FPSO船體建造工藝與應(yīng)用

石 亮， 劉傳輝， 孔 強， 齊金龍

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引 言

浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)兼有生產(chǎn)、儲油、卸油的功能，通過系泊系統(tǒng)固定，在風、浪、流環(huán)境載荷作用下，繞單點系泊裝置作圓周運動。南海區(qū)域布置的FPSO多采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊使其隨風、流方向轉(zhuǎn)動，外表呈“船體”形狀，其整體結(jié)構(gòu)與大型油船相似[1]。雖然FPSO與船型結(jié)構(gòu)類似，但由于其功能的不同，對主船體甲板、模塊支墩、單點艙等結(jié)構(gòu)提出新的要求，需要在陸地建造過程中進行工藝分析、優(yōu)化，確保實現(xiàn)設(shè)計功能。

1 船體分段劃分

典型FPSO布置如圖1所示，其整體結(jié)構(gòu)與大型油船相似，有較長平行中體。船廠普遍采用的建造方式是平行中體分段在平面流水線建造，艏艉部分段在曲面車間建造，分段總組在總組場地完成，主船體的吊裝合龍在船塢進行。

圖1 典型FPSO布置

FPSO船體主甲板上部需要布置大量油氣處理模塊，常規(guī)的分段劃分方式已不再完全適用。合龍分段縫除需要考慮結(jié)構(gòu)自身特點外，同時應(yīng)結(jié)合詳細設(shè)計階段貨艙區(qū)有限元分析結(jié)果綜合考慮。在合龍時這些位置對于船體結(jié)構(gòu)強度存在不利的影響，盡可能將分段劃分遠離高應(yīng)力區(qū)域[2]。典型橫艙壁分段劃分如圖2所示。斷縫處有限元復(fù)核結(jié)果如表1所示，結(jié)合表1數(shù)據(jù)，對最大應(yīng)力與許用應(yīng)力的比值較大的分段縫進行優(yōu)化。另外，為提高模塊支墩在分段上的安裝精度，甲板分段按照單個模塊支墩的范圍進行劃分，避免同一個模塊支墩在不同分段或總段上。

圖2 分段劃分示例

表1 分段縫處應(yīng)力校核

2 塢墩布置設(shè)計

FPSO船體貨油艙區(qū)域、艉部機艙區(qū)域布墩設(shè)計與常規(guī)油船一致，在船中線上布置中墩，其余位置布置邊墩，以塢墩中心定位，橫向布置在肋板強框位置上。單點集成精度要求高，對單點艙區(qū)域的建造水平要求為±5 mm。為控制單點艙在建造階段的沉降，此區(qū)域采用混合布墩工藝，鋼墩、木墩混合擺放，如圖3所示。單點區(qū)域除云霧線標記的塢墩使用鋼質(zhì)墩外，其余均使用木質(zhì)塢墩。鋼墩可控制分段下沉量，木墩可減少硬接觸引起的船底結(jié)構(gòu)變形。單點區(qū)域重量集中，塢墩布置須結(jié)合塢底承載力進行適當加密，以滿足承載要求。為減少塢墩沉降不均造成的偏差，對單個塢墩受力較大的區(qū)域應(yīng)適當加密，盡可能使其均衡受力[3]。

圖3 單點艙區(qū)域塢墩布置

單點艙周邊塢墩在擺放時應(yīng)由內(nèi)向外擺放，確保每個塢墩均能順利放置到位，避免擺放順序不合理而倒墩。在進塢前須消除縱、橫傾，塢墩位置準確并保證頂面水平。應(yīng)檢查墩木之間、墩木與水泥墩之間是否存在間隙，如有間隙，應(yīng)根據(jù)間隙狀態(tài)調(diào)整實際布墩高度。

3 單點艙建造

船體通過單點艙結(jié)構(gòu)與單點系泊裝置連接，船體圍繞單點系泊裝置隨風向轉(zhuǎn)動，使船舶能夠被動地接受風力，形成風向標效應(yīng)。單點艙結(jié)構(gòu)主要受單點系泊裝置的影響，適用于內(nèi)轉(zhuǎn)塔式的單點艙一般被設(shè)計為內(nèi)部圓形結(jié)構(gòu)，周邊布置若干輻射筋板進行加強。

3.1 單點艙結(jié)構(gòu)分析

為保證單點艙建造滿足使用要求，重點在于控制單點艙與單點系泊裝置界面位置處的精度，當單點系泊裝置集成后能夠使船體在規(guī)定力矩下360°旋轉(zhuǎn)時，在過程中不存在較大應(yīng)力[4]。單點艙三維示例如圖4所示。將圓筒與單點艙周邊輻射加強結(jié)構(gòu)分離出來，兩部分結(jié)構(gòu)分別建造，建造完成再進行裝配。依據(jù)建造廠設(shè)備能力及單點艙自身結(jié)構(gòu)特點，將單點艙在高度方向上分為3個分段進行建造，然后進行塢內(nèi)合龍。

圖4 單點艙三維示例

3.2 建造關(guān)鍵點控制

為充分保證單點艙筒體的圓度及界面圓處的平面度，將月池筒體結(jié)構(gòu)與月池周邊加強結(jié)構(gòu)進行單獨預(yù)制。圓筒結(jié)構(gòu)直徑達18 m，需要多張圓弧板拼接完成，制作專用檢驗樣板，使用樣板檢查圓弧圓度。通過胎架上的限位裝置調(diào)節(jié)圓弧板片與地線的對位，利用花籃螺栓調(diào)節(jié)圓弧板片的垂直度。圓弧板組立如圖5所示。依次吊裝剩余的圓弧板片，對合完畢使用馬板封固并加放圓弧板的焊接收縮量[5]。

圖5 圓弧板組立

界面圓所在圓環(huán)須在下層圓環(huán)完成焊接后使用專用圓環(huán)吊排進行吊裝。圓筒裝配如圖6所示。通過吊線錘檢查地線對位，并確定圓環(huán)的垂直度。通過在界面圓下設(shè)置穩(wěn)固的支撐，保證界面圓環(huán)下口的水平度，在定位時測量界面圓環(huán)下口水平高度值。在焊接過程中重點監(jiān)控圓筒圓度、垂直度及界面圓環(huán)下口水平高度的變化，如發(fā)現(xiàn)超差應(yīng)及時調(diào)節(jié)焊接參數(shù)及焊接順序。

圖6 界面圓筒裝配

分段采用同胎建造，使用全站儀與樣板配合的方式保證地線勘劃的準確性。待圓環(huán)結(jié)構(gòu)與扇形分段分別預(yù)制完成，以圓環(huán)裝配成圓筒，然后以圓筒為基準加裝周圍結(jié)構(gòu)及其他散件，完成焊接后即形成完整分段。裝配流程如圖7所示。界面圓所在分段合龍前在內(nèi)側(cè)理論高度位置設(shè)置水平標記，測量這些標記確定中間分段的定位高度，高度定位應(yīng)按正公差控制[6]。測量監(jiān)控界面圓下端面的不圓度、界面圓周長，分段定位結(jié)束應(yīng)持續(xù)監(jiān)控下端口的水平度和高度狀態(tài)(見圖8)，以保證精度偏差始終滿足要求。

圖7 分段裝配流程

圖8 界面圓高度監(jiān)控

3.3 單點艙精度分析

單點艙3個分段合龍完成，對界面圓下端口水平度和高度進行復(fù)核。高度及不圓度測量結(jié)果如表2所示。3個分段合龍除保證船長方向與寬度方向的定位外，還須通過吊線錘檢驗整個圓筒的垂直度，同時兼顧頂部、中間、底部等3個分段圓筒的同心度。同心度測量如表3所示。界面圓平均高度差為-1 mm，不圓度、圓筒同心度偏差小于3 mm，均在精度要求范圍內(nèi)。

表2 界面圓標高與不圓度測量

表3 單點艙同心度 mm

4 模塊支墩建造

4.1 支墩結(jié)構(gòu)特點分析

模塊支墩是FPSO主船體與上部模塊的連接結(jié)構(gòu)，是承受上部模塊重量的重要支撐結(jié)構(gòu)[7]，如圖9所示。FPSO按功能一般布置10～15個模塊，每個模塊布置4～6個模塊支墩。支墩精度要求如表4所示。主甲板分段雖然在預(yù)制階段采取控制措施提高精度，但在塢內(nèi)合龍階段仍不可避免地存在累計誤差，甲板面高度差可達20 mm。如果按照常規(guī)方式，模塊支墩先預(yù)制完成，然后在主甲板上安裝定位，易造成大量的修口作業(yè)。

圖9 模塊支墩示例

表4 模塊支墩精度要求 mm

4.2 建造工藝優(yōu)化

為充分消除FPSO甲板分段施工造成的累積誤差，采取轉(zhuǎn)序施工的方式，待主甲板分段在塢內(nèi)合龍、完成焊接后，利用全站儀采集主甲板分段實際數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)對模塊支墩進行放樣，以此獲得模塊支墩實際下料數(shù)據(jù)，然后再進行各支墩的預(yù)制工作。從鋼材下料、預(yù)制到合龍安裝各階段均采取專門工藝控制精度，可有效避免結(jié)構(gòu)超差[8]。分組控制模塊支墩精度，模塊支墩的各工序控制點如表5所示，模塊支墩制作如圖10所示。

表5 模塊支墩工序控制點

圖10 支墩制作

5 船體合龍

FPSO船體在合龍前應(yīng)根據(jù)總段、分段劃分形式勘劃塢內(nèi)合龍基線，作為船體合龍的基準。在合龍過程中以雙層底段為合龍基準段，由船體底板向甲板、船中向兩側(cè)和艏艉合龍。在所有分段完成合龍后需要對主尺度進行復(fù)核，確認滿足規(guī)范要求[9]，同時需要進行船底“望光”試驗，通過測量船底龍骨的水平確定船底基線，從而確定船體的六面水尺基準。表6為某FPSO船體建造完工的主尺度測量數(shù)據(jù)，可確認船體主尺度滿足要求。

表6 某FPSO船體主尺度測量數(shù)據(jù) mm

6 結(jié) 語

通過對FPSO船體結(jié)構(gòu)特點進行分析，識別與常規(guī)船舶建造的不同點，結(jié)合FPSO的建造技術(shù)要求，從船體分段、布墩設(shè)計、單點艙建造、模塊支墩建造展開進行策劃，提出的工藝措施切實可行。單點艙、模塊支墩均可滿足建造精度要求，此工藝可為后續(xù)類似海洋結(jié)構(gòu)的建造提供參考。