大型半潛式平臺組塊建造精度控制工藝

王 娟鄭茂堯張子良宋廣興張 磊

(海洋石油工程(青島)有限公司,青島 266555)

0 引 言

隨著國家海洋開發腳步的加快,半潛式平臺逐漸代替固定式平臺成為海上油氣開發的主體。半潛式生產平臺的安裝有船塢合攏和浮托安裝2種方式。“深海一號”能源站組塊考慮到結構形式等因素,最終采用泰山吊吊裝合攏。船體和組塊能否進行精確合攏,對組塊的建造精度提出了前所未有的要求。

“深海一號”能源站組塊具有跨距大、精度高的特點,與船體之間通過插尖對接的方式合攏。為了滿足插尖對位的要求,組塊的建造精度要求非常高,包括卷管精度、導向塊定位精度、立柱定位精度等。以“深海一號”能源站組塊為例,僅僅立柱定位一項就比固定式海洋平臺組塊約提高精度50%。如何高質量高精度地完成組塊的建造是開發氣田的一項關鍵任務。

1 平臺合攏形式

“深海一號”能源站組塊整體完工后,用泊船運輸到船塢內,用吊機完成整體吊裝合攏。組塊和船體之間通過插尖進行合攏,組塊的跨距較大,主結構尺度為91.5 m×49.5 m。組塊和船體對接時,僅有8根立柱與船體連接,并傳遞大部分荷載(4根主立柱,4根次立柱)(見圖1～圖3)。

圖1 組塊和船體合攏示意圖Fig.1 Schematic diagram of integration of block and hull

圖2 船體插尖示意圖Fig.2 Schematic diagram of hull spigot

圖3 組塊節點示意圖Fig.3 Diagram of node of assembly block

2 平臺公差要求

“深海一號”能源站組塊由于疲勞的影響,為降低應力集中系數,在建造過程中,對組塊的建造精度要求非常高。部分關鍵的總裝公差要求[1]如下(見圖4和圖5):

圖4 組塊總裝公差[2]Fig.4 Assembly tolerance of assembly block

圖5 組塊最終測量結果Fig.5 Final measurement results of assembly block

(1)主立柱間距公差不超過±10 mm。

(2)主立柱和次立柱之間的距離公差不超過±6 mm。

(3)主立柱對角線距離公差不超過±13 mm。

(4)主立柱和次立柱的對角線距離公差不超過±6 mm。

與國內固定式平臺組塊相比,“深海一號”能源站平臺在主要的建造公差要求上較嚴格。與同級別組塊相比,立柱公差嚴格接近一半,特別是與船體連接的8個位置,是同類產品中最嚴的精度要求之一。

因此在組塊的建造及總裝方案中,需要重點關注建造精度的要求,制訂合理的建造和總裝方案,采取必要的管理措施確保組塊精度符合要求(見表1)。

表1 組塊建造精度對比Tab.1 Comparison of construction accuracy of assembly block

3 精度控制施工方案

3.1 組塊立柱節點施工方案

半潛式平臺上部組塊8個立柱中的4個主立柱壁厚為90 mm,管徑為2 600 mm。立柱內部焊接復雜內部加強結構,同時立柱低端焊接機加工鑄件作為導向塊,保證與船體精確地合攏。在這個過程中,立柱本身的建造公差和鑄件的精確度就位是精度控制比較關鍵的2個因素(見圖6和圖7)。

圖6 船體與組塊連接圖[3]Fig.6 Connection diagram between hull and assembly block

圖7 組塊立柱內部結構Fig.7 Internal structure of the column of assembly block

3.1.1 組塊立柱自身精度工藝

在此背景下,在上部組塊主立柱圖紙中對卷制公差提出了更嚴格的要求:

卷制管外周長的誤差不超過1%或者12.7 mm,兩者取小值。

對于與船體接觸的生產甲板立柱(4處),卷管內周長與理論值之間不能大于±6 mm。

對于與船體連接的4處立柱的交界面處(與船體的交界局部),沿圓周方向上任意一點的內徑與理論值之間不能大于±2 mm。

對于管徑為2 600 mm、壁厚90 mm 的鋼管,此項要求已經比較嚴苛了。在此嚴苛公差的基礎上,立柱內部有比較復雜的加強筋板,加強板的安裝順序是維持立柱公差的關鍵性因素。立柱節點安裝順序:

步驟一:施工卷制立柱和大小口。

板材過厚或者屈服強度過高會導致壓邊困難,經過實驗逐漸增大上滾輪的壓力,利用卷管機的限位避免板材出現縱向的偏離。制作60°內弧檢測樣板。

縱縫的根部間隙應使用夾裝工具進行調整并用定位焊固定,每段定位焊長度應不小于50 mm,同時應滿足焊接程序的要求。根據API SPEC.2B和組對檢驗程序,利用內弧檢測樣板和直尺進行裝配檢驗。卷制管的縱縫使用引弧和熄弧板,弧板長100 mm,坡口、板厚和曲度與鋼管一致(見圖8)。

圖8 鋼板卷制Fig.8 Plate rolling

步驟二:切割立柱內筋板。

立柱內筋板采用數控切割機下料,根據板厚設置好縫線值(見圖9)。

圖9 內筋板切割Fig.9 Internal stffener

步驟三:焊接工序。

按照“安裝下端環板→接長立柱→安裝加強筋板→安裝上端環板→連接大小口→焊接上端立柱焊接”順序對整個立柱的公差的控制至關重要,要保證同時對稱實施焊接,焊接要嚴格按照焊接工藝進行預熱和焊后熱處理(見圖10)。

圖10 立柱節點施工工序Fig.10 Construction process of the node of the column

3.1.2 組塊內部鑄件定位精度工藝

4個主立柱內部鑄件全部由胎膜繼續鑄造完成后,安裝到立柱底部,隨時對測量監測點的焊后測量尺寸進行整理,同時與理論尺寸進行比對(見圖11、圖12和表2)。

表2 鑄件間距測量表Tab.2 Measurement of casting spacing

圖11 立柱內部鑄件示意圖Fig.11 Schematic diagram of internal casting of column

圖12 鑄件定位監測點Fig.12 Monitoring points of casting positioning

3.2 甲板片施工方案

如果按照傳統組塊的甲板片預制公差要求,則經驗累計誤差無法滿足總裝后軸線和對角線等一系列公差要求,因此對“深海一號”能源站組塊的甲板片公差進行縮緊,同時陰影區域留施工余量。

(1)甲板預處理:對甲板除銹,上底漆。

(2)擺放墊墩或臨時支撐:按加工設計圖紙及劃線方案進行地樣劃線,施工方根據建造要求制作臨時墊墩,臨時墊墩放置后,甲板片H1200梁的最低點應距地面700 mm 以上或立柱甲板段下端距地面100 mm 以上,兩者取較大值。

(3)主結構梁就位:根據加工圖位置將所有主結構梁就位,點焊固定,并在主梁上劃出小梁位置。

(4)其他型材就位:根據加工設計圖紙及主梁上的劃線位置將其他型材就位,與主結構梁進行點焊固定。

(5)型材焊接:型材組對完后,開始焊接。焊接原則上自中間向四周施焊,先焊接腹板與翼板的焊縫,再焊接腹板與腹板,最后焊接翼緣與翼緣。

(6)甲板放樣劃線、下料切割:按甲板鋪板圖及劃線方案進行劃線下料,劃線時應留出足夠的焊接收縮量。

(7)甲板鋪板:按甲板鋪板圖在焊接好的梁格上進行鋪板,鋪板圖上標出陰影的板列,暫不組裝焊接。

(8)甲板整邊,甲板開孔:根據劃線對甲板整邊,艙口及吊裝吊點位置處甲板開孔。各甲板立柱、拉筋與H 型鋼相交處需開孔,在甲板就位后切割。

(9)甲板焊接:甲板的焊接原則上自中間向四周焊接,先焊小梁與甲板的角焊縫,再焊接大梁與甲板的角焊縫。

(10)安裝組裝吊點,臨時連接結構:根據水平片吊裝方案安裝組裝吊點。

(11)甲板片尺寸控制數據。

甲板片公差分解如圖13所示。

圖13 甲板片公差分解圖Fig.13 Tolerance of the deck

同時對安裝精度要求較高的動設備(干氣壓縮機橇、透平發電機橇、應急柴油發電機、ESSENTIAL發電機橇)所在位置高度方向公差進行前期控制、后期跟蹤。

3.3 立柱后插總裝方案

在常規組塊中,立柱在甲板片預制時就安裝到甲板片上。優勢為車間內安裝立柱效率較高,也利于組塊的整體噴涂和總裝。

對于“深海一號”能源站組塊,針對立柱之間和立柱對角線公差及其嚴格的要求,考慮到組塊的分片建造以及焊接收縮的影響,無法保證總裝后的整體立柱定位精度,決定采用立柱后插總裝方案。

(1)船體連接8個立柱全部總裝時候安裝。

(2)預制時候只帶環板,環板預制下料時立柱位置的環板余量出50 mm 的加工余量,供立柱總裝安裝時用于調整。

圖14 組塊8根立柱示意圖Fig.14 Schematic diagram of 8 posts of assembly block

由于各個公差是鎖定的,考慮到1/1 000 的垂直度公差,對于立柱點59.090位置有1.5 mm 的可調節量,但是這個位置不能任意方向調整,一定要按照對間距和對角線有利的趨勢調整。為有利于現場施工,給出圖15作為指導。調整的前提條件是保證立柱間距和對角線。

圖15 立柱位置調整指導圖Fig.15 Adjustment guide for column position

立柱安裝后,上面的拉筋等也需要按照順序對稱焊接,在安裝船體和上部組塊之間斜拉筋時,先安裝斜拉筋與船體的連接筋板。然后,測量斜拉筋端部的筋板和立柱的實際位置。根據斜拉筋連接兩端的實際情況,對斜拉筋進行開槽和馬鞍口處理,再正式安裝(見圖16)。

圖16 組塊和船體集成流程圖Fig.16 Flowchart of integration of assembly block and hull

4 結 語

本文以“深海一號”能源站組塊為例,說明了如何在建造過程中通過建造工藝和施工工序等保證高精度建造需求。對于今后大型浮式平臺組塊的實際和建造,本工程案例具有重要的參考意義。