環境因素對FPSO船體月池定位影響的研究

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.06.005

摘" " 要：在FPSO船體集成過程中，溫度和光照等環境因素對精度控制的影響不可忽視。以近期完工的國內某FPSO項目為例，研究了在干塢條件下，下塔體與船體集成時，船體月池中心點作為下塔體定位的基準點，受溫度和光照等環境因素的影響，位置產生變化的現象。通過測量實驗定性定量地分析了月池中心因環境變化而產生位置變化的原因和規律，進而提出在溫度較為恒定的夜間時段進行下塔體精確定位和焊接施工的建議。

關鍵詞：月池；下塔體；溫度；定位

Abstract：In the process of FPSO hull integration， the influence of environmental factors such as temperature and illumination on accuracy control cannot be ignored. Taking a domestic FPSO project recently completed as an example， this paper studies the position change of the moonpool center， which is the fiducial point for positioning， influenced by environmental factors including temperature and illumination when the lower tower body is integrated with the hull on dry dockyard. Measurement experiments are conducted to qualitatively and quantitatively analyze the reasons and patterns of position changes in the center of the moonpool under environmental changes. In addition， the construction suggestion that precise positioning and welding of the lower tower body should be carried out during the night time with a constant temperature is proposed.

Keywords：moonpool; lower tower body; temperature; positioning

內轉塔式FPSO是目前世界上深水FPSO的主要船型之一[1]。內轉塔式SIT型FPSO主要由船體、上部模塊和單點系泊系統等3部分組成。單點系泊系統的內轉塔是整個FPSO系統中最核心的結構，其主要功能有兩個：一是通過與內轉塔上連接的系泊系統，將整個FPSO固定在指定海域，并通過其特有的風向標，使FPSO船頭始終朝向風浪流最大的方向，使整個系統受力最小；二是通過內轉塔內部的滑環（Swivel）系統，將海底的油、水、液壓管線、電力和信號與船上的油水處理系統、控制系統相連，保持管線在旋轉狀態下可正常工作[2]。在FPSO的陸地建造階段，船體、上部模塊和單點系泊系統3個部分分別建造完成后，再將上部模塊和單點系泊系統依次集成到船體上。其中單點系泊系統位于船首的月池艙內，從下到上分為下塔體、管匯平臺和塔架3個模塊。由于吊裝能力受限和結構形式的影響，單點的集成通常不是一次性完成，而是按照從下往上的順序，分別將3個模塊依次集成到船體月池區域。在船體集成過程中，單點的集成定位精度是施工質量控制的主要內容之一，其中下塔體作為內轉塔與船體的主要連接結構，能否精準完成就位是內轉塔系泊系統集成施工的關鍵[3]。

近期完工的國內某FPSO項目要求下塔體集成時相對于船體月池艙的定位誤差不超過±2.5 mm，月池艙相對于船體的位置見圖1。集成前船體坐落于干船塢內的墊墩上，同時在塢底月池區域布置一系列墊墩。集成時將下塔體吊入月池并放置在墊墩上，調整下塔體相對于月池的空間位置，最終使下塔體相對于月池的定位精度滿足項目要求。

精度控制人員在集成前首先對船體月池艙中心點進行定位測量，將其作為下塔體集成定位的基準點。測量過程中發現不同時間測量的月池艙中心點相對塢底的位置會發生變化，變化量最大可達7 mm，而下塔體集成定位的精度要求誤差不超過±2.5 mm。如何準確定位月池艙，從而保證下塔體集成時相對于月池艙的定位精度，是技術人員需要解決的一道難題。

在去除測量過程中儀器的系統誤差和觀測的偶然誤差后，仍然存在約6 mm的變化量。可以推測是溫度和光照等環境因素的變化導致了不同時間測量結果的不同。為此，設計了一項環境因素對月池艙中心定位影響的監控觀測實驗，以此來驗證上述推論是否正確。

1" " 實驗部分

1.1" " 實驗目的

溫度和太陽光照等環境因素對月池艙中心點的相對位置產生一定的影響，通過持續的觀測實驗研究其變化規律。

1.2" " 測量日期和時間

日期：xx月xx日—xx日，共5天，每天兩次（上午、下午各一次）。

觀測時間：上午8：30—9：30 ；下午2：30—3：30。

1.3" " 測量設備

徠卡TS30全站儀，測角誤差0.5\"，測距誤差0.6 mm+1 μm。為避免系統誤差，整個實驗過程中使用同一臺測量設備。

1.4" " 測量人員

固定一組測量人員（2人）完成整個實驗觀測。

1.5" " 測量位置

在月池內壁距高度基準線以上200、13 405、26 500 mm共3個標高層的位置，分別標記為200層、13 405層、26 500層，每層分別觀測布置在月池內壁0°、90°、180°、270°上的4個觀測點，總計12個觀測點。通過分析各層4個觀測點的測量值，即可得出各層圓心相對塢底的位置變化量。月池觀測位置側視/俯視示意如圖2所示。

1.6" " 測量方法

在月池圓心附近位置的塢底地面上標記一個設站點，在平行于船長方向的遠端地面上標記一個后視點。每次觀測時將全站儀架設在同一設站點上，首先觀測后視點定向，然后對各觀測點進行測量。以設站點為坐標系原點，船首方向為X軸正方向，左舷方向為Y軸正方向，測量各個觀測點的X 、Y值。以第一日第一次測量的各點的X、Y值為基準0值（X0、Y0），后續每次測量所得的各點的X、Y值（Xn/Yn）均與基準值對比，即可得到每次測量各點在X、Y方向的變化量，見式（1）和式（2）。

為降低觀測誤差，每次測量均使用同一個徠卡MINI小棱鏡以及與之配套的棱鏡桿，禁止采用無棱鏡測量的方式。觀測人員和棱鏡放置人員固定不變。由于13 405層和26 500層的測量點位置較高，棱鏡放置人員需要乘坐吊籠將棱鏡放置于測量點。

2" " 觀測結果分析

2.1" " 環境變化

整個實驗過程持續5 d，溫度變化范圍在14～27 ℃之間，天氣狀況包括晴天、多云、陰天。由于船體月池內不同位置的光照情況不同，光照區域和背光區域在同一時間的溫度也不相同，測量人員在記錄溫度時采用的是各區域的平均溫度。觀測期間溫度及光照變化情況如表1所示。

2.2" " 月池中心在船長方向位置的變化

記錄每個測量點的X坐標，并計算船長方向變化量ΔX，然后分別統計分析每個測量點位置在船長方向的單日最大變化量和5 日最大變化量，見表2。其中，26 500層0°觀測點位置的變化量最大，單日最大變化量為5 mm，5日最大變化量為8 mm。

為分析月池每一層圓心位置的變化量，將各層在0°、90°、180°、270°上的4個觀測點的變化量計算算術平均值，得出各層圓心位置在船長方向的單日變化量和5日變化量。具體數據如表3所示。

2.3" " 月池中心在船寬方向位置的變化

記錄每個測量點的Y坐標，并計算船寬方向變化量ΔY，然后分別統計分析每個測量點位置在船寬方向的單日最大變化量和5日內最大變化量，見表4。

為分析月池每一層圓心位置的變化量，將各層在0°、90°、180°、270°上的4個觀測點的變化量取算術平均值，得出各層圓心位置在船寬方向的單日變化量和5日變化量，具體數據如表5所示。

2.4" " 月池中心圓心位置的變化

從觀測結果可以看出，在船體長度方向上，不同標高層月池中心位置的變化量有明顯差異，越靠近船體主甲板位置，受溫度等環境因素影響產生的位置變化量越大，越靠近船體底部區域，位置變化量越小。主要原因在于靠近主甲板的船體上部區域受光照的影響大而導致船體結構溫度變化較大，而船體底部區域光照影響小，從而溫度變化幅度也小。在船體寬度方向上，不同標高位置的觀測點，這種位置變化量沒有明顯差異。

下塔體集成時將在13 405位置與船體月池進行連接，因此重點關注13 405位置月池中心在不同環境條件下的位置變化量。從表3、表5可以看出，13 405位置測量點相對在船長方向5日平均變化量為6.0 mm，在船寬方向5日平均變化量為3.75 mm。將船長和船寬兩個方向向量合并后的變化量為7 mm，即是13 405位置圓心的變化量。

由于下塔體集成項目定位精度小于±2.5 mm，而作為定位基準的月池圓心位置在不同溫度等環境條件下的變化量已達7 mm，定位基準的不穩定性，將給下塔體的集成定位帶來巨大難度。

為減少溫度變化帶來的影響，決定將下塔體定位時間安排在夜間0點—6點。在這一時間段內溫度較為恒定，溫差變化僅為2 ℃左右；相鄰日期的此時間段溫度也相對近似，同時夜間定位也可以排除光照這一因素對船體月池定位的影響。因此在這個時間段內月池中心的位置比較穩定，有利于下塔體的精確定位。同時建議下塔體定位合格后，開始焊接的時間也是控制在夜間0點—6點，最大程度地保證下塔體與月池的同心度滿足項目規格書與API RP 2A[4]、EEMUA158[5]等國際常用海洋鋼結構建造規范的精度要求。

3" " 結束語

FPSO船體月池中心在不同環境條件下位移變化，根本原因在于不同的氣溫和光照使得船體結構溫度發生變化，在熱脹冷縮效應的影響下，船體結構的整體尺寸和形狀會隨之發生變化。本實驗中FPSO船體的船長256 m、型寬49 m、型深27 m，熱脹冷縮效應比較明顯。不同的結構溫度下，越靠近船體的艏艉兩端，熱脹冷縮導致的尺寸變化就越明顯。月池位于船體艏部，因此受溫度影響而在船長方向的位移變化就比較大。在船寬方向上，船體艏艉兩端也會隨溫度變化而左右擺動，但是變化幅度相對于船長方向小。

隨著我國船舶和海工裝備業的不斷發展，建造過程的尺寸控制越來越走向精細化管理。對于鋼結構建造過程中的尺寸控制，尤其是諸如FPSO船體等大尺寸結構物的建造尺寸控制，引入溫度這一參考變量是非常有必要的。

本文僅對溫度等環境因素變化對FPSO船體月池中心位置的變化做了初步分析，分析過程采用的是船體結構的平均溫度。在實際情況下受光照影響，結構物的光照面和背光面的溫度是不同的。隨著溫度的變化，結構物的尺寸變化并非是簡單的線性變化，這是由船體或導管架的結構形式決定的。因此溫度等環境因素對船體及海工鋼結構的尺寸影響還需要進一步深入研究。

參考文獻

[1]" 薛士輝，李懷亮，胡雪峰. 內轉塔式單點系泊系統及安裝工藝介紹[J]. 中國造船，2008，49（S）：243-250.

[2]" 王銘飛，杜耀軍，宋亞新等. 深水FPSO內轉塔結構設計及分析[J]. 中國海洋平臺，2016（5）：6-11.

[3]" 翟桂森，王金源. 內轉塔單點系泊系統下塔體集成施工工藝[J]. 船海工程，2021（4）：123-126.

[4]" API RP 2A -WSD-2014，Recommended Practice for Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design[S].

[5]" EEMUA158-2014，Construction Specification for fixed offshore structures[S].

作者簡介：荊" " 鵬（1981—），男，山東青島人，高級工程師，2003年畢業于煙臺大學，現主要從事導管架、海洋平臺、LNG模塊、FPSO建造尺寸精度控制等方向的研究工作。

Email：jingpemg3@cnooc.com.cn

收稿日期：2024-09-29