FPSO單點集成激光掃描數據與模型比對檢驗技術

孫小磊

摘要：流花16-2FPSO是海洋石油工程股份有限公司近年來遇到的最具技術挑戰的項目之一，單點系泊系統作為FPSO的中樞紐帶，也是科技含量最高的部分。利用技術手段在建造階段嚴格控制單點系泊和月池的結構精度，是保證單點順利、成功集成的重要基礎。以流花16-2 FPSO為研究對象闡述了通過三維掃描形成點云數據對單點系泊和月池結構的精度控制要點和尺寸檢驗方法，該方法在傳統造船、海工領域的尺寸檢驗方法基礎上進行了創造性的變革。

關鍵詞：FPSO;點云數據;單點集成

中圖分類號：TQ022文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）03-0110-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.20

0 前言

隨著我國海洋石油事業的不斷發展，浮式生產儲卸油裝置（FPSO）成為海上油氣田開發的主要設施[1]。目前世界上的FPSO主要采用以下三種系泊方式：單點系泊系統、多點系泊系統以及動力定位系統[2]。單點系泊系統由于能抵抗惡劣極端環境條件，且具有風向標效應，成為惡劣海域FPSO定位的唯一選擇。單點系泊系統作為整個FPSO的關鍵部位，具有精度要求高、結構復雜且不規則等特點，對單點系泊系統建造過程的精度控制提出了更高的要求[3]。國內船廠的精度控制主要采用補償量代替余量的方法[4-5]，建造過程中依靠全站儀采集結構物上少數具有代表性的樣本點作為分析依據，這種傳統做法不足以保證單點系泊系統和月池的建造精度，單點系泊系統結構不規則，樣本點采集難度大，部分位置代表性不足，通過三維激光掃描技術可以解決上述問題。本文以流花16-2FPSO項目為例，詳細闡述了基于三維激光掃描點云做的單點系泊系統和月池結構的精度控制工藝和檢查方法。

1 概念介紹

1.1 FPSO定義

FPSO（Floating Production Storage and Offloading）即浮式生產儲油卸油裝置，可對原油進行初步加工并儲存，被稱為“海上石油工廠”。

1.2 點云數據

通過三維掃描儀獲取的海量點數據。

1.3 單點系泊系統

錨系泊系統與船體只有一個接觸，主要用于定位系泊FPSO和外輸原油終端。

1.4 月池

FPSO產品中，由于月池處于大開口區域，采用高強鋼，均為強力構件，板材選用較厚，焊接質量要求高，焊接變形大，精度要求高。

2 單點系統和月池主要組成部分

單點系統主要由塔架、管匯平臺結構、下部轉塔結構組成（見圖1）。船體月池（見圖2）結構主要包含內底組立、圓筒組立、T型材組立、水平絎組立等。

3 單點與月池建造的精度管理

單點系泊從結構形式看下塔體和中塔體建造難度較大，在此主要以中塔體、下塔體及月池為例介紹精度管理要求。

3.1 中塔體結構及控制要點介紹

中塔體結構形式為圓柱體，最大直徑7 760 mm，高度為15 900 mm。中塔體頂部和底部端面圓度半徑控制在±3 mm以內，同心度控制在±2 mm以內，端面垂直度控制在±5 mm。中心點圓心的理論數據和實測數據偏差按照±1 mm管理，筒體直線度按照±4 mm管理。中塔體精度控制要點如圖3所示。

3.2 下塔體結構及控制要點介紹

下塔體為不規則形狀，最大半徑16 310 mm，整體高度25 200 mm（見圖4）。其精控管理主要為同心度的管理，同心度精度必須控制在±2 mm以內。由于形狀不規則，采用常規全站儀進行測量時很難找到分析基準，檢測難度增加，必須采用點云數據的拼接技術進行檢測。

3.3 月池結構及控制要點介紹

月池艙為圓柱形，直徑17 m，高27m，周長精度需控制在10 mm以內，垂直度控制在5 mm以內，該要求是通用船型的10倍以上。月池由多個分段拼裝完成（見圖5），在單個分段預制時半徑需控制在±2 mm以內才能達到搭載階段圓度±4 mm以及垂直度小于3 mm的要求，以及最終成品的精度要求。

4 三維激光掃描技術在單點系泊測量上的應用研究

4.1 傳統測量技術難點

從精度表（見圖6）可以看出，測量物體為圓筒體時檢測點較多，用普通的全站儀測量無法得到全面的數據，同時，若基準選取存在失誤，測取數據將失去意義。本次單點系泊的制作中塔體和下塔體采用全站儀和三維掃描儀結合的方法，將測量數值通過點云拼接軟件進行拼接模擬來獲取最終數據。

4.2 應用的硬件及軟件

流花FPSO單點系泊的中塔體、下塔體、月池分段制作完成后，通過三維掃描儀和點云拼接軟件（見圖7），對分段進行檢查得出需要的檢查數據，對超出公差范圍的部分提前進行調整修正以達到精度要求。

4.3 作業流程

利用全站儀和三維掃描儀相結合的測量方法對相關結構物進行精度控制，將實測數據通過點云數據軟件進行拼接模擬，獲取最終數據（見圖8）。

首先，在下塔體、中塔體和月池設定統一的分析基準點，也是三維掃描完成后點云數據拼接模擬基準。其次，通過Faro S-350三維掃描儀對下塔體進行全面掃描，獲取實測點云數據模型。掃描過程重點注意不要遺漏前期設定的分析基準點，作為后續數據拼接的基準點。注意將掃描的時間放在溫差變化較小的夜間進行。最終，根據獲取的點云數據模型，利用點云數據分析軟件對實測點云數據模型和理論數據模型進行數據對比，得出各個位置的偏差值，并將偏差值調整到精度控制范圍以內。

4.4 基于點云數據模擬分析流程

點云數據的分析過程是整個單點系泊系統基于點云數據應用的最重要一環，必須保證整個分析過程的基準是統一的，從而保證數據的一致性。點云數據分析流程如圖9所示。

（1）選定分析基準。利用點云軟件移動功能可調整高度，讓實測點云模型與設計理論模型保持基準點一致，可選擇避開無數據區域或無用數據區域。

（2）設置點云范圍。設置點云范圍，利用所選范圍內的點云數據以及軟件3點生成圓的原理生成正圓，可以調整高度及深度，生成所需位置的圓度。

（3）生成正圓。在所選位置生成正圓，同時生成中心點。若掃描過程存在其他物體的干涉，那么掃描到的無效數據會導致生成的圓存在一定的變形。

（4）點云數據結果分析。對中塔體、下塔體以及月池的最終數據進行分析，選取中心線為絕對基準線，R代表圓柱體半徑的偏差值，L代表圓柱體的高度偏差值，Z值代表云數據中的該點的實測高度值。由圖10可以很詳細地知道測量物體每個點的坐標數據是否能夠達到精度要求。

5 經濟效益

（1）無形效益。激光掃描數據與模型比對檢驗技術是國內首次應用于FPSO單點內塔系泊的檢測方法，對后續建造的類似產品提供了技術支持，對于復雜結構物可以采用此技術進行檢查。

（2）有形效益。通過點云數據測量達到逐點精密測量、通過專業工序反復調整變形量，在建造階段有效控制單點系泊系統與月池尺寸，能夠有效避免集成過程發生碰撞進而對結構重新調整、修改，為后續單點與船體的集成打下堅實的基礎，大大縮短集成工期。

6 展望

在流花FPSO中的內轉塔單點系泊系統及船體月池建造過程中，利用點云數據的檢查方法貫穿始終，也是國內首次將這一技術應用在FPSO的建造中。對船廠而言，分段的檢測方法也進入高科技模式，傳統的制作、裝配、測量監控模式已經無法適應當今的精度需求，新技術的引入和應用就需要不斷的探索和研究。

參考文獻：

[1] Yong Luo，Hongwei Wang. Permanent versus disconnectable FPSOs[J]. Journal of Marine Science and Application，2009，8（5）：93-98.

[2] 張益公. 深水 FPSO 系泊系統設計分析[D]. 黑龍江：哈爾濱工程大學，2015.

[3] 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（A02）：243-250.

[4] 王孝海. 船體分段建造的精度控制研究[D]. 黑龍江：哈爾濱工程大學，2011.

[5] 楚立民，蘇忠義，黃偉. FPSO內轉塔式單點系泊鋼結構建造工藝[J]. 船海工程，2014，43（A01）：66-71.