)。

3.5 吊裝階段

甲板片通常通過吊機(jī)進(jìn)行吊裝，與下層甲板片或相鄰甲板片進(jìn)行合攏，在吊裝過程中甲板片尺寸會發(fā)生彈性變形，因此需要持續(xù)進(jìn)行測量監(jiān)控，并分析數(shù)據(jù)，針對不合格的數(shù)據(jù)，制定相應(yīng)整改措施，確保吊裝就位前的尺寸滿足要求，圖16為在現(xiàn)場進(jìn)行尺寸測量。

圖16 現(xiàn)場尺寸測量

4 模擬搭載

隨著信息化及智能化施工的普及，施工中大量工作可以借助電腦軟件進(jìn)行預(yù)分析。上層片在合攏前，通過采集主立柱等關(guān)鍵位置尺寸，與下層片對接位置的尺寸進(jìn)行比對，在電腦上進(jìn)行實(shí)際尺寸間的模擬搭載，可以得出各個(gè)對接點(diǎn)處數(shù)據(jù)的匹配程度，根據(jù)不同位置尺寸匹配度的不同制定相應(yīng)的處理措施，提前進(jìn)行處理：對接口處間隙小的，可以多切余量；間隙大的位置，可以提前進(jìn)行堆焊；有錯(cuò)皮的，可以通過機(jī)械或者火工調(diào)整桿件尺寸。這些工作都應(yīng)在實(shí)際吊裝前進(jìn)行，既可以保證合攏過程的順利進(jìn)行，又可以避免吊裝后的尺寸誤差帶來更大的成本及工期上的消耗。

5 結(jié)論

海洋平臺的尺寸控制工作從設(shè)計(jì)階段開始直至完工，需要從文件準(zhǔn)備、現(xiàn)場施工、過程控制、尺寸測量等各個(gè)階段進(jìn)行控制，需各相關(guān)單位共同參與，嚴(yán)格執(zhí)行圖紙、方案，并不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化控制流程及措施，加強(qiáng)信息化管理，借助軟件輔助，以達(dá)到理想的尺寸控制效果。