FPSO船體建造工藝與應用

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

浮式生產儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，FPSO)兼有生產、儲油、卸油的功能，通過系泊系統固定，在風、浪、流環境載荷作用下，繞單點系泊裝置作圓周運動。南海區域布置的FPSO多采用內轉塔式系泊使其隨風、流方向轉動，外表呈“船體”形狀，其整體結構與大型油船相似[1]。雖然FPSO與船型結構類似，但由于其功能的不同，對主船體甲板、模塊支墩、單點艙等結構提出新的要求，需要在陸地建造過程中進行工藝分析、優化，確保實現設計功能。

1 船體分段劃分

典型FPSO布置如圖1所示，其整體結構與大型油船相似，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構自身特點外，同時應結合詳細設計階段貨艙區有限元分析結果綜合考慮。在合龍時這些位置對于船體結構強度存在不利的影響，盡可能將分段劃分遠離高應力區域[2]。典型橫艙壁分段劃分如圖2所示。斷縫處有限元復核結果如表1所示，結合表1數據，對最大應力與許用應力的比值較大的分段縫進行優化。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 分段縫處應力校核

2 塢墩布置設計

FPSO船體貨油艙區域、艉部機艙區域布墩設計與常規油船一致，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。單點區域除云霧線標記的塢墩使用鋼質墩外，其余均使用木質塢墩。鋼墩可控制分段下沉量，木墩可減少硬接觸引起的船底結構變形。單點區域重量集中，塢墩布置須結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域應適當加密，盡可能使其均衡受力[3]。

圖3 單點艙區域塢墩布置

單點艙周邊塢墩在擺放時應由內向外擺放，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，應根據間隙狀態調整實際布墩高度。

3 單點艙建造

船體通過單點艙結構與單點系泊裝置連接，船體圍繞單點系泊裝置隨風向轉動，使船舶能夠被動地接受風力，形成風向標效應。單點艙結構主要受單點系泊裝置的影響，適用于內轉塔式的單點艙一般被設計為內部圓形結構，周邊布置若干輻射筋板進行加強。

3.1 單點艙結構分析

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定力矩下360°旋轉時，在過程中不存在較大應力[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構分離出來，兩部分結構分別建造，建造完成再進行裝配。依據建造廠設備能力及單點艙自身結構特點，將單點艙在高度方向上分為3個分段進行建造，然后進行塢內合龍。

圖4 單點艙三維示例

3.2 建造關鍵點控制

為充分保證單點艙筒體的圓度及界面圓處的平面度，將月池筒體結構與月池周邊加強結構進行單獨預制。圓筒結構直徑達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節圓弧板片與地線的對位，利用花籃螺栓調節圓弧板片的垂直度。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

界面圓所在圓環須在下層圓環完成焊接后使用專用圓環吊排進行吊裝。圓筒裝配如圖6所示。通過吊線錘檢查地線對位，并確定圓環的垂直度。通過在界面圓下設置穩固的支撐，保證界面圓環下口的水平度，在定位時測量界面圓環下口水平高度值。在焊接過程中重點監控圓筒圓度、垂直度及界面圓環下口水平高度的變化，如發現超差應及時調節焊接參數及焊接順序。

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。待圓環結構與扇形分段分別預制完成，以圓環裝配成圓筒，然后以圓筒為基準加裝周圍結構及其他散件，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側理論高度位置設置水平標記，測量這些標記確定中間分段的定位高度，高度定位應按正公差控制[6]。測量監控界面圓下端面的不圓度、界面圓周長，分段定位結束應持續監控下端口的水平度和高度狀態(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核。高度及不圓度測量結果如表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。

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 支墩結構特點分析

模塊支墩是FPSO主船體與上部模塊的連接結構，是承受上部模塊重量的重要支撐結構[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制階段采取控制措施提高精度，但在塢內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。如果按照常規方式，模塊支墩先預制完成，然后在主甲板上安裝定位，易造成大量的修口作業。

圖9 模塊支墩示例

表4 模塊支墩精度要求 mm

4.2 建造工藝優化

為充分消除FPSO甲板分段施工造成的累積誤差，采取轉序施工的方式，待主甲板分段在塢內合龍、完成焊接后，利用全站儀采集主甲板分段實際數據。根據這些數據對模塊支墩進行放樣，以此獲得模塊支墩實際下料數據，然后再進行各支墩的預制工作。從鋼材下料、預制到合龍安裝各階段均采取專門工藝控制精度，可有效避免結構超差[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船體在合龍前應根據總段、分段劃分形式勘劃塢內合龍基線，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、船中向兩側和艏艉合龍。在所有分段完成合龍后需要對主尺度進行復核，確認滿足規范要求[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據，可確認船體主尺度滿足要求。

表6 某FPSO船體主尺度測量數據 mm

6 結 語

通過對FPSO船體結構特點進行分析，識別與常規船舶建造的不同點，結合FPSO的建造技術要求，從船體分段、布墩設計、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，此工藝可為后續類似海洋結構的建造提供參考。