超大型導管架建造精度控制方法探討

高奎偉 焦方利 韓明 朱恕濤

摘? ? 要：我國正處于從海洋大國向海洋強國的轉型期，該時期最突出的特點就是海洋裝備制造能力的迅速提升。導管架作為傳統的海洋裝備，也經歷著由“粗獷型建造”向“精細化建造”的轉變。尺寸控制是精細化質量管理的重要措施，其控制精度在很大程度上決定了裝備制造能力。本文著重闡述了某超大型導管架建造各個階段的尺寸控制方法，簡要分析了其產生誤差的原因，提出沉降監測與反沉降對于超大型導管架建造工藝措施。

關鍵詞：導管架；控制網系統；尺寸控制；誤差分析

中圖分類號：P258? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Discussion on Precision Control Methods of Super Large

Jacket Construction

GAO Kuiwei1，? JIAO Fangli1，? HAN Ming2，? ZHU Shutao2

（ 1. COOEC-Fluor Heavy Industries Co.， Ltd.，? Zhuhai 519000;? ?2.Yantai CIMC Raffles Offshore Limited，? Yantai 264000 ）

Abstract： China is now in a transformation period from a major maritime country to a maritime power. The most prominent feature in such period is the rapidly-growing construction ability of offshore engineering equipment. Jackets， as a traditional offshore equipment， are also transforming from robust construction to lean construction. Dimension control is a very important measure for lean quality management. Usually construction ability depends on dimension control ability a lot. In this thesis， dimension control methods of a super large jacket construction in various stages are introduced， and the reasons for causing errors are briefly analyzed thereof. The settlement monitoring and anti-settlement are proposed for the super large jacket construction procee measures.

Key words：? jacket; control network system; dimension control; error analysis

1? ? ?前言

導管架按重量通常可分為小型導管架、中型導管架和大型導管架。小型導管架的建造工藝相對簡單，中、大型導管架的建造工藝要復雜得多。一方面是因為它的重量大，動輒幾千噸甚至上萬噸，另一方面是因為它的結構復雜，涉及的專業眾多，各部分結構的預制和總裝順序以及各專業的施工順序都有更加嚴格的要求。對于尺寸控制，往往需建立起完整的尺寸控制鏈，包括專業的人員、專業的設備與科學的方法等，才能保證尺寸控制在整個建造過程中不脫節、不失控。本文將簡要介紹某超大型導管架建造精度控制方案。

2? ? 控制網系統應用

2.1? ?建立控制網系統

控制網系統主要包括控制網與三維模型兩部分。建立控制網系統流程：布網、平差、采集特征點、引入模型、設置坐標系與坐標提取[1]。

1）布網。根據現場情況選擇合適的網型，較為常用的是閉合導線網。各控制點應設置在穩固的基礎上，分布應盡量均勻，各點間應保證良好的通視性，且方便現場施工。

2）平差。按照閉合導線網的施測方法，采集所有控制點的坐標，將測量數據導入平差軟件進行分析。經過平差后的結果必須滿足公差要求，方可進行下一步。

3）采集特征點。在導管架大片或中心桁架大片預制完成之后，使用控制網采集各節點的坐標，作為特征點。

4）引入模型。將導管架模型導入控制網文件中，通過平移、旋轉等，將模型與特征點相匹配。

5）設置坐標系與坐標提取。在模型與特征點完成匹配之后，需重新設立坐標系。設立新坐標系原則以方便數據分析為目的，比如以中心桁架中心線的投影為X軸，以1H水平拉筋中心線的投影為Y軸等，然后提取各控制點的最新坐標。至此，一個完整的控制網系統建立完成。圖1為控制網系統示意圖。

2.2? ?應用實例

2.2.1? 超大型導管架的總裝尺寸控制

番禺34-1綜合油氣平臺是超大型海洋平臺的典型代表之一，其導管架部分高203.5 m，重量為2.33萬噸。建造初期，在導管架的總裝區域布設了控制網。從導管腿的擺放到扣片總裝，每一個環節、目標點都受到了控制網的約束，有效避免誤差的累積，最終滿足了公差要求。

2.2.2? 導管架中復雜尺寸控制

對于雙傾角的導管架，其尺寸計算難度大。而對于空間內的一些經過扭曲或者旋轉的構件，其尺寸控制難度更大，例如井口塢的定位控制、立管末端與電纜護管末端的定位控制等。但采用控制網系統，可省去繁瑣的計算過程，將原本復雜的問題變得簡單，只需通過三維模型提取目標點的坐標，然后在現場通過控制網將其X、Y、Z三個方向的偏值控制到公差范圍內即可。

3? ? 導管架建造的尺寸控制要點

3.1? ?導管腿的接長與擺放

導管腿接長時主要控制長度、直線度和彎頭角度等。控制長度應在焊前對每道對接口預留適當的焊接收縮量，保證焊后總長度合格。直線度應至少在0°和90°兩個垂直的方向上進行測量。彎頭角度的控制應保證彎頭中心線與導管腿中心線的夾角與圖紙中標定的夾角相一致。此外，夏季施工時，應注意溫度對其尺寸的影響。

導管腿擺放時主要控制相鄰導管腿的尺寸和彎頭角度等。相鄰導管腿的尺寸包括長度、跨距、對角線、水平等。彎頭角度的控制包括：彎頭中心線與水平面的夾角；彎頭中心線與導管腿中心線在水平面內投影的夾角。導管架在旋轉為直立狀態后，彎頭應垂直于水平面。因此，在導管腿擺放時，彎頭角度的調整工作非常重要。

3.2? 花片預制與總裝

花片一般由兩根或兩根以上的拉筋管相交而成。花片在預制時應控制好被交位置（也稱“腳印”）和各拉筋管間的夾角及水平。根據單件圖檢查被交位置相對于兩端節點的尺寸、節點號、桿件號、馬鞍口的朝向等信息是否正確。在控制各拉筋管間夾角時，應用余弦定理的位置關系，如圖2所示 。

量取長度a=6 000 mm、b=6 000 mm、c（實際）=7910 mm，由單件圖可知夾角C的理論值為82.35°，可得：

△c=c（實際）-c（理論）=7 910-7 900=10（mm）

可知，桿件<1>與桿件<3>自由端A、B兩點距離比理論值大了10 mm。

花片總裝時，通常的做法是使用經緯儀或全站儀將測量點、測站點和對鏡點調整到同一個鉛垂面內。圖3為花片總裝示意圖。

3.3? ?水平片的預制與總裝

水平片預制時，應控制各水平拉筋間的跨距、對角線、水平等。對于有井口導向的水平片，應該在水平拉筋全部焊完之后，再安裝井口導向，并且井口導向的安裝要以水平片的中心線為基準。

水平片總裝時，應提前在控制網文件中提取各關鍵節點與井口導向中心的坐標，再利用控制網對其坐標進行控制。值得注意的是，測量點應做在節點位置或節點附近，并且遠離自由端。圖4為水平片總裝示意圖。

3.4? ?扣片的預制與總裝

根據不同的總裝順序，扣片可分為第一扣片、第二扣片等。扣片預制時，與底部大片的控制內容大致相同。不同的是，導管腿的現場口應預留一定的余量，并在第二扣片總裝前切除。扣片總裝時，測量點應做在水平拉筋節點位置和彎頭中心，控制內容包括扣片與底部大片各節點間的跨距、對角線，以及彎頭中心的跨距、對角線等。如圖5、圖6所示。

3.5? ?裙裝的預制與總裝

裙裝預制分兩種：與扣片或大片一起預制和單獨預制。其控制內容基本相同，包括每個套筒的角度、標高、套筒與相鄰導管腿的空間尺寸等。前者預制裙裝在總裝時，如無特別要求，一般控制好導管腿的尺寸即可，套筒上無需再做測量點。后者預制裙裝在總裝時，則應在導管腿和套筒上都做測量點，以確保其不會扭轉。

3.6? ?開排沉箱、立管等的定位

開排沉箱、立管以及各種護管頂部中心的位置度和標高需要嚴格控制，以保證這些管件與上部組塊能夠正確連接。此外，電纜護管與立管末端的開口方向、法蘭方向以及中心位置度等也要嚴格控制。

3.7? ?附件安裝及水線定位

靠船件和登船平臺在安裝時，應控制好其標高與角度，確保在導管架旋轉為直立狀態后垂直向下。靠船件安裝時，因為吸能器有一定的彈性，所以測量點不應做在靠船件的主管上，而是應該做在吸能器與導管腿之間的連接管上。導管腿在水平方向上的截面為橢圓形，其角度復雜，定位難度大，需相關專控制人員協助。

3.8? ?完工尺寸

在導管架的主結構完工后，首先需完成兩項關鍵尺寸的檢查工作：井口導向的同軸度；導管架的頭部尺寸。

采集導管架內所有井口導向的中心坐標，進行分析計算。只有所有的井口導向中心到最佳擬合線的偏差都滿足公差要求，才能保證導管架海上安裝時隔水套管能夠順利插入。不論是四腿導管架，還是八腿導管架，其頭部尺寸必須嚴格控制到公差范圍內，才能保證導管架與上部組塊能夠順利對接。

4? ? 誤差的產生與消除

引起觀測誤差的主要因素有人、儀器和客觀環境[2]。

4.1? 人的因素

尺寸控制人員應當具備一定的儀器鑒別能力與檢校能力，并且能夠根據不同的作業內容，快速而準確地選擇測量儀器和測量方法，需防止誤差累積、誤差線性放大和以偏概全問題，使最終結果不會超出公差要求。

4.2? ?儀器的因素

測量儀器自身都會存在一定的機械誤差，但有一些誤差是可以抵消的。

棱鏡、反射片、轉站靶、雙標靶等測量附件在使用中也會產生誤差：

一是反射片表面與全站儀視準軸的夾角（銳角）太小。測量時，應盡量使反射片表面與全站儀視準軸垂直，或接近垂直，避免小夾角測量；

二是長距離測量時使用了小規格的反射片。當測量距離超過50 m時，可以改用50 mm×50 mm或60 mm×60 mm規格的反射片，以保證其反射信號的強度；

三是由于測距激光遇到障礙物時發生了反射或衍射。測量時，儀器中心與反射片的連線（即光的傳播路徑）附近的障礙物必須移除。

4.3? ?客觀環境的因素

客觀環境因素的影響主要包括兩方面：對測量儀器的影響；對被測物體的影響。

全站儀依靠發射激光來測距，空氣濕度、能見度、熱流閃爍等都會影響其測量結果。為此不宜在酷暑、雨雪、大風或大霧天氣下從事測量作業。在進行精密測量時，應將作業區域的氣溫、氣壓、相對濕度等輸入全站儀，由儀器自動計算修正系數（ppm）。

夏季施工時，早晚溫差大，大型構件尺寸受溫度影響的變化明顯，需考慮材料的熱膨脹修正。

由于導管架的結構形式和鋼材的軋制方向等也會對其熱膨脹性能有所影響，因此，實際的膨脹量往往在理論值的上下浮動。

5? ? 沉降監測

沉降監測的目的：監控導管架大片水平，保證整個建造過程都在規定的水平面上進行；監控地基與各支撐點的承載能力；監控導管架的自身強度。

基準點一般應選取總裝區域外的固定點，噴涂醒目的標識，并做好隔離防護。監測點可以設置在大片的導管腿或下水桁架上，并進行定期檢查，防止丟失或破壞。

從預制到完工裝船全程都要進行沉降監測。在前期，每次大型吊裝之前都要進行監測，而后期一個月監測一次。一旦發現水平超差或者局部異常沉降，應及時反饋給相關部門。

由于導管架往往為“臥式”建造，裙裝的總重量為幾百至上千噸，裙裝會使得導管架局部偏重，在其主結構完工后，靠近裙裝的位置沉降量通常要明顯大于其他位置。因此，在導管腿上滑道梁時，就應該采取反沉降措施，將導管腿靠近裙裝的位置水平有意微微調高。

6? ? ?結束語

導管架每一個環節的建造誤差往往會累積到下一個環節，其尺寸精度需全過程控。本文通過簡要介紹某超大型導管架建造的成功案例，對尺寸控制方法和經驗進行了分析總結，并對誤差的產生原因進行了簡要分析，提出沉降監測與反沉降對于超大型導管架建造工藝措施。

參考文獻

[1] 工程測量規范 [S].北京：中國計劃出版社，2020.

[2] 武漢測繪科技大學.測量學（第三版）[M].北京：測繪出版社，2004.

作者簡介：高奎偉（1986- ），男，助理工程師。主要從事海洋裝備、礦山機械、新能源裝備等尺寸檢驗工作。

焦方利（1984- ），男，高級工程師。主要從事海洋裝備、礦山機械、新能源裝備等尺寸檢驗工作。

收稿日期：2022-11-28