VLCC改造為FPSO的機艙和泵艙管路生產設計技術研究

羅東浩

（廣州中船文沖船塢有限公司，廣州 511462）

VLCC改造為FPSO的機艙和泵艙管路生產設計技術研究

羅東浩

（廣州中船文沖船塢有限公司，廣州 511462）

文章介紹了VLCC改造為FPSO管系專業設計工作的主要內容，研究分析機艙和泵艙管路生產設計的難點和要點，創新使用激光三維掃描技術以獲取精確的原船三維場景數據，通過三維數據的逆向建模，結合新加系統進行船、機、電交互建模，新舊系統件可能的干涉得以提前發現并在施工前處理，同時通過開發SPD海工圖冊模塊可直接輸出標準的軸測圖紙用于施工。

VLCC；FPSO；激光三維掃描；SPD；軸測圖

0 引言

VLCC改造為FPSO的海工項目，改裝與常規船的修造存在著很大的不同：周期短、工作量大、工況復雜、標準和檢驗要求高，特別是管路系統的改裝。按以往國外船廠改裝的經驗，FPSO改裝能否取得成功的主要關鍵取決于管路系統工程改裝是否能保質、按時完成，機艙及泵艙的管路改裝又是整個工程的重中之重，而技術是第一生產力，生產設計作為海工改裝的第一道工序，為提高改裝施工的生產效率，縮短改裝周期，如何高效完成機艙泵艙生產設計，如何提高設計準確性就尤為重要。

1 機艙泵艙輪機管線生產設計的主要范圍

改裝設計的工作范圍與舊油輪的狀況、設備配備情況和新油田對FPSO的要求有關。本研究項目主要基于文沖船塢承接的28萬噸VLCC改裝為FPSO的項目來開展，機艙泵艙生產設計的主要內容如下。

1.1 舊系統及設備拆除

FPSO運行或者航行過程中無需使用的系統將被拆除，主要的工作內容如下[1]：

確定油輪原有的保船系統、確認需要拆除/更換/修理的設備，并做出更換、修理方案，提出采辦清單和提供修改設計圖。

根據管系腐蝕檢測報告，確定管系更換，檢修方案，提供廢舊管系拆除圖紙，換新管系的設計安裝圖紙。

1.2 新舊管路系統及設備設計

新舊管路系統及設備設計包括：重新設計燃油系統；重新設計鍋爐蒸汽及凝水系統；重新設計海水冷卻系統；重新設計淡水冷卻系統；重新設計原船透氣及測深系統；重新設計淡水供應系統；重新設計原有惰性氣體系統；重新設計生活污水系統；重新設計CO2系統；重新設計注入、倒艙及外輸系統；改造原有惰性氣體系統；重新設計供水系統；新增FPSO的消防泡沫系統；新增防海生物系統；洗艙系統的改造設計；新增空倉除濕系統設計；新增鎖舵裝置系統；新增尾部輸油平臺液壓系統。

2 機艙泵艙生產設計流程

VLCC改裝為FPSO項目中，機艙泵艙管路生產設計的基本流程如圖1所示。

首先，數據準備，包括原船信息的獲取，項目規格書要求和系統原理等信息收集。其次，船、機、電各專業交互建模、評審及管路應力計算。最后，生產圖紙及相應圖表輸出。

3 機艙泵艙生產設計技術難點及對策研究

3.1 原船信息獲取存在的問題

改裝項目所選取的舊油船，往往有一定的服務年限，普遍存在資料丟失的情況。而且在航行過程、檢修過程中，船東方會對部分系統進行局部改造，現有實船情況與完工設計圖紙存在不一致的情況，原船信息的獲取是業界的難題。

由于船舶已有的管道系統和機械系統非常復雜，在此系統的基礎上確定管系更換檢修方案，同時按照FPSO的設計要求改造消防系統、惰性氣體系統、燃油系統、淡水系統、熱站及洗艙系統等需要耗費大量的時間和精力。制作詳細圖紙的傳統方法需要進行人工測量并復制實際現場布局。安裝新系統需要的所有改造工作均須參照這些手工制作的圖紙進行。這就需要對船舶進行大量的現場檢測，并耗費相當長的設計時間。此外，人工測量方法的弊端還在于圖紙上任何一點細微錯誤，在新系統安裝過程中都可能導致較大規模的設計缺陷。

3.2 三維激光掃描技術的應用

傳統的人工測繪存在種種缺陷，經多次調研，本項目嘗試引進激光掃描技術來測量機艙及泵艙。激光三維掃描儀的使用節省了大量現場測量時間。使用激光三維掃描儀前，技術人員需要花費大量的時間對艙內管道和設備進行人工測量。而使用激光三維掃描儀后，完成這項任務的時間大大縮短，測繪準確性也得到提高。值得說明的是，設計人員通過三維掃描數據直接讀取甲板底部管路的數據，而往常這部分數據的測繪需通過大量人力物力進行腳手架的搭設，才能進行有限的測繪。此外，激光三維掃描儀捕獲的測量點信息可以轉換成三維 CAD數據，技術人員可以直接使用CAD數據創建三維設計圖紙[2]。

集成式彩色攝像頭能夠提供照片級的三維掃描圖像（見圖2），有助于迅速識別機泵艙的復雜管路。此次選用的激光三維掃描儀非常緊湊而且輕便，可以在機艙泵艙區域的任何地方布置，尤其在作業空間非常狹小，技術人員甚至無法進入艙室進行測量作業時，這一優勢就更加明顯。

一旦激光三維掃描儀捕捉到目標區域的數據點，配套軟件便開始運行，使用這些數據呈現完整的三維模型[3]。因而全新的機械設備及其管路可以與現有船艙結構實現無縫整合。技術人員可以根據精確的三維模型進行預先規劃，這就可以制作出最優設計方案。因為有原船的三維掃描數據，整個改裝設計的周期都可參照使用，原船數據與改造內容得以完整地干涉檢查，易獲知整體布局狀況并辨別潛在的問題。如果僅僅基于手工測繪，這些問題均難以解決。

歸功于激光三維掃描儀所節省的時間以及提供的有效原船數據，技術人員可以將主要的時間和精力放在系統的設計上，同時生產和設備安裝均可以得到更好的管理。前期數據準備充分后期工作的開展也更加順利，為FPSO改造項目的完成奠定基礎。

3.3 機艙泵艙總體建模出圖

3.3.1 軟件的選取應用

管系生產設計是船舶生產設計的主要內容之一，也是舾裝生產設計中涉及面最廣、工作量最大、工作形式最繁瑣，工作周期最長，所取得成果最不穩定的項目。據統計，管子的加工及安裝所消耗的工時約占舾裝工作量的40%～45%，占造船總工作量的8%～12%，然而，長期以來，修船因為企業性質的原因，主要的工作集中在換板、油漆、打沙等傳統業務，舾裝特別是管路的技術積累相對欠缺。技術設計方面，管路的改裝工程主要停留在手工放樣階段。技術的落后導致管系生產設計水平較為低下，圖紙質量不高，管子的返修率較高。為改變這種局面，引進了SPD（ship production design）設計軟件，SPD作為國產軟件，功能及操作界面完全針對國內船廠生產模式配套設計，功能齊備，可以較好適應船體、管系、電氣的三維交互建模作業[4]。

3.3.2 軟件的基礎數據完善

VLCC改裝為FPSO項目所使用的標準主要為美國標準、英國標準及日本標準，但設計軟件SPD原始數據庫均為中國標準，數據庫對應FPSO改裝項目而言等于是一片空白。文沖船塢技術部門在設計之初，即根據項目的要求，通過購買、網站搜索、同行咨詢以及跟SBM索取等方式收集完善項目所需的管路規范，指定管路附件的命名規則，同時指定專人進行標準數據的錄入工作。這樣其他設計人員可以直接從實體庫中選用，不用反復查閱這些管路部件的相關資料，從而減少了輔助的勞動工時，大大提高工作效率，最大限度地避免多人對數據庫操作導致的人工失誤。至項目完工，軟件已完成錄入基礎數據規格約3 445個，基本能滿足VLCC改裝為FPSO項目的管系改裝設計標準數據需求，見表1。

3.3.3 三維交互建模

1）原理定義

在VLCC改裝為FPSO項目中，通過制定統一的命名規則，將設備、管路、部件代號定義成與P&ID圖的代號完全一致。這樣可以減少管系中的重復放樣和遺漏情況，同時也有利于管系安裝圖中部件代號的自動生成。管路定義信息中包含了管徑、壁厚、材料、連接件形式等，這些信息將在后期的軸測圖中一 一體現，這樣可以大大減輕設計強度，避免所有信息進行手工標注。

2）機艙泵艙設備布置

根據SBM的提供的設備資料信息，建立設備的建模及定義后，設計中可以通過SPD設備模塊的插入旋轉等命令，直接在船體背景中進行準確的定位，對應SBM未能及時提供資料的設備，設計人員根據常規船舶的設備資料進行建模參考使用。

3）管路總體交互建模

在完成上述設備及部件的三維實體建模、船體三維實體建模、管路原理圖定義及設備的定位工作后，可以根據P&ID圖的要求，在船體背景模型上通過管路布置模塊進行綜合放樣設計，相對于抽象的二維CAD設計，準確性大幅提高（見圖3）。

表1 海工項目SPD基礎數據

3.4 海工圖冊模塊研發與應用

3.4.1 現有軟件功能

早期的FPSO設計都是參考船舶規范，主要是油船的規范。隨著FPSO的發展，世界上幾家主要船級社都編制出FPSO建造與入級規范，如DNV GL、ABS、LR、BV和CCS等。但這些規范仍帶有很強的船舶規范的色彩。隨著FPSO技術的不斷發展，業界越來越認識到FPSO不是船，而是海洋工程結構，其規范和標準應具有海洋工程的特點，其設計方法、所采用的標準應向石油工業靠攏。

FPSO在船廠建造/改裝時，保船系統習慣采用船舶標準，而模塊部分則習慣采用石油工業標準，因而在圖紙的表示方法和接口的標準上存在不少問題。近年來國外新造/新改裝的FPSO則逐漸改變這一做法，船體部分的保船系統與公共系統也向石油工業標準靠攏，提議標準、統一繪圖方法，使FPSO成為真正的海洋工程結構。

文沖船塢之前使用的設計軟件主要為SPD，主要應用于船舶建造領域，VLCC改造為FPSO的海工項目改裝與常規船的建造存在很大的不同，設計周期短，工作量大。海工項目還有一個主要的特點是邊設計邊修改，SPD生產信息處理功能仍舊有不少缺陷，主要表現在以下幾個方面：

1）系統的智能化不夠，系統只能生成管路零件圖、支架預制圖，且文件輸出后均需要手動進行修改；

2）圖紙信息量少，無法體現焊點、獨立管附件編碼等生產的跟蹤信息；

3）無法體現管路走向及定位信息，需耗費大量人力將小票圖紙重新手動繪制管路走向圖，供管路應力計算建模使用；

4）圖紙份數多，SPD管路是以管路小票體現，參照國內外FPSO項目經驗，管段總數超過20 000條，對應的管路圖紙也超過20 000張，對應文件的管理及跟蹤都是巨大的挑戰。

3.4.2 國內外軟件應用情況

不管是國內還是國外，海洋工程、化工、建筑領域采用的管線設計軟件主要有AVEVA MARINE、PDMS、AUTO PLANT等，軟件的基本特點是系統能夠生成詳細的管路軸測圖紙。文沖船塢戰略合作伙伴、國際知名的海工承包商SBM，采用AVEVA MARINE及PDMS進行上部模塊的管線設計，其關聯合作方也使用相應軟件。管路軸測圖（ISO圖）的出圖模式更適用于海洋工程項目設計周期短，修改多，管線多，合作單位多等特點[5]。

3.4.3 軟件自主研發

國外軟件優勢明顯，但引進費用高，如常用的海工軟件AVEVA MARINE而言，動輒一個許可25萬人民幣，如果20個人員使用此軟件的話，光許可費用就要500萬，，這還不包括二次開發及后期的維護費用。為了降低軟件使用費用，同時完成管路的生產設計，文沖船塢通過聯合上海東欣軟件公司開發SPD海工產品管系設計模塊，輸出滿足海工要求的管路軸測圖（見圖4），實現了以下功能。

1）軸測圖紙信息齊全

ISO圖中包含管線的材料包、安裝材料表、管子的下料信息、詳細的安裝定位信息、管路流行、設計壓力、試驗壓力及介質、表面處理信息、表面絕緣、焊口編號、焊接工藝信息、支架編號、支架定位信息等。軸測圖可以用來預制制管段，也可用來安裝定位管路及支架，同時用于壓力試驗；也便于合作交流，作為管線的常用表達方式所有軸測圖紙需要經過業主認可才能施工；便于安裝使用，軸測圖紙信息量較全面，而且走向清晰，現場人員僅需軸測圖紙即可準確定位安裝管路。

2）減少工作量

由于軸測圖中包含所有管線信息，一張ISO圖可能包含十數根管管段，相對于原有管段零件圖，設計人員有更多時間考慮管線的設計和布置，而不是進行管線零件圖的的圖面處理，同時節省大量查圖時間。

3）便于管路應力計算

管道應力分析應保證管道在設計條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹冷縮、管道支承或端點附加位移造成應力問題，軸測圖中管路的走向清晰，定位明確，且有完善的工藝，應力計算工程師根據軸測圖可以方便地建模，進行計算及應力信息標注。

4）實現了管路圖與P&ID圖無縫接軌，軸測圖包含了管線的所有工藝參數，現場施工人員可以輕易知道管線的工藝要求，減少查詢原理的時間。

5）便于管線的焊縫跟蹤及管線管理，軸測圖以管線（line number）形式輸出，焊口的標注完整，利于管理跟蹤。

6）管線修改升版容易

海工項目有邊設計邊修改的特點，業主有設計修改要求后（DCF），修改模型，直接輸出ISO即可供車間施工。

4 結論

引進激光測繪技術對原船機艙泵艙等區域進行三維激光掃描作業，解決了改裝項目中難以采集原船信息而導致設計工作開展困難等問題。業主也對此項目進行了資金支持。文沖船塢成為國內第一家引進尖端設備對機艙泵艙進行完整測繪，同時也是全球第一家海工公司對機艙及泵艙進行大規模三維測繪作業的公司。

首次進行機艙泵艙整體建模，現階段國內外VLCC改裝為FPSO的主要企業，均采用現場測繪現場放樣進行機艙泵艙的改裝作業，無法進行殼、舾、涂、機、電一體化設計，本項目大膽嘗試并革新機艙泵艙設計，克服原船測繪及逆向建模的困難，進行總體交互建模，為業界樹立新的設計典范，受到業主的好評。

同時，海工設計模塊的成功研發，節約了軟件使用費用，結束了之前管路軸測圖需要手動繪制的歷史，提高出圖效率及準確性，為項目順利完工及以后類似的海工項目提供軟件支撐。

[1]海洋石油工程設計指南編委會, 編著.海洋石油工程FPSO與單點系泊系統設計[M].北京: 石油工業出版社, 2007.

[2]胡敏捷.激光掃描技術在船舶逆向工程中的作用[J].船舶設計通訊, 2006(2): 69-72.

[3]袁夏.三維激光掃描點云數據處理及應用技術[D].南京理工大學碩士論文, 2006.

[4]蘇文榮.船舶產品設計(SPD)系統[J].計算機輔助工程, 2009, 18(2): 1-4.

[5]許忠亮.單線圖在工藝管道施工中的應用[J].化工設備與管道, 2005, 42(1): 28-30.

Study of Piping Production Design Technology of Engine Room and Pump Room for VLCC Converted to FPSO

LUO Donghao
(Guangzhou Wenchong Dockyard Co., Ltd., Guangzhou 511462, China)

The paper describes the tasks of piping design for a VLCC converted to an FPSO.The key points and difficulties of production design for engine room and pump room are studied and analyzed.The 3D laser scanning technology is applied to survey the existing elements in engine room.The 3D model is established as the laser scanning date, with the 3D scanning and ship production design tool, clashes between the as-found conditions of vessel and the new design can be trapped and resolved before construction.With the development of offshore drawing module software of ship production design (SPD), isometrics drawings can be outputted directly for construction.

VLCC; FPSO; 3D laser scanning; SPD; isometrics

P751

A

10.14141/j.31-1981.2017.04.009

羅東浩（1983—），男，工程師，研究方向：船舶與海洋工程輪機管系的研究與設計。