一種內(nèi)轉(zhuǎn)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(tǒng)(single point mooring system)中的內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點包含一個細(xì)長的圓筒形結(jié)構(gòu)物(下塔體)，下塔體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)物，內(nèi)部容納管線系統(tǒng)。塔架位于管匯平臺上部，內(nèi)部集成有滑環(huán)，滑環(huán)用于連接船體(旋轉(zhuǎn)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(huán)數(shù)達(dá)10個，懸掛數(shù)量達(dá)到19個，是目前國內(nèi)懸掛數(shù)量最多的單點系統(tǒng)，而且國內(nèi)首次應(yīng)用、集成此類型單點。

1 集成原理

根據(jù)單點結(jié)構(gòu)特點及浮吊吊裝能力，將內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系統(tǒng)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(huán)系統(tǒng)至塔架內(nèi)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(huán)支撐同心度為±7.5 mm，集成關(guān)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(xiàn)同軸旋轉(zhuǎn)，同時對軸承基板水平進(jìn)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(shè)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(shè)計專用導(dǎo)向工裝，保護(hù)本體結(jié)構(gòu)并輔助單體就位。為實現(xiàn)下塔體就位后的精調(diào)整，需要設(shè)計專用的集成支墩。

2.1 導(dǎo)向工裝設(shè)計

自主甲板單點艙口到筒體內(nèi)部界面圓下方，設(shè)置6道由上至下的連續(xù)導(dǎo)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(dǎo)向結(jié)構(gòu)見圖3，由木頭與H型鋼組成。使用ANSYS軟件對導(dǎo)向工裝進(jìn)行局部強度校核，利用Shell181單元模擬鋼板，導(dǎo)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(dǎo)向工裝，載荷布置見圖4[4]。

圖3 主甲板導(dǎo)向

圖4 導(dǎo)向載荷布置及應(yīng)力

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

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

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

對管匯平臺導(dǎo)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，結(jié)果見表3，應(yīng)力云圖見圖4，結(jié)果表明導(dǎo)向結(jié)構(gòu)有足夠的強度滿足單體吊裝。

表2 應(yīng)力分析結(jié)果

2.2 集成支墩設(shè)計

當(dāng)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(shè)計專用工裝完成精就位。在下塔體下方沿圓周方向設(shè)置3個集成支墩，將下塔體吊裝至單點艙內(nèi)，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(diào)節(jié)下塔體與單點艙的同心度，軸向千斤頂調(diào)節(jié)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(diào)整是獨立進(jìn)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(jìn)行校核。

1)豎向調(diào)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(diào)整時，水平千斤頂作用于下塔體，僅推力座作用于結(jié)構(gòu)的水平方向力。

3)水平調(diào)整時，水平調(diào)整過程中受到的支撐板的阻力。

對3種工況分別進(jìn)行有限元分析，獲得圖6所示應(yīng)力云圖見圖6。3種工況最大應(yīng)力統(tǒng)計結(jié)果見表3。結(jié)果表明，集成支墩結(jié)構(gòu)在各個工況下是安全的。

圖6 應(yīng)力云圖

表3 應(yīng)力分析結(jié)果

3 碰撞分析

為防止下塔體結(jié)構(gòu)在吊裝進(jìn)入單點艙筒體過程中發(fā)生碰撞變形，在單點艙壁布置若干導(dǎo)向工裝并在下塔體本體對應(yīng)位置安裝鋼制保護(hù)結(jié)構(gòu)，使碰撞只發(fā)生在導(dǎo)向工裝木頭和保護(hù)結(jié)構(gòu)之間，相對位置示意見圖7。為防止吊裝偏心導(dǎo)致下塔體自身傾斜過大，在下塔體加裝姿態(tài)儀控制塔體水平。當(dāng)下轉(zhuǎn)塔傾斜大于1°時，下轉(zhuǎn)塔底部和頂部保護(hù)結(jié)構(gòu)將同時緊貼木制導(dǎo)向，此時下轉(zhuǎn)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(jié)合下塔體吊裝下落過程，按照以上原則，對下塔體及保護(hù)結(jié)構(gòu)、單點艙及其導(dǎo)向工裝木頭進(jìn)行三維建模，選取6個極限工況進(jìn)行碰撞分析，見表4。表內(nèi)列出軸承支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)與導(dǎo)向木頭貼合的預(yù)設(shè)極端工況，偏轉(zhuǎn)后導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)無法接觸到單點艙壁，不會發(fā)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(jìn)一步提升吊裝可靠性，降低不可預(yù)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(shù)，對其進(jìn)行實體掃描，通過對點云數(shù)據(jù)預(yù)處理形成實際尺寸的三維模型，然后將進(jìn)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(biāo)高處的圓心，進(jìn)而獲得兩者的中心線，進(jìn)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(zhì)導(dǎo)向與下塔體進(jìn)行間距分析，見圖9a)。止鏈器圓筒在集成時會出現(xiàn)干涉，需在集成時做傾斜度調(diào)整，如下塔體出現(xiàn)約5°左右旋轉(zhuǎn)，會與單點艙上的導(dǎo)向塊發(fā)生碰撞，見圖9b)。通過模擬搭載技術(shù)，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(dǎo)向工裝、集成支墩預(yù)制，開展碰撞校核、模擬搭載準(zhǔn)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(diào)整、圓形風(fēng)雨圍堰安裝、滑環(huán)安裝,以及多次旋轉(zhuǎn)實驗等工作。

5.1 下塔體集成

浮吊通過吊裝框架吊裝下轉(zhuǎn)塔，吊至單點艙口上方，下放下轉(zhuǎn)塔。激光測距儀安裝在下轉(zhuǎn)塔3個突出部位，姿態(tài)儀安裝在下轉(zhuǎn)塔頂部平面。在下轉(zhuǎn)塔吊裝過程中，實時測量下轉(zhuǎn)塔外沿至單點艙壁的距離和下轉(zhuǎn)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(nèi)，繼續(xù)下放下塔體進(jìn)入集成支墩上的就位導(dǎo)向。為避免主軸承在下塔體重量由浮吊轉(zhuǎn)移至集成支墩過程中受沖擊損壞，在集成支墩底座上預(yù)先布置厚木板。下塔體進(jìn)入集成支墩導(dǎo)向后，緩慢下落至木板上，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移至3個垂直千斤頂上。完成重量轉(zhuǎn)移后，緩慢降下千斤頂活塞，直到下塔體結(jié)構(gòu)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?qū)π恼{(diào)整過程：分別測量單點艙集成界面中軸線基準(zhǔn)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(jìn)行測量記錄，根據(jù)結(jié)果調(diào)整移動方向。

2)水平標(biāo)高調(diào)整過程：測量主軸承標(biāo)高水平相對于單點艙基線標(biāo)高水平偏差，確定軸向千斤頂?shù)拇怪表斖屏?。達(dá)到目標(biāo)位移量，停止活塞的推進(jìn)。測量主軸承水平和標(biāo)高相對船體基線的偏差，偏差要控制在±2.5mm以內(nèi)。完成調(diào)整后，進(jìn)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(jié)構(gòu)之間距離，作為切割集成板的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。集成板組對完成后開展焊接作業(yè)，先焊接縱縫，后焊接上下兩道環(huán)焊縫，環(huán)焊縫采用分段退焊的方式，多人沿同一方向?qū)ΨQ施焊。在焊接過程中，對軸承平面度、中心線進(jìn)行定期監(jiān)控，焊接順序根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

圖10 下塔體集成板示意

5.2 管匯平臺集成

為準(zhǔn)確定位管匯平臺，在管匯平臺頂層甲板邊緣做定位標(biāo)記輔助線，在吊裝進(jìn)入主甲板導(dǎo)向前，通過布置在主甲板的全站儀調(diào)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(zhǔn)，測量滑環(huán)底座上表面標(biāo)高以及相對主軸承同心度。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，利用千斤頂將管匯平臺頂起，調(diào)整標(biāo)高和水平。調(diào)整完畢后開始焊接，多名焊工對稱同步焊接，實時監(jiān)測管匯平臺的標(biāo)高和水平度。

5.3 塔架集成

管匯平臺吊裝完成后，進(jìn)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(jù)滑環(huán)底座水平標(biāo)高確定。在塔架基座外圈安裝就位導(dǎo)向工裝，導(dǎo)向工裝與主腿間隙根據(jù)實際尺寸進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)計算，塔架吊起后主腿在自重作用下向內(nèi)變形，變形量小于100 mm，頂部導(dǎo)向捕捉范圍設(shè)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(huán)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(jié)論

通過對典型內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合集成精度要求，明確集成原理，識別出集成的關(guān)鍵控制點，進(jìn)行集成工裝設(shè)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(tǒng)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(shù)、碰撞校核、吊裝動態(tài)監(jiān)控等新技術(shù)，為單點集成順利實施提供保障。