一種內轉塔單點集成工藝

石亮

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

單點系泊系統(single point mooring system)中的內轉塔單點包含一個細長的圓筒形結構物(下塔體)，下塔體結構被集成到FPSO中的圓筒形的單點艙中，下塔體和FPSO之間通過軸承支撐結構連接。下塔體上端為管匯平臺，管匯平臺為一個多層甲板模塊結構物，內部容納管線系統。塔架位于管匯平臺上部，內部集成有滑環，滑環用于連接船體(旋轉部分)與管匯平臺、下塔體以及海底錨鏈(固定部分)[1]，見圖1。這種類型單點集成滑環數達10個，懸掛數量達到19個，是目前國內懸掛數量最多的單點系統，而且國內首次應用、集成此類型單點。

1 集成原理

根據單點結構特點及浮吊吊裝能力，將內轉塔單點系統分3個單體(下塔體、管匯平臺、塔架)，各自單獨建造[2]。模塊建造完成后，按照下塔體、管匯平臺、塔架的順序依次集成到FPSO的單點艙之中，最后安裝滑環系統至塔架內部，集成流程見圖2。單點集成要求(見表1)中軸承圓心偏差為±5 mm，滑環支撐同心度為±7.5 mm，集成關鍵在于3個單體同軸度的控制，要求3個單體在集成完成后實現同軸旋轉，同時對軸承基板水平進行控制。

表1 單點集成精度要求

圖2 單點集成流程示意

2 工裝設計

單點集成屬于小間隙吊裝，尤其對于下塔體，下塔體與單點艙壁理論間隙為300 mm，小于浮吊吊裝最小間隙要求[3]，需要設計專用導向工裝，保護本體結構并輔助單體就位。為實現下塔體就位后的精調整，需要設計專用的集成支墩。

2.1 導向工裝設計

自主甲板單點艙口到筒體內部界面圓下方，設置6道由上至下的連續導向工裝，用于輔助定位并控制下塔體吊裝過程中與單點艙間隙，主甲板上導向結構見圖3，由木頭與H型鋼組成。使用ANSYS軟件對導向工裝進行局部強度校核，利用Shell181單元模擬鋼板，導向工裝材料選取AH36，最小屈服強度355 MPa。主要考慮3種工況校核導向工裝，載荷布置見圖4[4]。

圖3 主甲板導向

圖4 導向載荷布置及應力

1)500 kN(下塔體重量的5%)水平面內載荷和500 kN(下塔體重量的5%)作用于導向傾斜面的豎向載荷；

2)500 kN(下塔體重量的5%)水平面內載荷和50 kN(下塔體重量的0.5%)作用于豎向緩沖結構頂部的豎向載荷;

3)500 kN(下塔體重量的5%)水平面內載荷和50 kN(下塔體重量的0.5%)作用于豎向緩沖結構中間位置的豎向載荷。

對管匯平臺導向結構進行有限元分析，結果見表3，應力云圖見圖4，結果表明導向結構有足夠的強度滿足單體吊裝。

表2 應力分析結果

2.2 集成支墩設計

當下塔體吊入單點艙后，要控制下塔體主軸承中心與單點艙的同心度和相對高差，設計專用工裝完成精就位。在下塔體下方沿圓周方向設置3個集成支墩，將下塔體吊裝至單點艙內，置于集成支墩之上，見圖5。集成支墩上的3個徑向千斤頂調節下塔體與單點艙的同心度，軸向千斤頂調節塔體相對船體基線的高度和水平度，使軸承表面相對船底基線公差滿足精度要求。

圖5 集成支墩使用示意

水平和垂向調整是獨立進行的，分析所用載荷由千斤頂最大頂推能力確定。水平千斤頂能力3 000 kN，垂向千斤頂能力6 000 kN，集成支墩模型采用板單元模擬，材料選取DH36，最小屈服強度355 MPa。對3種工況進行校核。

1)豎向調整時，下塔體直接作用于豎向千斤頂，千斤頂只承受豎向力。

2)水平調整時，水平千斤頂作用于下塔體，僅推力座作用于結構的水平方向力。

3)水平調整時，水平調整過程中受到的支撐板的阻力。

對3種工況分別進行有限元分析，獲得圖6所示應力云圖見圖6。3種工況最大應力統計結果見表3。結果表明，集成支墩結構在各個工況下是安全的。

圖6 應力云圖

表3 應力分析結果

3 碰撞分析

為防止下塔體結構在吊裝進入單點艙筒體過程中發生碰撞變形，在單點艙壁布置若干導向工裝并在下塔體本體對應位置安裝鋼制保護結構，使碰撞只發生在導向工裝木頭和保護結構之間，相對位置示意見圖7。為防止吊裝偏心導致下塔體自身傾斜過大，在下塔體加裝姿態儀控制塔體水平。當下轉塔傾斜大于1°時，下轉塔底部和頂部保護結構將同時緊貼木制導向，此時下轉塔本體與月池壁無碰撞。下塔體按最大傾斜度0.5°控制，下塔體與單點艙按整體建造公差0.1%變化考慮。結合下塔體吊裝下落過程，按照以上原則，對下塔體及保護結構、單點艙及其導向工裝木頭進行三維建模，選取6個極限工況進行碰撞分析，見表4。表內列出軸承支撐保護結構與導向木頭貼合的預設極端工況，偏轉后導向支撐結構無法接觸到單點艙壁，不會發生碰撞。

圖7 單點艙與下塔體相對位置示意

表4 極限工況下碰撞分析

4 模擬搭載

為進一步提升吊裝可靠性，降低不可預見因素影響，待單點艙與單點下塔體建造完工后，利用三維掃描技術，對其進行實體掃描，通過對點云數據預處理形成實際尺寸的三維模型，然后將進行兩者模擬搭載[5]，見圖8。通過三維掃描，可以獲得下塔體、單點艙不同標高處的圓心，進而獲得兩者的中心線，進行垂直度和同心度的分析。

圖8 點云模型

對單點艙中安裝的木質導向與下塔體進行間距分析，見圖9a)。止鏈器圓筒在集成時會出現干涉，需在集成時做傾斜度調整，如下塔體出現約5°左右旋轉，會與單點艙上的導向塊發生碰撞，見圖9b)。通過模擬搭載技術，將實際施工裝配中的問題暴露出來，提前整改。

圖9 模擬搭載分析

5 集成實施

在完成3個單體、導向工裝、集成支墩預制，開展碰撞校核、模擬搭載準備工作后，開始實施集成吊裝工作。集成工作還涉及止推裝置安裝、跑道調整、圓形風雨圍堰安裝、滑環安裝,以及多次旋轉實驗等工作。

5.1 下塔體集成

浮吊通過吊裝框架吊裝下轉塔，吊至單點艙口上方，下放下轉塔。激光測距儀安裝在下轉塔3個突出部位，姿態儀安裝在下轉塔頂部平面。在下轉塔吊裝過程中，實時測量下轉塔外沿至單點艙壁的距離和下轉塔的水平度。

5.1.1 下塔體就位

下塔體下放過程中，控制傾斜角度在0.5°之內，繼續下放下塔體進入集成支墩上的就位導向。為避免主軸承在下塔體重量由浮吊轉移至集成支墩過程中受沖擊損壞，在集成支墩底座上預先布置厚木板。下塔體進入集成支墩導向后，緩慢下落至木板上，轉移30%重量(約4 000 kN)重量給木頭。然后操作垂直液壓千斤頂，使垂直千斤頂伸展，直至活塞接觸到下塔體。浮吊緩慢釋放下塔體重量，將塔體重量轉移至3個垂直千斤頂上。完成重量轉移后，緩慢降下千斤頂活塞，直到下塔體結構全部坐落于集成支墩上，完成粗就位。

下塔體的精就位包含2個施工過程。

1)徑向對心調整過程：分別測量單點艙集成界面中軸線基準點、主軸承控制點，計算主軸承中心線與單點艙集成界面中軸線的偏差量[6]。啟動徑向千斤頂泵站，在需要頂推的方向推動該方向千斤頂上活塞，每一步推動的位移都需要進行測量記錄，根據結果調整移動方向。

2)水平標高調整過程：測量主軸承標高水平相對于單點艙基線標高水平偏差，確定軸向千斤頂的垂直頂推量。達到目標位移量，停止活塞的推進。測量主軸承水平和標高相對船體基線的偏差，偏差要控制在±2.5mm以內。完成調整后，進行集成板組對焊接工作。

5.1.2 集成板組對、焊接

集成板指單點艙界面圓與下塔體連接的一圈圓弧板，沿圓周分為多片，見圖10。下塔體精就位完成后，需測量單點艙界面圓與軸承支撐結構之間距離，作為切割集成板的基礎數據。集成板組對完成后開展焊接作業，先焊接縱縫，后焊接上下兩道環焊縫，環焊縫采用分段退焊的方式，多人沿同一方向對稱施焊。在焊接過程中，對軸承平面度、中心線進行定期監控，焊接順序根據監測數據進行調整。

圖10 下塔體集成板示意

5.2 管匯平臺集成

為準確定位管匯平臺，在管匯平臺頂層甲板邊緣做定位標記輔助線，在吊裝進入主甲板導向前，通過布置在主甲板的全站儀調整位置和朝向。管匯平臺落放到下塔體上后，以下塔體主軸承平面和中軸線為基準，測量滑環底座上表面標高以及相對主軸承同心度。根據測量數據，利用千斤頂將管匯平臺頂起，調整標高和水平。調整完畢后開始焊接，多名焊工對稱同步焊接，實時監測管匯平臺的標高和水平度。

5.3 塔架集成

管匯平臺吊裝完成后，進行塔架基座余量切割，基座余量的修剪須在管匯平臺集成后依據滑環底座水平標高確定。在塔架基座外圈安裝就位導向工裝，導向工裝與主腿間隙根據實際尺寸進行調整。根據計算，塔架吊起后主腿在自重作用下向內變形，變形量小于100 mm，頂部導向捕捉范圍設計為±300 mm。3個單體集成完成后測量報告見表5，軸承平臺與單點艙平臺同心度偏差為5 mm，3個單體同心度最大偏差為5 mm，滑環集成平臺同心度偏差為5 mm，滿足集成精度要求。

表5 單點集成同心度測量報告 mm

6 結論

通過對典型內轉塔單點結構分析，結合集成精度要求，明確集成原理，識別出集成的關鍵控制點，進行集成工裝設計，碰撞分析，模擬搭載并完成具體實施工作。單點集成工作是一個系統性的工作，需要從船體建造階段就籌劃，單點艙建造、單點制造、吊裝、精度控制等各項工作綜合考慮實施。通過使用三維掃描技術、碰撞校核、吊裝動態監控等新技術，為單點集成順利實施提供保障。