FPSO 建造關(guān)鍵技術(shù)

周建華

（舟山中遠(yuǎn)海運重工有限公司，浙江舟山 316000）

0 引言

海洋石油資源約占全球石油總蘊藏量的2/3，近年來隨著陸地和近海石油資源被大量開采，人們逐漸將目光轉(zhuǎn)向深遠(yuǎn)海域，因此需要一種適應(yīng)深遠(yuǎn)海域作業(yè)的集加工、存儲和卸載功能為一體的作業(yè)平臺，而浮式生產(chǎn)儲卸油裝置（floating pr oduction storage and offloading，以下簡稱：FPSO）符合這些需求。一艘FPSO 由船體、功能模塊和系泊系統(tǒng)等組成，F(xiàn)PSO 具有適應(yīng)能力強、儲油量大、抗擊風(fēng)浪能力較強，具有靈活轉(zhuǎn)移、循環(huán)利用等特征[1]。國內(nèi)的FPSO 發(fā)展和起步比西方國家晚10 年[2]。船體是FPSO 的重要組成部分，在有限建造周期內(nèi)保證船體的精度和強度使其滿足使用要求是每家船廠的目標(biāo)，由舟山中遠(yuǎn)海運重工為希臘石油公司Energean 建造的Karish FP SO 船體項目為此積累了大量的經(jīng)驗，文章基于建造FPSO 實踐經(jīng)驗，主要就FPSO 船體建造過程中遇到的技術(shù)難題及解決方法進行說明。

1 項目概況

該FPSO 為一艘海上加工和儲存兼卸載功能的無動力海工儲油裝置，其總長227 m，垂線間長227 m， 型寬50 m，型深27 m，設(shè)計吃水19.5 m，年生產(chǎn)能力80 億m3天然油氣，最大裝載容量98.5 萬桶。其設(shè)計壽命為35 年，服役其間原則上無需進塢保養(yǎng)及維修。該FPSO 將應(yīng)用于距以色列海岸75 公里處深水區(qū)。

該FPSO 中部貨油艙區(qū)域設(shè)計雙底雙殼貫穿前后，貨油艙液貨密度按1.025 t/m3進行加強設(shè)計，中間設(shè)置9 個貨油艙，左右舷設(shè)置5 對壓載艙。系泊方式采用多點系泊，首尾左右舷各布置1 組錨泊設(shè)備，在右舷舷外安裝一個輸入立管平臺連接海底，而左舷舷外安裝一個平臺用于天然氣的對岸輸出。上層建筑設(shè)置在船舶首部，設(shè)計為一個能滿足75人的生活服務(wù)區(qū)，安全與應(yīng)用設(shè)施同時均能滿足120 人使用標(biāo)準(zhǔn)，頂部設(shè)有直升機平臺。

2 技術(shù)難題及解決方法

2.1 海水及消防提升泵Caisson管垂直度和同心度精度控制

海水提升泵Caisson管和消防提升泵Caisson管從甲板貫穿到船底，每根Caisson 管由4 小段對接而成，總高度達(dá)到27.5 m，為保證泵體順暢，同心度要求小于10 mm，垂直度要求小于1 mm/3 m，在實際施工中還存在管子自身身同心度偏差較大、管子對接接頭比較多和跨多層平臺施工等客觀問題。

為達(dá)到垂直度和同心度的精度要求，具體解決方案為：

1）開工前進行研討和策劃，編制詳細(xì)施工工藝；

2）對管材進行數(shù)據(jù)測量和記錄，根據(jù)每段管子的偏差大小和方向，計算最佳組合，降低材料的影響；

3）制作泵體模型（如圖1 所示），在管子定位、焊前和焊后等重要節(jié)點，進行模擬拉入；

4）降低施工難度，最底部一段在分段制作階段安裝好，上部3 段管子在車間胎架上拼接好，搭載時整體吊裝；

5）編制相應(yīng)焊接工藝，減少焊接變形；

6）底部分段定位時，優(yōu)先保證好底部Caisson管的垂直度，上部分Caisson 管與下部對好位置，最后掛線錘調(diào)整垂直度。

圖1 制作泵體模型

使用該方法，滿足海水及消防提升泵Caisson 管在保證垂直度和同心度等工藝要求的同時，降低了建造難度，改善了現(xiàn)場施工條件。

2.2 立管平臺垂直立管和水平導(dǎo)管的定位精度控制

立管平臺導(dǎo)管總長最達(dá)65 m，直線度要求2/2 000 mm，寬度方向和高度方向間距的偏差要求控制到?5～+15 mm 之間，原料管自身直線度偏差較大，且由于導(dǎo)管長度太長無法整體吊裝，給施工造成困難。

為達(dá)到垂直立管和水平導(dǎo)管的定位精度要求，具體解決方案為：

1）開工前，對每一步的施工方案進行論證，編制詳細(xì)施工工藝；

2）對原料管進行檢查，不符合要求的進行校正；

3）將65 m 的管子提前組裝成3 段，最后再上船安裝，擴大平面作業(yè)，降低合攏難度；

4）拼接時，通過模板胎架和拉鋼絲的方法來控制拼接的直線度，拼接現(xiàn)場作業(yè)圖如圖2 所示；

5）吊裝時，設(shè)計導(dǎo)向工裝來快速定位；

6）根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，上部管子預(yù)留適當(dāng)余量，便于調(diào)整兩根導(dǎo)管之間的相對位置。該解決方案在保證立管平臺導(dǎo)管的精度的同時將部分高空作業(yè)變成平面作業(yè)，降低安全風(fēng)險，提高施工效率。

2.3 模塊底座的定位精度

本項目FPSO 模塊底座（如圖3 所示）共計151只，分為13 組，下口焊接在主甲板上，要與甲板反面結(jié)構(gòu)對位，錯位量需小于0.3 倍板厚；上口與模塊連接，模塊在國外制作和安裝，模塊底座上口的 間距偏差需控制在5 mm 以內(nèi)，同時要考慮模塊的制作偏差。

圖2 拼接現(xiàn)場作業(yè)

圖3 FPSO 模塊底座

具體解決方案為：

1）開工前，編制詳細(xì)的施工工藝，指導(dǎo)現(xiàn)場施工；

2）開發(fā)專用工裝和改善工藝，來提高制作精度。通過提高模塊底座的制作精度，來降低后續(xù)的合攏難度：

（1）制作工裝（圖4），對支撐管進行等分，準(zhǔn)確快速堪劃十字線；

（2）優(yōu)化管子固定方式，調(diào)好第一根的角度后，后續(xù)管子不需再重新調(diào)整切割角度，端部角度全部保持一致；

（3）使用雙頭半自動割刀，制作專用工裝，使切割機軌道和管子固定平臺的相對位置固定，實現(xiàn)批量化制作；

（4）按1∶1 比例劃地樣線和定位胎架，保證支撐腿的角度，并保證連接肘板和支撐管中心在同一水平面；

（5）按甲板梁拱制作出胎架（圖5），調(diào)整模塊底座下部分水平后，再安裝上半部分。安裝上半部分時，只需調(diào)整首尾方向和半寬方向的垂直度；

3）根據(jù)模塊底座在甲板上的布置，分段制作階段就在主甲板上繪制出檢驗線，做好洋沖標(biāo)記。船體成型后，安裝模塊底座時，按檢驗線檢查模塊底座與甲板結(jié)構(gòu)的對位；

4）模塊底座合攏前，根據(jù)洋沖標(biāo)記堪劃出底座的安裝線和結(jié)構(gòu)檢驗線。合攏時，模塊底座下口對準(zhǔn)安裝線，調(diào)整上口的垂直度，檢查相鄰底座間距是否與圖紙一致，即可完成定位。

該解決方案，有效的保證了模塊底座制作和定位精度，并成功實現(xiàn)了模塊底座整體建造，節(jié)約了吊車資源，縮短了船塢周期。

2.4 焊接質(zhì)量控制

1）管子彎頭焊接質(zhì)量控制

本項目管子彎頭多，無形中增加焊接接頭，由于彎頭與直管的裝配容易存在錯邊，焊接難度較大，特別是打底焊接，根部焊縫余高過高，焊縫成型質(zhì)量差，完全達(dá)不到ISO 5817 Level C 的質(zhì)量要求。

具體解決方案為：

（1）組織對質(zhì)量部檢驗員、制造工區(qū)管加車間管理人員以及焊工進行專門培訓(xùn)，對焊接工藝的要求、裝配焊接等方面進行講解；

（2）檢驗員對管子裝配進行內(nèi)檢，加強對車間的焊接過程巡檢，同時要求工區(qū)挑選焊接技能較好的焊工專門進行打底焊接，以改善根部打底焊接的問題。

2）銅鎳管焊接質(zhì)量控制

銅鎳管焊接困難主要表現(xiàn)在：

圖4 制作工裝

圖5 按甲板梁拱制作出胎架

（1）焊工技能要求高；

（2）管子的裝配要求高，裝配要求錯邊量最大不能超過2.4 mm；

（3）焊接過程控制要求高，開始焊接前的氧含量不得超過0.01%，焊接過程中氧的含量不得超過0.05%，焊接的層間溫度要求不超過100℃。

（4）焊縫質(zhì)量要求高，表面不允許存在咬邊。單道焊縫的寬度不超過12 mm，焊縫的顏色不能存在氧化情況。

具體解決方案為：

（1）嚴(yán)格控制焊絲質(zhì)量，選用特種焊絲進行焊接；

（2）嚴(yán)格控制焊接參數(shù)，焊接參數(shù)必須在WPS要求的范圍內(nèi)；

（3）嚴(yán)格控制層間溫度在100℃以下，并用100℃的測溫筆來測量層間溫度；

（4）氬氣采用大瓶液態(tài)氬供氣，保證連續(xù)供氣，確保背面焊縫的保護[3]；

（5）嚴(yán)格按照測氧程序要求進行氧含量的檢測，要求焊前不超過0.01%，焊接中不超過0.05%。

3）L 型組合型材焊接工藝優(yōu)化

本項目的縱骨存在大量L 型組合型材焊接（焊接方案如圖6 所示），此類結(jié)構(gòu)形式的型材存在如下問題：

（1）工作量大，L 型組合型材下料后，首先需要在腹板上開設(shè)坡口，然后再跟面板進行裝配和焊接；

（2）焊接變形大，因為開設(shè)了V 型坡口，當(dāng)焊接輸入過大時容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)焊接變形，矯正難度較大；

（3）能源和工時的浪費較大。

具體解決方案為：

（1）將V 型坡口的焊接形式改成普通的雙面連續(xù)角焊縫的形式，雙面連續(xù)角焊縫滿足L 型材作為縱骨的強度需求（焊接方案如圖7 所示）；

（2）L 型組合型材焊前進行組裝，點焊打磨；

圖6 L 型組合型材焊接優(yōu)化前方案

圖7 L 型組合型材焊接優(yōu)化后方案

（3）L 型組合型材改為雙面連續(xù)角焊可在T排生產(chǎn)流水線焊接。

通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，將V 型坡口的焊接形式改成普通的雙面連續(xù)角焊縫的形式，減去了開設(shè)坡口及焊接后打磨的工作量。施工效率比V 型坡口焊接的工作效率更高，減少焊接熱輸入使焊接變形更容易控制。

2.5 管排電纜托架布置優(yōu)化

本項目的管排上電纜托架需布置兩層共十二路托架，托架下方是一排管子，由于管排頂上要承載大型模塊重量，因此管排頂上鋼板焊死不能拆封。前期主干電纜托架布置不合理，施工人員只能站在3 號和4 號托架之間的空檔拉放和敷設(shè)電纜（見圖8），很難通過常規(guī)的手臂操作對管排上2 號托架和5 號托架的電纜進行敷設(shè)、綁扎和維修，這會增加施工難度，嚴(yán)重影響交船進度。

圖8 優(yōu)化前管排電纜托架布置

具體解決方案為：由于管排上2 號托架和5 號托架不能敷設(shè)和綁扎電纜，因此需要修改管排上托架布置，減小1 號和2 號、5 號和6 號托架之間的間隙，增大1 號和2 號、5 號和6 號托架之間的間隙。施工人員可以同時在2 號和3 號、4 號和5 號托架之間的空檔拉放敷設(shè)電纜，這些舉措增加了施工空間。此外，生產(chǎn)工序上需要做一些更改，施工人員進行電纜拉放操作時需先拆除局部托架留出空間供電纜拉放，然后由管排中間往兩舷依次拉放（見圖9）。

文章中對托架的布置方案，只需要修改管排上托架的布置，沒有引起其他專業(yè)比如管子及管支架的修改，這樣可以將修改量降到最小，避免材料的損失，保證施工節(jié)點的進度。

3 結(jié)論

圖9 優(yōu)化后管排電纜托架布置

由舟山中遠(yuǎn)海運重工建造的Karish F PSO 項目于2019 年9 月18 日成功下水，該FPSO 項目具有 技術(shù)要求高，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高、建造周期短等特點。公司通過采取一系列控制措施，有效的保證了各項技術(shù)指標(biāo)，并節(jié)約了人力、物力和能源等各方面資源，縮短了船塢周期，該項目的成功實施擴展了公司的產(chǎn)品類型，提升了浙江省在海洋工程設(shè)計建造領(lǐng)域的實力及形象。