基于焊接變形量控制的FPSO單點艙建造精度控制工藝探討

楊現陽，田從永，荊 鵬

（海洋石油工程股份有限公司，山東 青島 266555）

在整個FPSO的建造過程中，單點艙建造的精度控制工藝至關重要，決定著后期能否與單點實現順利合攏。根據建造工藝，單點艙由船艏的主船體分段和將與單點對接的圓筒壁狀結構組成。其中，船體分段實現與主船體的對接，筒壁狀結構實現與單點的對接。在其建造過程中，船體分段的精度控制可參考常規船體分段的控制工藝，圓筒狀結構作為新型結構模式，須采用特定的精度控制工藝。在整個工藝控制過程中，必須采取相關措施，對焊前、焊后的變化量予以足夠的重視，本文以某FPSO項目單點艙為例，逐一介紹其中的精度控制工藝手段[1]。

1 單點艙建造工藝介紹

該FPSO項目屬于內轉塔單點儲油輪，其單點艙主結構從下到上可分為三個主要分段，即8001、8003、8005分段，每個分段由筒壁和對應的船體分段組成。其中，8001分段有兩個圓筒，內徑18500mm；8003分段有四個圓筒，內徑18500mm；8005分段有六個圓筒，內徑17000mm。單個分段的單個圓筒在胎架上單獨預制后，同一分段的圓筒之間進行合攏。單個分段的圓筒合攏后，再與對應的船體分段進行合攏。各分段合攏完成后，三個主分段在船塢內依次與主船體進行合攏。主合攏完成后，主船體須下水，拖至另外一個船塢進行二次落墩[2]。之后，通過單點艙預先設置的界面圓、止蕩裝置、塔架基準實現與單點結構的對接。

2 單點艙建造總體精度控制工藝

2.1 劃定地樣線

在單個圓筒制作區域，以地面某一固定點作為圓心，設定十字交叉線，作為主分段的中心線和穿越單點艙寬度的肋位線FR100。參考圖紙上半徑大小，劃定胎架的圓周。一般測量0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°位置的半徑，現場通過測量點進行圓周放樣。同時，定出用于定位胎的架外圍100檢查線。

2.2 制作胎架并劃定圓筒制作基準線

按照胎架功能，可將其分為兩種。第一種是為了滿足圓筒拼板與合攏，第二種為了分段制作及分段與圓筒合攏。兩者都須控制胎架水平度、胎架外板垂直度、圓弧線半徑、圓弧線圓度。

胎架制作完成后，應在胎架上劃定制作圓筒的圓周線和檢查線。

2.3 單個圓筒拼板及圓筒之間合攏

單個圓筒分段可劃分為四到五個小型環段。小型環段組裝之前，應嚴格控制其精度，防止過多的二次修整。單個圓筒制作完成后，一般將某一底層圓筒固定在胎架上，依次組裝成大型圓筒，整個制作過程的基本控制項見表1。

表1 圓筒拼板與圓筒合攏控制項

2.4 拼接后圓筒與對應主船體分段合攏

此階段的目的是形成8001、8003、8005主分段。合攏之前，首先確保圓筒上下口的圓心連線在鉛錘方向上的公差滿足規格書要求。其次，確保所要合攏的船體分段的基準面整體水平滿足公差要求。然后，確保以上二者屬于平面與其法向量的關系[3]。其基本控制項可見表2。

上述三個分段合攏完成后，應在圓筒壁上制作塢內搭載合攏基準線。高度及水平基準線定在圓筒上下口附近的標高上，平面基準點是將地樣線上中心線與FR100肋位線標記在圓筒上下口的合適標高上。

表2 圓筒與對應主船體分段控制項

2.5 主分段船塢搭載合攏

此階段的主要目標是完成 8001、8003、8005分段之間的合攏以及與主船體分段的合攏。合攏之前，應重新劃定艏部分段相對于全船的位置基準線，尤其是船體主中心線與肋位FR100線及其交叉點的位置[4]。同時，參考全船外地板水平和撓度，在船塢壁上設定起算標高點，并將其與8001分段外底板對應起來。其主要控制項見表3。

2.6 單點艙基準線劃定

表3 主分段船塢搭載合攏控制項

單點艙與單點進行合攏，需要在單點艙制定二次落墩的基準點、基準線。主要實現下述目的：

1）二次落墩后，單點艙上下的結構變形在公差范圍之內；

2）二次落墩后，單點艙的垂直度滿足公差要求；

3）二次落墩后，單點艙上下口的中心線與基準面的相對關系滿足公差要求；

基于上述目的，在單點艙的整個筒壁上，由下到上，共設計了七層基準點，其中上下及靠近界面圓處的基準點設置24個，其他各層，分別為4個。所有層的基準點均包括船中線與FR100肋位線與筒壁的交叉點。

3 各階段精度控制中的焊接收縮及相關措施

3.1 精度控制工藝關注重點

參考上述建造工藝和精度控制工藝，須注意下述幾個方面的變形量控制：

1） 圓環拼板時焊前、焊后向心徑向收縮；2）圓環拼板時焊前、焊后周長收縮；3）不同圓環之間拼接時高度方向收縮；4）圓筒與自身對應的船體分段合攏時焊前、焊后向心徑向收縮；5）船塢內合攏搭載時單點艙分段與主船體分段合攏焊前、焊后徑向變化

3.2 圓環拼板時徑向收縮

圓環拼板時的徑向收縮通過圓環板的根部與地樣線的變化來衡量。其中地樣線在圓環內部，圓環板內側與地樣線的距離為固定值，焊接前后，此固定值的變化量即為徑向收縮，負值代表收縮，每個圓筒上，設置十二個檢查點，單位為mm，下同，各圓筒的變化量見表4。

通過表4看出：

1）除去測量誤差和工況限制外，每個圓筒半徑約有mm的徑向收縮，最大收縮有3mm；2）厚板收縮量較薄板大。

表4 圓環板焊接前后徑向收縮表

3.3 圓環拼板是周長收縮

每個圓環板的周長測量位置是上端和下端，工具為盤尺。為最大程度的減少測量誤差，所用盤尺均配合拉力計使用，且其每10m的刻度與高精度全站儀所測數值進行了校對，確保固定用同一把尺子測量，其周長測量變化值見表5。

通過表5看出：

1）此階段單個圓筒的周長焊接收縮量平均在10mm左右，換算到直徑為3mm左右，與3.2節的徑向收縮基本一致；2）焊接收縮量隨縱縫的數量增多而加大；3）焊接收縮與板厚沒有明顯的相關性。

3.4 不同圓環之間拼接時高度方向收縮

不同圓環之間拼接時，高度方向上的收縮，主要為兩個圓環之間的環縫收縮，圓筒預制階段主要有八條環縫的對接，其位置和3.2節保持一致，數據見表6，其中負值代表收縮量。

從表6看出：

總體高度方向平均累計收縮量約為6mm。

3.5 圓筒與自身對應的船體分段合攏時焊前、焊后徑向變化表

測量的數據為圓筒內壁相對于地樣線圓心的半徑，焊前焊后的測量點位置基本保持一致，因個別點遮擋，采取附近點來代替，其統計數據見表7。

從表7看出：

1）整個圓筒在焊接后，半徑處于輕微放大狀態，平均值約為1.4mm；2） 對于單個分段，其下部的半徑基本保持不變或輕微變小，上部半徑發生明顯變大。

表5 圓筒焊接前后周長變化表 mm

表6 拼接圓環在高度方向上的變化表 mm

表7 各圓筒與自身對應分段合攏時徑向變化表

3.6 船塢內合攏搭載時單點艙分段與主船體分段合攏焊前、焊后變化

船塢內合攏的變化量主要表現為圓筒十字線，即貫穿圓筒的主船體中心線與貫穿圓筒的FR100肋位線，二者相交于圓筒的圓心，延申點位于各分段圓筒內壁上，從現場數據來看：

1）底層分段向主船體收縮約10mm，中層約為5mm，上層約為2mm，從下到上，依次變小；2）左右兩邊的收縮量可以通過焊接順序來調整；

3.7 焊接前后收縮及分析

從上述數據看出，在單點艙建造過程中，除在3.5節中所述圓筒與自身對應船體分段焊接過程中的收縮不明顯外，其他各個階段都存在收縮現象。在預定建造方案中，圓筒外壁上有大量肘板和環板要焊接，存在大量熱輸入，此階段將會有10mm的收縮，但實際情況卻有出入。

4 結語

在單點艙建造過程中，存在很多變化量，比如溫差變化、自重變形、沉降變化等，本文只針對此種工藝下的焊接收縮進行了統計描述，并在實際的工程實踐中，圓滿的實現了各個結構的順利對接，為整體同心度、整體標高基準、界面圓、StopperFoundation、導向板、Gantry Foundation等關鍵位置的精度控制打下了良好的基礎。

在單點艙建造工藝的方案中，有一個備選方案，即將單點艙分段自上而下切成四分之一分段，但并沒有付諸實施。精度控制工藝是隨建造方案、吊裝方案、焊接方案的實際情況而定的。它不僅在建造初始階段設置一定的閥值，還需要在建造過程中，綜合廠區的焊接、建造工藝，進行動態的調整，以便與設計、建造、檢驗形成閉合環。