浮動狀態下模塊裝船集成測量技術

楊現陽，王天一，田從永，葛仁磊，劉榮坤

（海洋石油工程股份有限公司，山東青島 266555）

近年來，隨著公司業務的拓展，產品由原來的導管架、組塊等傳統海洋平臺向LNG模塊、超大型半潛平臺及FPSO大型儲油輪轉移。在生產這些產品的過程中，都面臨著同樣的問題，即集成裝船。LNG模塊需要通過大型船舶運輸到另外一個生產現場，半潛平臺及FPSO平臺需要對其上的功能結構物和設備進行浮動集成。

第一種集成方式，模塊與船體之間分屬相對獨立的個體。集成期間，不需要考慮模塊與船體的功能對接，只需將模塊放在船甲板上即可；

第二種集成方式，待集成的模塊、設備與船體是一個整體，集成期間，不僅需要考慮單個結構的位置，還需要考慮被集成結構之間以及與船體之間的功能關系。

浮動狀態下的集成模式能夠大大縮短塢期，提高滑道、吊機資源的利用率。

1 浮動狀態的參數描述

目前，常用測量硬件、軟件都已經發生很大的變化。高精度的全站儀已經達到了0.5s的精度。但是當面對上述問題時，仍然面臨不小的挑戰。本文主要討論具備下屬姿態的浮動船體之上的集成模式：

（1）縱傾和橫搖幅度都應保持在5°左右；

（2）擺動頻率也應相對穩定，每分鐘不超過30次；

（3）不發生震蕩式搖擺；

（4）船體主要結構應整體搖擺，相互之間，沒有明顯位移；即物體處于輕微的、整體的、搖擺浮動狀態。

2 浮動船體影響精度的主要因素

2.1 高精度測量儀器的補償器在浮動狀態下失效

高精度測量儀器是集電磁波測距和電子經緯儀為一體的全站儀，根據其結構特點和測量環境，存在三軸誤差：

（1）視準軸誤差

該誤差是由于視準軸與橫軸不垂直引起的誤差，即照準誤差。

（2）水平軸誤差

該誤差是由于水平軸與豎軸不垂直引起的傾斜誤差，即橫軸傾斜誤差。

（3）豎軸誤差

該誤差是由于儀器的豎軸偏離鉛錘位置引起的誤差，即豎軸傾斜誤差。

第（1）、（2）種誤差一般是儀器本身誤差；

第（3）種誤差是架設儀器時，由于儀器整平不完善、豎軸晃動、土質松軟引起腳架下沉或因振動、溫度、風力等因素產生的誤差。

全站儀的測角誤差分為兩種，即豎直角誤差（天頂距誤差）和水平角誤差。

豎直角誤差來源于全站儀的第（3）種誤差。

水平角誤差來源于全站儀的第（1）、（2）、（3）種誤差。

表1為配套機載程序自由設站實驗數據。

表1 浮動狀態下自由設站實驗數據

從表1可以看出，數據誤差最大為10mm，已經失去了高精度全站儀測量的意義。

2.2 重量引起結構變形

（1）船體自身結構重量所致結構變形

船體在建造階段，其外底板水平應保持在特定公差范圍之內，但在其處于漂浮狀態時，將會產生拱度變形，2m的變形可達1mm。原來布設在船上結構物的基準，將因此發生位移，若使用原來基準進行測量作業時，將產生較大誤差。圖1為大型儲油輪159m軌道所產生的拱度差，從圖1看出，最大可達71mm。

圖1 船體拱度變化圖

（2）不斷累積的集成模塊與設備重量所致結構變形

船體在漂浮狀態時，其上的結構物將分批次集成，重量的累計和不均勻，將導致船體基準的二次變形，此種變形會不斷累積，且不均勻。

2.3 對接口基準精度不匹配

船體集成接口主要包括：

（1）主船體與上部模塊對接

（2）主船體與甲板上主要設備的對接

（3）管線與模塊的對接

（4）管線與管線之間的對接

（5）附屬結構與主船體的對接

參考浮動船體常用建造標準及設備廠商使用說明書，對不同位置的精度要求如下：

（1）主船體結構一般為±15mm

（2）船體上部模塊一般為±10mm

（3）管線一般為±3mm

（4）設備一般為±1mm

若不關注施工工藝中各個結構的精度，其精度傳遞會逐步下降，而被控制結構物的公差要求從下而上卻越來越嚴格。二者之間的矛盾將對精度控制帶來不利影響。

2.4 作業空間受限

作業空間一般在300m×80m之內，區間內有各種模塊、設備、管線、附屬結構以及腳手架。受限的作業空間，主要會帶來以下幾種問題：

（1）視線遮擋

對于關鍵點的測量，需要在一站測量，實體障礙物的存在會造成測量視線無法透視，降低測量精度。

（2）交叉作業使不可控因素被放大

其他作業，如切割、焊接、敲擊等測量同步進行時，其震動和遮擋產生的影響會因為空間狹小而被放大，從而降低測量精度。

（3）標定測量點困難

主要結構交叉點，在受限空間內會被遮擋或者被覆蓋，需要用其他測量點代替，將降低測量精度。

2.5 結構對位不準確

結構對位不準確包括組對偏差、焊道變形等因素。結構的對位偏離會造成基準傳遞的不準確，尤其是單個結構，如單個設備、單根管線需要定位時，若采用附近的結構定位，將會導致被測量物在整個基準系統里產生偏差。

2.6 溫度變化

通常情況下，船體模塊支座與模塊支座往往不在一個時間段內，甚至不在一個場內建造，但需要在一個地方完成集成。季節變化以及一天的不同時間段，溫差都會有很大的變化。鋼材熱脹冷縮的性質，使得其相互之間的尺寸對溫度很敏感。此變化將會導致結構對位偏差。

3 浮動狀態下集成的關鍵措施

3.1 全站儀補償器的合理使用

一般來說，全站儀有三種補償模式：

（1）單軸補償

此種方式經常用在光學經緯儀上，只能補償由于豎軸傾斜而引起的垂直度盤讀數誤差。

（2）雙軸補償

此種補償器是當儀器豎軸傾斜時，能自動改正由于豎軸傾斜誤差對垂直度盤和水平度盤讀數的誤差。

（3）三軸補償

此種補償器不僅能補償豎軸傾斜引起的垂直度盤和水平度盤的讀數誤差，還能通過機載軟件補償視準軸誤差和橫軸傾斜誤差對水平角的影響。

高精度全站儀都采用三軸補償模式，一般分為兩個選項，即補償器和水平角改正。此種補償器不僅能補償豎軸傾斜引起的垂直度盤和水平度盤的讀數誤差，還能通過機載軟件補償視準軸誤差和橫軸傾斜誤差對水平角的影響。表2為三軸補償器的四種組合情況。

表2 三軸補償型全站儀補償器開閉狀態及對應功能

在浮動狀態下，豎軸處于傾斜狀態，將導致其補償器增加額外誤差，所以必須將兩個選項全部關閉。

3.2 基于整體控制的基準精確傳遞

船體控制基準由基準點組成，由點連線，由線成面。典型的基準點包含X、Y、Z三個方向的信息，用于組成整體的大型控制網，點數較少，精度較高，一般在船塢內搭載之前建立。有些基準的平面基準和高度基準是相互獨立的，用于靈活機動地控制結構局部位置。

（1）平面基準的傳遞

平面基準的船體包括基準點和基準線兩種類型，對于基準點，一般采用高精度全站儀，圍繞被控制物布設，也可采用經緯儀配合吊線錘的方式，將關鍵控制點的平面坐標返定到主要結構上，由點連線，即可生成控制基準線。

（2）高度基準的傳遞

高度基準的傳遞可采用全站儀，也可以用水平儀。采用全站儀時，只用三維坐標的Z坐標，實現高低換算。水平儀需要配合標尺，在船舶未下水之前，預先將船塢內的固定起始基準依次轉移到需要的結構上來，如船塢內外底板水平和標高基準等。

若要精確控制某局部結構，需要布設局部基準，此類局部基準需要和塢內地樣線基準聯測。

3.3 基于關鍵結構的定點定線方法及管理點表格

關鍵結構的測量點，能夠有效地標識結構位置，也有利于基準的傳遞。一般情況下，測量點要標識在主要結構的中心線交叉點位置，常用五點標識法。集成時比較關鍵的基準點一般為：

（1）船體結構中心線

（2）船體模塊支墩中心點

（3）船體主甲板平面控制點

（4）附屬結構局部平面控制點

集成的關鍵結構點，需要生成單獨統一的管理點表格，發送現場施工，注意保護避讓，采用工程項目管理手段提高測量精度。

3.4 基于最佳擬合的基準轉換

在穩定狀態下，一般的測量轉站作業，可采用全站儀的機載后方交會程序，但在浮動狀態下，由于沒有穩定的水平基準，此種方法將不能利用。但是可以在關閉全站儀補償器的狀態下，進行數據采集作業。若要對不同的站點之間的數據進行統一坐標，可在計算機中，編制基于最佳擬合的轉站程序，實現多站點之間的基準轉換。不同站點之間應有不少于三個重復點，其最佳擬合方式可采用基于最小二乘或者偏差絕對值最小的模式。

3.5 基于平滑過渡的曲面基準的小范圍應用

船體主甲板上用以合攏的基準線，在未漂浮之前，應與水準面保持平行，但在入水之后，由于重量的影響，整個船體在船長和船寬方向，都將產生拱度。原來設定在主船體上的基準將會一起發生變形。在用基準進行測量作業時，變形的基準與預定的整體基準將產生偏差，從而導致被測物發生偏差。

因此，在船長和船寬方向，依次控制集成的模塊時，應保證其對接位置的平滑過渡，采取的措施如下：

（1）應根據整體基準，計算船體拱度，可將拱度分割成每1m的大小

（2）對被測物的最大公差要求進行研究，對比計算其所在范圍內的拱度對其精度影響

（3）小范圍的基準范圍應稍大于被控制的結構物

（4）小范圍的基準應盡量對稱

（5）相鄰被測物應聯系測量

變形之后的曲面基準可被劃分成若干小范圍的平面基準，在精度目標范圍內，需要靈活使用。

3.6 基于攝影測量的局部高精度測量方法的應用

對于精度要求為亞毫米級的結構，如關鍵設備底座、關鍵設備的中軸對中、管線，可采用工業攝影測量方法。其基本原理是在不同位置和方向獲取被測工件兩幅或多幅數字圖像，經圖像預處理、標志識別、圖像匹配、空間三角交會及光束平差后得到待測點的三維坐標。依據點的三維坐標對工件進行幾何尺寸檢測、變形測量、逆向工程分析等。該系統一般有專用工業相機、自動定向規、長度基準尺、回光攝影標志組成。

此種測量方法的精度可達微米級，但在使用時，應考慮光源、分辨度等相關因素。

3.7 溫度改正

此種方法是把所有的測量數據，根據經驗公式，歸算到某特定溫度，一般為20℃，其計算公式一般為：

不同的材料有不同的系數，碳鋼系數一般為0.000 012，具體系數可根據經驗數據計算確定，以便更貼近實際情況。

4 結語

綜上所述，浮動狀態下，影響模塊集成精度的因素很多。對單個結構物來說，影響其精度的因素可能是一個，也可能是多個。在實際操作過程中，需要首先分析所要到達的精度目標，并分析整個集成過程中的主要影響因素，綜合項目管理手段，制定有針對性的可執行方案，因時因地地予以規避，高效快速地達到既定精度目標。