半潛平臺船體底部環形總段精確定位合攏技術研究及驗證

李 勇， 朱傳超， 張慶營， 牛建華， 常小龍

(海洋石油工程(青島)有限公司，青島 266500)

0 引 言

建造大型船舶或海洋平臺結構總裝合攏的方式主要有以下幾種： 分段吊裝合攏、巨型總段吊裝合攏、SPMT小車合攏、三維重載機合攏、提升滑移合攏、頂升滑移合攏，各種合攏方式在工程實踐中均有應用[1]。對于某一特定的工程項目而言，需要綜合考慮建造場地的設備吊裝能力、所需的設備資源配置、分段結構形式、建造方案、工期、費用以及精度要求等因素，才能確定合適的合攏方式。

吊裝合攏技術是在分段預制完畢且內部預舾裝裝配完成后，利用大型起重設備(如履帶吊、龍門吊)將分段吊起并安放到預定位置，然后進行焊接合攏，即所謂連續堆積的建造方法，該建造方法是船廠運用最為普遍的合攏技術。為減少定位時長時間占用吊機資源，提高合攏精度，通常需要利用三維調整機進行調整[2]。該技術需要大型起重設備。SPMT小車因其體積小、重量輕、組裝快、操作便捷、組裝后承載力強等特點，多用于大型結構物的專場運輸，隨著現今技術進步，SPMT小車也可用于大件設備安裝及精準定位[3-4]。提升滑移合攏和頂升滑移合攏2種方式主要用于上下2個大型結構物之間的合攏，通過提升或頂升設備將上部構件上升到一定高度，然后通過滑移裝置將下部結構構件移至上部構件的正下方，然后將上部構件進行下降，實現整體合攏。該方式需要船塢、龍門吊或專用的提升/頂升設備。三維重載車合攏是在被合攏物下鋪設云型軌道的，云軌兩側設有兩條平行齒條板，通過三維重載運輸車上的針輪驅動裝置與齒條板上圓齒嚙合產生推動力，從而帶動構件前進、后退，進而對被合攏物進行合攏定位。

陵水17-2深水半潛式生產儲油平臺(以下簡稱陵水17-2半潛式平臺)是我國自主研發建造的全球首座十萬噸級深水半潛式生產儲油平臺，用于開發我國首個1 500 m深水自營大氣田——陵水17-2氣田，為全球首創半潛平臺立柱儲油平臺，最大儲油量近2萬立方米，實現了凝析油生產、儲存和外輸一體化功能[5]。陵水17-2半潛式平臺下部船體為49.5 m×49.5 m×59 m，重量約為33 000 t，其中底部環形總段49.5 m×49.5 m×9 m，總重量約為10 800 t，共劃分4個總段，綜合建造場地的建造資源、分段劃分、建造方案等考慮，底部環形總段采用三維重載車合攏的方式進行總裝。本文對三維重載車合攏的原理、合攏定位要求進行了論述，通過相關計算以及合攏定位技術的實施進行了驗證，驗證了采用三維重載車合攏定位的可行性。

1 合攏定位原理及技術要求

1.1 三維重載車合攏定位原理

1.1.1 系統組成

三維重載車系統是由三維重載運輸車、云型軌道、電力控制系統和監控系統4個主要部分組成，如圖1所示。

圖1 三維重載車系統組成Fig.1 System composition of 3D heavy haul vehicle

1.1.2 合攏定位原理

根據被合攏物的重量、重心、結構受力等因素計算出三維重載車的布車數量及位置并進行布車。三維重載運輸車通過車體頂升油缸將承載力傳遞到車體底部重載鏈輥排上，平移驅動力是通過變頻電機帶動減速機提供恒定力的。頂升油缸底部通過連接底板座在一組可橫向移動的特殊輥排上，輥排兩端設有復位彈簧保持車體穩定和輥排自動復位，通過該浮動機構可使構件在移動時產生±50 mm自動校正位移。

1.1.3 三維重載運輸車受力傳遞順序

船體1的重力作用在頂蓋板2上，頂蓋板2為強結構，剛度、強度能達到均布載荷的目的，重力分散平均，通過油缸3傳到橫向輥排4上，橫向輥排與復位彈簧結合，可消除水平方向應力，再通過調節座及底板5將力傳至鏈輥排6，每臺車有12組鏈輥排(單組鏈輥排額定載荷50 t)，最后通過云軌7將重力均勻地傳到地面8，受力傳遞事宜如圖2所示。

圖2 受力傳遞事宜圖Fig.2 Diagram of stress transfer

通過中控臺中央處理器實現所布車輛的頂升、前進(后退)，并通過臺整體聯動、區域聯動、單車單動實現最終的精確合攏。本項目所采用的重載運輸車在三維方向上可以實現如下定位要求。

X向： 驅動力20 t,位移距離無限制；

Y向： 推動力100 t,位移距離±50 mm；

Z向： 頂升力400 t，位移距離0～200 mm。

1.2 合攏定位精度要求

陵水17-2深水半潛式生產儲油平臺的船體部分由底部浮箱和4個立柱組成，其中底部浮箱由4個L形巨型分段和2個直形浮箱分段組成，2個直形浮箱分段作為定位基準段，4個L形巨型分段采用三維重載車合攏的方式進行定位合攏，L形巨型分段的基本參數如表1所示。

表1 L形巨型分段的基本參數Tab.1 Basic parameters of L-shaped giant section

根據建造方案精度控制要求，L形巨型分段合攏精度要求如下：

垂直度： ±5 mm；

中心線： ±5 mm；

水平線： ±5 mm；

對角線： ±10 mm；

中線定位誤差： ±3 mm。

2 三維重載車合攏技術

2.1 合攏順序

首先確定2個直形浮箱分段作為基準段，底部浮箱合攏順序及示意圖如圖3所示。

圖3 底部浮箱合攏順序及示意圖Fig.3 Integration sequence and schematic diagram of bottom buoyancy tank

以4個L形巨型分段中重量最大的CT2-L2分段為例，從三維重載運輸車的布車方案、強度計算、施工方案等方面進行描述。

2.2 布車方案

CT2-L2分段加上工裝的總重量為3 031 t，通過計算，使用16臺重載運輸車，包括12臺主動型和4臺從動型，單臺主動型重載運輸車的額定牽引力為20 t，從動型重載運輸車不具有牽引力但可以隨動，單臺重載運輸車額定頂升載荷為400 t。在該分段強縱向結構上布置三列軌道，各車分布情況及云軌鋪設如圖4所示。

圖4 三維重載運輸車布置示意圖Fig.4 Layout diagram of 3D heavy haul vehicle

2.3 三維重載運輸車強度計算

結合以往項目的經驗，需要對該分段進行支反力計算，除滿足設備本身強度需求外，還需滿足船底板及地面要求，以及還需要進行牽引力計算、頂升載荷計算、地面壓強載荷(平均)計算、橫向水平推力計算等各種計算。計算過程及結果提交第三方進行審核。

2.3.1 支反力計算

工裝底座面積： 3.8 m×2 m=7.6 m2(按最小工裝面積算)，每臺重載車對船底板的壓強=每臺重載車的載荷/底座面積，結合16臺重載車的載荷，每臺車對船底板的壓強計算結果如表2所示。經計算，對船底板最大壓強為26.3 t/m2，小于船底板設計強度，滿足技術要求。

表2 支反力及船底板壓強計算Tab.2 Calculation of support reaction force and ship bottom plate pressure

2.3.2 牽引力計算

牽引力=重載運輸車臺數×單臺運輸車牽引力=12×20=240(t)；

行駛阻力=(分段重量+工裝總量)×0.03=90.9(t)(行駛阻力系數按照0.03考慮)；

安全系數=牽引力/行駛阻力=2.6；

重載運輸車牽引力滿足運輸要求。

2.3.3 頂升力計算

總頂升力=重載運輸車臺數×單臺運輸車頂升力=16×400=6 400(t)；

安全系數=總頂升力/(分段重量+工裝總量)=6 400/(2 936+95)=2.1；

重載運輸車頂升力滿足運輸要求。

2.3.4 地面壓強平均載荷計算

重載運輸車共3種類型，2臺Ⅰ形主動型，單重為5.7 t；10臺Ⅱ形主動型，單重為6.5 t，4臺從動型，單重為4.5 t，16臺重載運輸車的總重量為94.4 t。軌道總長度為142 m，軌道單位重量為0.38 t/m，總重量為64.8 t，軌道接觸面積為194.4 m2。

因此，軌道對地面的平均載荷=總重量/接觸面積=(2 936+95+94.4+64.8)/194.4=16.4(t/m2)，平均載荷小于該處地面的設計載荷，滿足要求。

2.3.5 橫向水平推力計算

每臺主動性型重載運輸車有4個水平方向推拉油缸，每個油缸拉力=18 t，鋼滾排與鋼軌道滾動擦系數取0.03。

總拉力=單臺油缸拉力×臺數=4×18×12=864(t);

摩擦力=(分段重量+工裝總量)×0.03=90.9(t)；

安全系數=總拉力/摩擦力=864/90.9=9.5；

橫向水平推力滿足要求。

2.4 合攏技術實施

2.4.1 分段運至合攏場地

使用SPMT運輸小車將分段運輸至合攏場地，并進行粗就位，X方向控制在±50 mm，Y方向控制在-100 mm。

2.4.2 施劃軌道中心線

根據基準段P21、 P41的中心線位置，施劃CT2-L2分段的軌道中心線，保證3條軌道中心線平行，軌道中心線劃線精度： 直線度±3 mm，平行度3 mm；并做不可擦除標識。

2.4.3 軌道鋪設

根據軌道中心線進行軌道鋪設軌。使用25 t汽車吊將軌道吊到指定位置，使用8 t叉車對軌道進行擺放，使用云軌搬運輪組進行分段底部搬運，再用撬杠沿著軌道中心線逐節安裝到位并找正；并使用經緯儀校核安裝精度，進行校驗確認。共需要鋪設三條軌道，長度分別為60 m、60 m和30 m。

軌道鋪設精度要求： 直線度±10 mm、水平度±10 mm、平行度±10 mm。

2.4.4 重載運輸車進入

使用25 t汽車吊或叉車將重載運輸車放置到軌道上，依據重載運輸車布置圖將重載運輸車布設在指定位置。

2.4.5 聯調合攏定位

根據CT2-L1分段精度尺寸，調整CT2-L2縱向預合攏口的余量后，施工步驟如下：

(1) 重載運輸車沿軌道方向(縱向)行進約60 mm進行定位預合攏。

(2) CT2-L2分段進行縱、橫方向同時定位合攏時，根據合攏精度要求，調整三維方向的精度尺寸。

(3) 重載運輸車調整好分段三維方向精度尺寸后，抱緊工裝支架墊木(墊板)，進行分段定位焊。

(4) 重載運輸車卸載，等待24小時后，在CT2-L2分段沒有變化的情況下，重載運輸車可以卸載撤車。如果分段有下降情況，重載運輸車可以再次進行頂升調整，以此達到分段合攏精度要求。

2.4.6 撤車、撤軌

該分段合攏作業完畢后，分步撤出三維重載運輸車及軌道轉至下一作業區。

3 結 語

分段吊裝合攏，分段大小受龍門吊/履帶吊起重能力限制，往往分段重量較小，分段完善度較低，所以需要的工期長，利用吊機資源多，占用船塢/滑道時間長，建造總成本高，但資源獲取難度低，施工風險小，能夠滿足高精度合攏要求。SPMT小車合攏，可以滿足2 000～6 000 t巨型分段的合攏，分段完善度高，占用船塢/滑道時間較短，但受制于SPMT小車移動精度限制，很難完成超高精度的合攏要求。本文通過陵水17-2半潛式生產平臺船體底部環段合攏實際案例，對采用三維重載車合攏技術進行了實踐驗證，合攏精度高，占用船塢/滑道時間短，為后續同類項目在進行合攏定位方案的選擇提供了更多的空間。