浮體生產(chǎn)裝置重量控制建造系數(shù)的量化統(tǒng)計方法

萬秀林， 王瑞平， 劉俊斐， 劉 存

(海洋石油工程(青島)有限公司，青島 266520)

0 引 言

隨著海洋油氣工業(yè)朝著深水和超深水未勘探開發(fā)地區(qū)進(jìn)軍，復(fù)雜的海洋工程結(jié)構(gòu)物，尤其是浮體生產(chǎn)裝置，在建造過程中的重量和重量分布是結(jié)構(gòu)物海上安全、安裝、生產(chǎn)過程的重要控制參數(shù)。

以往有關(guān)建造過程中的重量控制的研究，多從重量控制總體原則[1]、控制措施[2]等方面進(jìn)行解讀。在重量、重心統(tǒng)計計算方面，以理論重量、重心計算的研究較多[3]，在誤差、變量等研究領(lǐng)域，國內(nèi)高校提出過公差分布，并通過數(shù)理統(tǒng)計及尺寸鏈原理推導(dǎo)過重量、重心控制方法[4]，但對于建造過程中重量變量的實質(zhì)性梳理及統(tǒng)計，未見有系統(tǒng)性的成果。

在重量計算環(huán)節(jié)中，建造過程中的重量誤差一直是難以精確統(tǒng)計的一環(huán)。國內(nèi)外造船及海洋工程行業(yè)，常采用固定系數(shù)的方式，對相應(yīng)的理論重量進(jìn)行一定比例疊加，進(jìn)而得出最終估算重量，并以重量報告的方式反饋。但在工程實踐中，不同的工廠、環(huán)境、材料供貨狀態(tài)、焊接工藝、施工習(xí)慣等，都會對重量誤差產(chǎn)生不同程度的影響，固定系數(shù)的選取也無定式可循。

在陵水17-2半潛式生產(chǎn)平臺船體建造過程中，依托良好的管理流程和三維設(shè)計軟件，首次在浮體生產(chǎn)裝置的重量控制工作中，將建造過程中的重量系數(shù)進(jìn)行了量化統(tǒng)計，并取得了優(yōu)異的成果。

1 重量控制建造系數(shù)的定義

重量控制建造系數(shù)也可稱為建造不確定系數(shù)，是指用于覆蓋在建造過程中必然發(fā)生且無法通過設(shè)計圖紙進(jìn)行理論統(tǒng)計的重量，而設(shè)置的用于理論重量加成的一種系數(shù)。

設(shè)置此系數(shù)的目的是將設(shè)計工作中無法統(tǒng)計的建造誤差納入重量預(yù)估的范圍，確保重量報告中重量估值的真實性及準(zhǔn)確性。此系數(shù)涉及的重量單元主要包括鋼板正公差、焊接材料、油漆等。

2 重量控制建造系數(shù)的量化統(tǒng)計

重量控制建造系數(shù)用量化計算方法，替代固定系數(shù)的方法，是陵水17-2項目船體建造過程重量控制工作的主要創(chuàng)新點。其核心工作是結(jié)合三維模型數(shù)據(jù)、鋼板測厚值匹配設(shè)計分布、焊接物理量及油漆工作量等數(shù)據(jù)，將建造階段的各類重量誤差進(jìn)行量化統(tǒng)計。

2.1 鋼板厚度公差系數(shù)統(tǒng)計

在浮體生產(chǎn)裝置中，鋼板重量在平臺整體重量中占比最大，特別是在船體部分，鋼板重量一般占船體總重量的80%以上。所以，鋼板的厚度公差能直接影響整個平臺重量控制報告中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對鋼板重量的厚度公差做到準(zhǔn)確統(tǒng)計，對平臺整體重量控制的準(zhǔn)確性將起到基礎(chǔ)作用。以往的研究中也提到板厚偏差統(tǒng)計的重要性[1]。

鋼板厚度公差的量化統(tǒng)計主要流程包括： 設(shè)定鋼板測厚數(shù)據(jù)庫，現(xiàn)場測厚并記錄數(shù)據(jù)，測厚數(shù)據(jù)與設(shè)計分布比對并返回重量報告。

2.1.1 設(shè)定鋼板測厚數(shù)據(jù)庫

根據(jù)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙及零件清單，可以推導(dǎo)出各類板厚的鋼板重量分布及占比，再結(jié)合對應(yīng)鋼板的數(shù)量，依此設(shè)定鋼板測厚數(shù)量。

鋼板測厚工作需遵循以下原則：

(1) 需覆蓋設(shè)計圖紙中所有板厚。

(2) 建議對所有到貨鋼板均進(jìn)行板厚測定；如條件不允許，則要求對每種板厚的測厚板的數(shù)量進(jìn)行重點識別，對板厚占全船比例較大的(超過10%)，測厚比例不低于90%，板厚總重不超過10%的，測厚比例不低于70%。

以陵水17-2船體某區(qū)域為例，按照詳細(xì)設(shè)計圖紙及材料清單，各板厚重量占比如表1所示。

表1 陵水17-2船體某區(qū)域各板厚重量占比Tab.1 Weight percentage of plate thickness in a certain area of Lingshui 17-2 hull

根據(jù)分析，此區(qū)域內(nèi)18 mm、 20 mm、 22 mm及25 mm此四類板厚的設(shè)計重量，占此區(qū)域主結(jié)構(gòu)重量比例約為68%。

因此，質(zhì)檢人員在進(jìn)行材料驗貨、材料確認(rèn)等工序中，需盡量將全部鋼板進(jìn)行測厚并記錄。若因不可控制原因無法全部進(jìn)行測厚的，則對占比較大的18 mm、 20 mm、 22 mm及25 mm此四類鋼板，要求測厚的鋼板數(shù)量占相應(yīng)厚度鋼板總數(shù)的比例至少達(dá)到90%，其他厚度的鋼板，測厚比例至少達(dá)到70%。

2.1.2 現(xiàn)場測厚并記錄數(shù)據(jù)

現(xiàn)場測厚時需注意以下2個方面：

1) 鋼板測厚方法需滿足相關(guān)規(guī)范的要求

以入級ABS的陵水17-2半潛式生產(chǎn)平臺為例，根據(jù)ABS標(biāo)準(zhǔn)Rules for Materials and Welding Part 2中鋼板厚度的測定要求[5]，鋼板測厚人員需針對原材料鋼板或切割板材，區(qū)分測量方法，在圖1中規(guī)定的位置測量厚度。厚度測量可采用自動或手動方法。測量程序和測量記錄應(yīng)提供給驗船師。

2) 數(shù)據(jù)記錄需完整

數(shù)據(jù)記錄需至少包含材料名稱、理論板厚、理論板尺、材質(zhì)、理論重量、鋼板爐批號以及9組測厚數(shù)據(jù)信息。其中，爐批號用于出現(xiàn)個別板厚誤差不滿足要求時的同一爐鋼材或同一批次鋼材的擴展調(diào)查。

2.1.3 數(shù)據(jù)比對返回重量報告

1) 測厚樣本數(shù)據(jù)分析

根據(jù)檢驗人員完成的鋼板測厚記錄表，在樣本足夠的情況下，可以獲取每一類板厚的平均板厚及增重比例。

例如，某項目根據(jù)測量數(shù)據(jù)累計，12 mm厚鋼板共測厚293張，有效測厚數(shù)據(jù)293組，樣本數(shù)量足夠，經(jīng)計算得出平均厚度為12.157 2 mm。據(jù)此可以推算出，在本項目的鋼板供貨狀態(tài)下，全船12 mm厚的鋼板增重比例約為0.157 2/12=1.31%。

2) 數(shù)據(jù)回歸重控報告

在重控報告中，各類板厚對總重的加成一般都體現(xiàn)在數(shù)據(jù)表中，數(shù)據(jù)可以追溯至設(shè)計材料表。各個板厚重量單項根據(jù)測厚樣本數(shù)據(jù)，逐個增加板厚誤差增重比例，即可形成完整的鋼板正公差系數(shù)回歸。

以陵水17-2平臺船體為例，某局部區(qū)域共有8個分段，此區(qū)域板厚分布為12～65 mm，共計13種板厚。根據(jù)13種板厚的測厚數(shù)據(jù)樣本，可以得出上述每種板厚的增重系數(shù)，即鋼板正公差帶來的建造系數(shù)，如表2所示。

圖1 鋼板測厚點位置Fig.1 Locations of thickness measuring points on steel plates說明： (1) 如圖1所示，從1號線、2號線或3號線中至少選擇兩條線，并在每條選定線上至少選擇3個點進(jìn)行厚度測量。如果每條線上的點數(shù)超過3個，則每條線上的點數(shù)應(yīng)相同。測量位置適用于直接從一塊板坯或鋼錠軋制的產(chǎn)品，即使該產(chǎn)品稍后將由制造商切割。圖1也顯示了與后期切割產(chǎn)品相關(guān)的原始測量示例。(2) 對于自動測量，測量外圍點應(yīng)位于距離邊緣10～300 mm的位置。(3) 對于手動測量，測量外圍點應(yīng)位于距離邊緣10～100 mm的位置。

表2 鋼板測厚數(shù)據(jù)推算得出的增重系數(shù)Tab.2 Construction allowance calculated from plate thickness measurement data

依據(jù)此數(shù)據(jù)，結(jié)合分段中每種板厚的理論重量，加權(quán)得出每種板厚的增重重量，進(jìn)而得出8個分段的板厚公差系數(shù)，如表3所示。以此類推可以得到全船的板厚公差系數(shù)。

表3 陵水船體項目部分分段板厚公差系數(shù)Tab.3 Construction allowance from plate thickness tolerance of Lingshui 17-2 hull

2.2 焊接重量系數(shù)統(tǒng)計

在常規(guī)做法中，焊接工作帶來的重量誤差多采用統(tǒng)一估算系數(shù)的方式，例如國內(nèi)部分船廠，一般取2%作為固定系數(shù)代入重量控制報告進(jìn)行統(tǒng)計。

依托陵水17-2船體區(qū)域的生產(chǎn)設(shè)計三維模型，錄入焊道有關(guān)信息，實現(xiàn)了自動輸出焊接物理量清單，進(jìn)而得到真實統(tǒng)計的焊材填充重量。

2.2.1 三維模型中坡口信息和焊接信息的錄入

在船體生產(chǎn)設(shè)計開始之前，根據(jù)項目焊接工藝、坡口詳圖，提前設(shè)置好坡口代碼和焊接工藝代碼，錄入三維模型建模數(shù)據(jù)庫。代碼設(shè)置完成后，在生產(chǎn)設(shè)計三維模型建立過程中，所有的坡口及焊接信息全部錄入船體三維模型。

2.2.2 輸出焊接物理量文件

根據(jù)三維模型中已經(jīng)錄入的坡口及焊接信息代碼，可以直接生成焊接物理量文件。此文件包含焊道工位、裝配名稱、焊接方式、焊接接頭類型、焊接姿態(tài)、焊接長度、理論焊材消耗重量等信息。根據(jù)以上信息，可以對不同接頭類型、不同焊道工位的焊接長度、耗材重量進(jìn)行準(zhǔn)確統(tǒng)計，如表4所示。

表4 焊接物理量Tab.4 Schematic diagram of physical quantity of welding

2.2.3 數(shù)據(jù)返回重量報告

得到焊接物理量的所有信息后，再根據(jù)模型中各類焊道的三維數(shù)據(jù)信息，可以得到每個分段不同焊材所有重量的集合，進(jìn)而得出每個分段的焊材重量和焊接重量系數(shù)，各分段焊材重量如表5所示。

表5 各分段焊材重量統(tǒng)計Tab.5 Weight statistics of welding materials in some hull blocks

2.3 油漆重量系數(shù)統(tǒng)計

在重量控制統(tǒng)計工作中，有些項目油漆重量作為一個重量單元單獨計算的，有些項目則是結(jié)合在各專業(yè)重量中，以油漆重量系數(shù)的形式進(jìn)行統(tǒng)計。

由于在陵水17-2船體項目中，鋼結(jié)構(gòu)重量占絕大部分，其油漆重量的組成與相應(yīng)區(qū)域的結(jié)構(gòu)類型和油漆配套息息相關(guān)，因此本方法針對油漆以系數(shù)體現(xiàn)的方式進(jìn)行量化統(tǒng)計。

2.3.1 油漆配套錄入三維模型數(shù)據(jù)庫

在三維模型的數(shù)據(jù)庫中，提前錄入油漆配套，利用船體三維設(shè)計軟件的報表功能，在船體生產(chǎn)設(shè)計階段，提前將零件的油漆配套組成，根據(jù)區(qū)域內(nèi)的防腐設(shè)計進(jìn)行錄入，從而得到油漆MTO文件。

該文件包括以下信息： 此文件包含了零件號、所在分段、零件材質(zhì)、零件面積、涂裝面積、涂層系統(tǒng)等信息。根據(jù)以上信息的報表，可以對不同分段、不同類型的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行油漆工作量統(tǒng)計，如表6所示。

表6 依托三維模型的油漆工作量清單Tab.6 Schematic diagram of paint workload

2.3.2 計算油漆重量

依據(jù)模型提取的油漆工作量清單，可以統(tǒng)計每個分段的油漆用量，結(jié)合一定的損耗系數(shù)，可以得出每個分段各個油漆配套的重量，進(jìn)而得出每個分段的油漆總重和油漆重量系數(shù)，油漆重量統(tǒng)計如表7所示。

表7 各分段基于零件噴涂面積的油漆重量準(zhǔn)確統(tǒng)計Tab.7 Accurate statistics of paint weight

3 重量控制建造系數(shù)的匯總及回歸

根據(jù)上述3類主要建造系數(shù)的量化統(tǒng)計的結(jié)果，每一類都代入重量報告，可以得到每種建造系數(shù)對應(yīng)的增重重量，以及匯總后的整體重量控制建造系數(shù)。最終得到重量控制建造系數(shù)，加到船體干重后，便可得到船體凈重。

在陵水17-2船體項目中，通過此方法，成功獲得了該半潛式生產(chǎn)平臺船體在建造過程中的重量控制建造系數(shù)，如表8所示，并最終將各項誤差系數(shù)回歸至重量控制報告。

表8 陵水17-2船體重量控制報告(節(jié)選)Tab.8 Weight control report of Lingshui 17-2 hull

4 重量控制建造系數(shù)的驗證

為了核對重量控制工作中的統(tǒng)計方法和系數(shù)選用的準(zhǔn)確程度，保證統(tǒng)計方法、系數(shù)選取的科學(xué)性和適用性，在陵水17-2項目中，通過3次建造過程中的總段稱重，對建造系數(shù)進(jìn)行充分驗證。

稱重過程選取了底部浮筒區(qū)域和立柱區(qū)域的3個總段，兼顧了不同區(qū)域、不同板厚/艙室特點，并通過2種不同稱重工具進(jìn)行差異化驗證(見表9、圖2～圖4)。

圖2 現(xiàn)場過程稱重方式Fig.2 On site weighing methods

圖4 現(xiàn)場過程稱重結(jié)果2Fig.4 On site weighing result 2

結(jié)果顯示，3次過程稱重，利用本文中的量化統(tǒng)計方法及重量系數(shù)，得出的計算重量與實際稱重結(jié)果相比，最大偏差僅為1.07%，特別是對于稱重環(huán)境更穩(wěn)定的液壓重載車稱重方式，偏差僅為0.5%左右(見表10)。

表10 陵水17-2船體建造過程的稱重驗證結(jié)果Tab.10 Weighing results of Lingshui 17-2 hull blocks during construction

5 結(jié) 語

通過以上方法的介紹及驗證結(jié)果，可以得出結(jié)論，在優(yōu)異的三維模型功能加持下，做好建造數(shù)據(jù)庫錄入管理和模型報表輸出，能夠做到對浮體生產(chǎn)裝置建造過程中的重量控制建造系數(shù)進(jìn)行量化統(tǒng)計，同時可以使全船的重量控制報告的準(zhǔn)確程度上升至更高的水平。

此種重量控制建造系數(shù)的量化統(tǒng)計方法在國內(nèi)同行業(yè)中尚屬首次。此方法在陵水17-2半潛式生產(chǎn)平臺船體建造項目中順利實施，并通過分段過程稱重和單體完工整體稱重2種驗證方式，其優(yōu)越性、科學(xué)性及準(zhǔn)確性得到了充分的驗證，能夠為后續(xù)同類工作起到參考作用。