內轉塔單點系泊系統下塔體集成施工工藝

翟桂森,王金源

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

內轉塔單點系泊系統因適應水深范圍交廣、結構可靠性較高，已經有近20年的使用歷史，但是關鍵技術并未公開[1]。南海某FPSO內轉塔系泊系統是一套具有世界先進水平船體集成型(SIT)大型內轉塔單點系泊系統，這是我國首次建造集成的世界上技術最復雜、集成精度最高的單點系泊系統之一，在世界范圍內僅有4例應用，施工難度極高[2]。內轉塔單點系泊系統總質量約為2 700 t，工作量是國內其他類型單點系統的3～4倍，分為下塔體、管匯平臺和塔架3大部分，在陸地建造分別完成后吊裝至船體月池內完成合攏集成。其中下塔體作為內轉塔與船體的主要連接結構，能否完成精準就位時內轉塔系泊系統集成施工的關鍵。本文以下塔體集成為研究對象，總結下塔體集成板的組對和焊接過程，闡述下塔體如何完成精準就位，重點介紹如何完成下塔體集成板的集成相關結構建造狀態分析、組對前準備、組對施工和焊接過程控制方法。

1 下塔體集成結構概述

1.1 下塔體集成結構形式

內轉塔單點系統的一個重要功能就是可以通過實現風向標效應，使FPSO在風荷載的作用下繞系泊和立管系統自由旋轉，而環境荷載主要由下塔體部分負責轉移消除。下塔體在結構中起到至關重要的作用，其結構質量約1 100 t，集成時使用大型浮吊吊裝到船體17 m直徑的月池中，吊裝過程通過月池上部和內部導向結構輔助就位，通過底部3套支撐底座及千斤頂系統完成精準就位，最后同于預留結構完成連接，此連接結構稱為集成板。

集成板作為內轉塔單點系統和船體唯一一處連接結構，是集成施工的最重要、關鍵結構。

集成板厚度為50 mm，為高度994 mm、斜長1 050 mm的錐形結構，通過焊接形式完成連接。集成板為下塔體就位后安裝，集成板的預留為下塔體順利吊裝至船體月池內就位預留了空間，集成板位置示意于圖1。

圖1 下塔體結構及集成板位置示意

1.2 下塔體集成技術要求

了解和掌握集成相關各技術要求，可控制建造精度和降低集成難度。

1)下塔體和船體建造階段。下塔體上表面對接口平整度為±5 mm，不圓度公差(直徑)為±6 mm，周長公差為±8 mm。

船體月池對接口標高相對于船體龍骨平面的高度公差要求為±5 mm，平整度要求相對于船體龍骨平面為±2.5 mm，不圓度公差(直徑)為±6 mm。

2)下塔體集成后。下塔體就位后主軸承旋轉直徑與月池同心度為±2.5 mm。

下塔體軸承鑄件機加工表面相對船體龍骨地面的相對標高公差為±2.5 mm；

集成板與月池和下塔體對接錯皮為±4 mm。

集成板底部端面周長公差為±8 mm，不圓度公差為±6 mm。

集成板頂部端面，周長公差為±10 mm，界面不圓度公差(直徑)±12.5 mm。

2 下塔體集成板組對準備及組對

鋼結構在建造過程均會出現誤差，在大多情況下，誤差均在可控制的允許范圍之內，但對于多個結構組成整體時會出現誤差累計后超出允許范圍[3]。下塔體集成板即為連接下塔體和船體月池結構，而下塔體對接口、船體月池對接口和集成板建造誤差直接影響集成板組對效率。

2.1 集成相關結構建造狀態

2.1.1 下塔體對接口

下塔體對接口結構的厚度為25 mm，高度為4.7 m的錐形結構，上口徑為約為16.3 m的錐形結構。

因其結構尺寸大，板材厚度較薄，建造過程極容易出現焊接變型，通過增加臨時加強結構和嚴格按焊接程序進行控制。本項目在現場建造結束時在內側增加4道加強環，但加強環并不是整圈且要求全熔透焊，出現了受力不均勻和焊接熱收縮量大，雖然采取了增加補強結構和減低焊接速度，但最后還是出現橢圓度嚴重超差，半徑最大超差處達到25 mm。

2.1.2 船體月池對接口

船體月池壁結構為厚度50 mm。直徑17 m的圓形結構，與船體一起建造完成，建造過程做到了精準控制，不圓度公差控制在要求范圍內。

為避免船體從船廠轉移到集成場地出現變形，月池對接口建造過程預留了50 mm的余量，并在船體最終就位后進行重新尺寸測量和余量切割。余量切割時采用分段對稱切割，避免連續切割熱收縮后變形，切割后水平度和不圓度均滿足公差要求。

2.1.3 集成板加工

集成板厚度為50 mm，根據設備加工能力和便于現場施工，集成板分為12等份。其橢圓度等精度受設備的能力影響，經過多次調整，公差均滿足要求。

2.1.4 建造狀態數據分析

集成相關結構建造數據中，僅下塔體對接口超差，且偏差較大，而月池對接口和集成板尺寸滿足公差要求。如仍按理論的錯皮、圓度和直線度等要求進行集成板組對，現場施工難度非常大。

2.1.5 施工準備

1)根據下塔體變形情況對集成板進行二次加工。

2)調整對接口坡口形式。

3)取消集成板安裝后的不圓度和直線度控制，僅在施工后完成測量做記錄。

2.2 集成板組對前準備

充分的準備工作可很大程度提升現場施工效率，減少施工過程中突發情況。根據集成相關結構建造數據和調整方案，進行集成板二次加工、集成板坡口調整和坡口重新切割等組對前的準備。

1)集成板二次機加工。通過對下塔體對接口偏差量計算出每塊集成板需要的調整量，同時根據設備的加工能力，確定使每塊集成板的實際調整量。受設備能力限制，集成板與下塔體對接口只能做到盡量接近。為確保調整后尺寸精度，使用數控切割PL8 mm的樣板進行校核。

2)集成板坡口調整。原設計的坡口形式對于現場組對和變形后錯皮調整等均無法完成，如圖2a)，根據坡口調整方案，將集成板上下對接口均進行了調整[4]，形式如圖2b)。其中集成板下口的坡口調整為根據下塔體對接口變形量的平均值和考慮坡口和過渡已在建造期間完成切割[5]。

圖2 集成板坡口形式更改示意

3)坡口切割。集成板高度需要根據下塔體及時就位確定，集成板在加工階段預留了50 mm的余量。集成階段需要的切割坡口的位置為集成板上口坡口切割和下口坡口更改。

常規坡口切割為使用磁力小車，磁力小車僅能走直線，但是集成板坡口為橢圓弧型，因此常規磁力小車無法切割。如使用手工切割，切割質量無法保證，且效率很低。半自動焊接小車有柔性軌道，可匹配結構件弧度，現場將焊接小車改造為半自動切割小車，見圖3。通過半自動化的切割，很大程度提高了切割精度和切割質量。

圖3 改造后的切割小車

2.3 集成板組對

在各項準備工作完成后，集成板通過吊機逐塊進行吊裝和組對，見圖4。

圖4 集成板吊裝組對現場

經對測量數據計算，下塔體對接口雖有局部最大偏下25 mm，平均半徑比理論半徑小4 mm，組對錯皮公差要求為±4 mm，經過調整可實現集成板組對滿足公差要求。

組對時優先組對超差最大點對側的桿件，并往兩側對稱逐塊組對。在進行集成板組對時，先組對集成板上口，即組對與月池壁的對接口，然后組對與下塔體對接口，在組對過程對上下口偏差進行補償調整。考慮下塔體對接口較理論尺寸偏小量，集成板下口較理論半徑小2～3 mm。

2.4 組對檢驗

組對完成焊接前需進行檢驗，以確保組對尺寸控制準確，同時施工思路及現場實際與檢驗標準一致才能有利于推動現場施工。

因未制訂統一定標準，在初期報檢對集成板上口就位測量時，使用樣板進行測量，但因月池壁直線度影響，無法測量。更改為用鋼板尺從集成板往上頂，測量頂點與月池壁板邊緣的距離，理論偏差4 mm以內即滿足要求。

3 下塔體集成板焊接

鋼結構在焊接過程，焊接變形和應力作為基本的力學相應將不可避免地產生，焊接變形會對焊接結構的精度、強度性能等產生很多影響，需要嚴格做好預防和控制[6]。

下塔體中重要的結構軸承鑄件機加工表面相對船體龍骨地面的相對標高公差(±2.5 mm)，同時集成板上口對接口板材厚度為50 mm，焊接量很大，如集成板在焊接過程不嚴格控制，會造成軸承面相對定位超差，嚴重時會導致整個系統無法正常工作。

合理的焊接程度、焊接順序和關鍵過程控制能夠有效控制焊接的負面影響，焊接程序是經過多年的積累和實驗驗證編制，現場可通過焊接順序和關鍵過程控制達到焊接過程控制[7]。

3.1 焊接順序

集成板焊道可根據結構位置分為3道焊道：12塊集成板之間的焊道，為縱縫；集成板與月池對接縫，為上環縫；集成板與下塔體對接焊道，為下環縫。各焊道的焊接順序為：縱縫→上環縫→下環縫，見圖5。

圖5 各焊道及焊接順序示意

各焊道焊接要求如下：

1)縱縫焊接。12件集成板組對后共有12道縱縫，首先由6名焊工間隔焊接6條焊縫，即間隔一道焊縫焊接一道。然后4名焊工焊接4道焊縫(預留對稱2道)，最后由4名焊工焊接剩余2道焊縫，如圖5中編號順序。

2)上環縫焊接。上環縫對接桿件厚度均為50 mm，焊道長度約為53 m，采用分段退焊。為控制均勻變形，由8名焊工按順序對稱焊接，這8名焊工平均分布在焊縫圓周上，同時沿順時針方向焊接，并在焊接過程監控焊接收縮量。對接坡口厚度比分別為1/3和2/3，焊接時先焊接2/3厚度一側，完成打底和填充后，在1/3側完成氣刨、打底、填充和蓋面，最后在完成2/3側蓋面。

3)下環縫焊接。在下環縫焊接前，需要移除下環縫的臨時固定結構，以釋放上環縫的焊接應力，然后將下環縫重新組對固定，并完成報檢后進行焊接。下環縫焊接順序與上環縫要求一致，由8名焊工均勻分布、分段退焊。下環縫最后焊接的原因為下塔體桿件厚度為25 mm，厚度較薄所以焊接應力較小。

3.2 焊接關鍵點控制

1)上環縫焊接過程監控，嚴格控制焊接收縮量。現場實際監控過程，按每隔1 m左右設置一個監控點，每完成兩邊焊接進行一次測量，可間隔點測量；但在完成打底、填充1/3、填充1/2、填充2/3和焊接完成等4個主要階段后，需要全部測量。焊接測量的目的一是約束電焊工嚴格按焊接程序焊接，控制焊接速度；二是減少焊接收縮，控制熱輸入，避免產生大應力變形導致同心度超差。根據過程監控數據調整焊接速度和焊接參數，最大限度減少焊接收縮，最終測量焊接收縮量在2 mm左右，控制有效。

2)上環縫焊接應力釋放。上環縫焊接接收后需要打開下環縫以釋放焊接應力，但打開下環縫釋放應力時，如果將直接將臨時固定打開，集成板必然會在自身內應力和焊接應力的作用下發生變型，那么集成板與下塔體對接口需要重新組對，將大大增加施工工作量;而且，會因集成板厚度太厚而使調整工作量非常大。

現場通過在下環縫采用2個馬排加鋼楔塊的形式進行應力釋放和限制，詳見圖6，并綜合考慮固定強度和焊接空間，臨時固定間距在1 m左右，并根據實際結構變形量較大位置減小間距。2個馬排限制最接結構錯皮變化，且因馬排間無連接固定，可在長度方向自有活動，從而實現應力釋放，然后通過楔塊完成錯皮調整。為確保施工進度和精度，所有馬排等輔助用料均由數控排版下料。

圖6 應力釋放結構

3)預熱及防雨。預熱原則上應采用電阻加熱片。由于空間受限，如果整圈布置加熱設備和加熱片是不現實的，可接受使用火焰預熱或輔助預熱，為了減少總體熱輸入，最小預熱溫度不小于70 ℃。

使用火焰預熱時，預熱應在焊接操作開始側的坡口對面進行，預熱溫度應在焊接側測量，最大層間溫度不超過250 ℃。

集成板位置上部為開放空間，且尺寸較大，在焊接過程需要提前做好防雨準備工作。現場采用在船甲板從船體向下塔體中間結構延伸覆蓋帆布的形式，確保雨水不對集成板焊接造成影響。

4)環縱縫T型焊接接頭處理。縱縫與上下環縫交叉處100 mm范圍內，蓋面焊接應磨平，并在環縫焊接完成后對此T型焊接接頭位置打磨光滑，然后進行100%VI、MT和UT檢驗，確保焊接質量。