半潛平臺船體底部環(huán)形總段精確定位合攏技術(shù)研究及驗證

李 勇， 朱傳超， 張慶營， 牛建華， 常小龍

(海洋石油工程(青島)有限公司，青島 266500)

0 引 言

建造大型船舶或海洋平臺結(jié)構(gòu)總裝合攏的方式主要有以下幾種： 分段吊裝合攏、巨型總段吊裝合攏、SPMT小車合攏、三維重載機(jī)合攏、提升滑移合攏、頂升滑移合攏，各種合攏方式在工程實(shí)踐中均有應(yīng)用[1]。對于某一特定的工程項目而言，需要綜合考慮建造場地的設(shè)備吊裝能力、所需的設(shè)備資源配置、分段結(jié)構(gòu)形式、建造方案、工期、費(fèi)用以及精度要求等因素，才能確定合適的合攏方式。

吊裝合攏技術(shù)是在分段預(yù)制完畢且內(nèi)部預(yù)舾裝裝配完成后，利用大型起重設(shè)備(如履帶吊、龍門吊)將分段吊起并安放到預(yù)定位置，然后進(jìn)行焊接合攏，即所謂連續(xù)堆積的建造方法，該建造方法是船廠運(yùn)用最為普遍的合攏技術(shù)。為減少定位時長時間占用吊機(jī)資源，提高合攏精度，通常需要利用三維調(diào)整機(jī)進(jìn)行調(diào)整[2]。該技術(shù)需要大型起重設(shè)備。SPMT小車因其體積小、重量輕、組裝快、操作便捷、組裝后承載力強(qiáng)等特點(diǎn)，多用于大型結(jié)構(gòu)物的專場運(yùn)輸，隨著現(xiàn)今技術(shù)進(jìn)步，SPMT小車也可用于大件設(shè)備安裝及精準(zhǔn)定位[3-4]。提升滑移合攏和頂升滑移合攏2種方式主要用于上下2個大型結(jié)構(gòu)物之間的合攏，通過提升或頂升設(shè)備將上部構(gòu)件上升到一定高度，然后通過滑移裝置將下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件移至上部構(gòu)件的正下方，然后將上部構(gòu)件進(jìn)行下降，實(shí)現(xiàn)整體合攏。該方式需要船塢、龍門吊或?qū)Ｓ玫奶嵘?頂升設(shè)備。三維重載車合攏是在被合攏物下鋪設(shè)云型軌道的，云軌兩側(cè)設(shè)有兩條平行齒條板，通過三維重載運(yùn)輸車上的針輪驅(qū)動裝置與齒條板上圓齒嚙合產(chǎn)生推動力，從而帶動構(gòu)件前進(jìn)、后退，進(jìn)而對被合攏物進(jìn)行合攏定位。

陵水17-2深水半潛式生產(chǎn)儲油平臺(以下簡稱陵水17-2半潛式平臺)是我國自主研發(fā)建造的全球首座十萬噸級深水半潛式生產(chǎn)儲油平臺，用于開發(fā)我國首個1 500 m深水自營大氣田——陵水17-2氣田，為全球首創(chuàng)半潛平臺立柱儲油平臺，最大儲油量近2萬立方米，實(shí)現(xiàn)了凝析油生產(chǎn)、儲存和外輸一體化功能[5]。陵水17-2半潛式平臺下部船體為49.5 m×49.5 m×59 m，重量約為33 000 t，其中底部環(huán)形總段49.5 m×49.5 m×9 m，總重量約為10 800 t，共劃分4個總段，綜合建造場地的建造資源、分段劃分、建造方案等考慮，底部環(huán)形總段采用三維重載車合攏的方式進(jìn)行總裝。本文對三維重載車合攏的原理、合攏定位要求進(jìn)行了論述，通過相關(guān)計算以及合攏定位技術(shù)的實(shí)施進(jìn)行了驗證，驗證了采用三維重載車合攏定位的可行性。

1 合攏定位原理及技術(shù)要求

1.1 三維重載車合攏定位原理

1.1.1 系統(tǒng)組成

三維重載車系統(tǒng)是由三維重載運(yùn)輸車、云型軌道、電力控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)4個主要部分組成，如圖1所示。

圖1 三維重載車系統(tǒng)組成Fig.1 System composition of 3D heavy haul vehicle

1.1.2 合攏定位原理

根據(jù)被合攏物的重量、重心、結(jié)構(gòu)受力等因素計算出三維重載車的布車數(shù)量及位置并進(jìn)行布車。三維重載運(yùn)輸車通過車體頂升油缸將承載力傳遞到車體底部重載鏈輥排上，平移驅(qū)動力是通過變頻電機(jī)帶動減速機(jī)提供恒定力的。頂升油缸底部通過連接底板座在一組可橫向移動的特殊輥排上，輥排兩端設(shè)有復(fù)位彈簧保持車體穩(wěn)定和輥排自動復(fù)位，通過該浮動機(jī)構(gòu)可使構(gòu)件在移動時產(chǎn)生±50 mm自動校正位移。

1.1.3 三維重載運(yùn)輸車受力傳遞順序

船體1的重力作用在頂蓋板2上，頂蓋板2為強(qiáng)結(jié)構(gòu)，剛度、強(qiáng)度能達(dá)到均布載荷的目的，重力分散平均，通過油缸3傳到橫向輥排4上，橫向輥排與復(fù)位彈簧結(jié)合，可消除水平方向應(yīng)力，再通過調(diào)節(jié)座及底板5將力傳至鏈輥排6，每臺車有12組鏈輥排(單組鏈輥排額定載荷50 t)，最后通過云軌7將重力均勻地傳到地面8，受力傳遞事宜如圖2所示。

圖2 受力傳遞事宜圖Fig.2 Diagram of stress transfer

通過中控臺中央處理器實(shí)現(xiàn)所布車輛的頂升、前進(jìn)(后退)，并通過臺整體聯(lián)動、區(qū)域聯(lián)動、單車單動實(shí)現(xiàn)最終的精確合攏。本項目所采用的重載運(yùn)輸車在三維方向上可以實(shí)現(xiàn)如下定位要求。

X向： 驅(qū)動力20 t,位移距離無限制；

Y向： 推動力100 t,位移距離±50 mm；

Z向： 頂升力400 t，位移距離0～200 mm。

1.2 合攏定位精度要求

陵水17-2深水半潛式生產(chǎn)儲油平臺的船體部分由底部浮箱和4個立柱組成，其中底部浮箱由4個L形巨型分段和2個直形浮箱分段組成，2個直形浮箱分段作為定位基準(zhǔn)段，4個L形巨型分段采用三維重載車合攏的方式進(jìn)行定位合攏，L形巨型分段的基本參數(shù)如表1所示。

表1 L形巨型分段的基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of L-shaped giant section

根據(jù)建造方案精度控制要求，L形巨型分段合攏精度要求如下：

垂直度： ±5 mm；

中心線： ±5 mm；

水平線： ±5 mm；

對角線： ±10 mm；

中線定位誤差： ±3 mm。

2 三維重載車合攏技術(shù)

2.1 合攏順序

首先確定2個直形浮箱分段作為基準(zhǔn)段，底部浮箱合攏順序及示意圖如圖3所示。

圖3 底部浮箱合攏順序及示意圖Fig.3 Integration sequence and schematic diagram of bottom buoyancy tank

以4個L形巨型分段中重量最大的CT2-L2分段為例，從三維重載運(yùn)輸車的布車方案、強(qiáng)度計算、施工方案等方面進(jìn)行描述。

2.2 布車方案

CT2-L2分段加上工裝的總重量為3 031 t，通過計算，使用16臺重載運(yùn)輸車，包括12臺主動型和4臺從動型，單臺主動型重載運(yùn)輸車的額定牽引力為20 t，從動型重載運(yùn)輸車不具有牽引力但可以隨動，單臺重載運(yùn)輸車額定頂升載荷為400 t。在該分段強(qiáng)縱向結(jié)構(gòu)上布置三列軌道，各車分布情況及云軌鋪設(shè)如圖4所示。

圖4 三維重載運(yùn)輸車布置示意圖Fig.4 Layout diagram of 3D heavy haul vehicle

2.3 三維重載運(yùn)輸車強(qiáng)度計算

結(jié)合以往項目的經(jīng)驗，需要對該分段進(jìn)行支反力計算，除滿足設(shè)備本身強(qiáng)度需求外，還需滿足船底板及地面要求，以及還需要進(jìn)行牽引力計算、頂升載荷計算、地面壓強(qiáng)載荷(平均)計算、橫向水平推力計算等各種計算。計算過程及結(jié)果提交第三方進(jìn)行審核。

2.3.1 支反力計算

工裝底座面積： 3.8 m×2 m=7.6 m2(按最小工裝面積算)，每臺重載車對船底板的壓強(qiáng)=每臺重載車的載荷/底座面積，結(jié)合16臺重載車的載荷，每臺車對船底板的壓強(qiáng)計算結(jié)果如表2所示。經(jīng)計算，對船底板最大壓強(qiáng)為26.3 t/m2，小于船底板設(shè)計強(qiáng)度，滿足技術(shù)要求。

表2 支反力及船底板壓強(qiáng)計算Tab.2 Calculation of support reaction force and ship bottom plate pressure

2.3.2 牽引力計算

牽引力=重載運(yùn)輸車臺數(shù)×單臺運(yùn)輸車牽引力=12×20=240(t)；

行駛阻力=(分段重量+工裝總量)×0.03=90.9(t)(行駛阻力系數(shù)按照0.03考慮)；

安全系數(shù)=牽引力/行駛阻力=2.6；

重載運(yùn)輸車牽引力滿足運(yùn)輸要求。

2.3.3 頂升力計算

總頂升力=重載運(yùn)輸車臺數(shù)×單臺運(yùn)輸車頂升力=16×400=6 400(t)；

安全系數(shù)=總頂升力/(分段重量+工裝總量)=6 400/(2 936+95)=2.1；

重載運(yùn)輸車頂升力滿足運(yùn)輸要求。

2.3.4 地面壓強(qiáng)平均載荷計算

重載運(yùn)輸車共3種類型，2臺Ⅰ形主動型，單重為5.7 t；10臺Ⅱ形主動型，單重為6.5 t，4臺從動型，單重為4.5 t，16臺重載運(yùn)輸車的總重量為94.4 t。軌道總長度為142 m，軌道單位重量為0.38 t/m，總重量為64.8 t，軌道接觸面積為194.4 m2。

因此，軌道對地面的平均載荷=總重量/接觸面積=(2 936+95+94.4+64.8)/194.4=16.4(t/m2)，平均載荷小于該處地面的設(shè)計載荷，滿足要求。

2.3.5 橫向水平推力計算

每臺主動性型重載運(yùn)輸車有4個水平方向推拉油缸，每個油缸拉力=18 t，鋼滾排與鋼軌道滾動擦系數(shù)取0.03。

總拉力=單臺油缸拉力×臺數(shù)=4×18×12=864(t);

摩擦力=(分段重量+工裝總量)×0.03=90.9(t)；

安全系數(shù)=總拉力/摩擦力=864/90.9=9.5；

橫向水平推力滿足要求。

2.4 合攏技術(shù)實(shí)施

2.4.1 分段運(yùn)至合攏場地

使用SPMT運(yùn)輸小車將分段運(yùn)輸至合攏場地，并進(jìn)行粗就位，X方向控制在±50 mm，Y方向控制在-100 mm。

2.4.2 施劃軌道中心線

根據(jù)基準(zhǔn)段P21、 P41的中心線位置，施劃CT2-L2分段的軌道中心線，保證3條軌道中心線平行，軌道中心線劃線精度： 直線度±3 mm，平行度3 mm；并做不可擦除標(biāo)識。

2.4.3 軌道鋪設(shè)

根據(jù)軌道中心線進(jìn)行軌道鋪設(shè)軌。使用25 t汽車吊將軌道吊到指定位置，使用8 t叉車對軌道進(jìn)行擺放，使用云軌搬運(yùn)輪組進(jìn)行分段底部搬運(yùn)，再用撬杠沿著軌道中心線逐節(jié)安裝到位并找正；并使用經(jīng)緯儀校核安裝精度，進(jìn)行校驗確認(rèn)。共需要鋪設(shè)三條軌道，長度分別為60 m、60 m和30 m。

軌道鋪設(shè)精度要求： 直線度±10 mm、水平度±10 mm、平行度±10 mm。

2.4.4 重載運(yùn)輸車進(jìn)入

使用25 t汽車吊或叉車將重載運(yùn)輸車放置到軌道上，依據(jù)重載運(yùn)輸車布置圖將重載運(yùn)輸車布設(shè)在指定位置。

2.4.5 聯(lián)調(diào)合攏定位

根據(jù)CT2-L1分段精度尺寸，調(diào)整CT2-L2縱向預(yù)合攏口的余量后，施工步驟如下：

(1) 重載運(yùn)輸車沿軌道方向(縱向)行進(jìn)約60 mm進(jìn)行定位預(yù)合攏。

(2) CT2-L2分段進(jìn)行縱、橫方向同時定位合攏時，根據(jù)合攏精度要求，調(diào)整三維方向的精度尺寸。

(3) 重載運(yùn)輸車調(diào)整好分段三維方向精度尺寸后，抱緊工裝支架墊木(墊板)，進(jìn)行分段定位焊。

(4) 重載運(yùn)輸車卸載，等待24小時后，在CT2-L2分段沒有變化的情況下，重載運(yùn)輸車可以卸載撤車。如果分段有下降情況，重載運(yùn)輸車可以再次進(jìn)行頂升調(diào)整，以此達(dá)到分段合攏精度要求。

2.4.6 撤車、撤軌

該分段合攏作業(yè)完畢后，分步撤出三維重載運(yùn)輸車及軌道轉(zhuǎn)至下一作業(yè)區(qū)。

3 結(jié) 語

分段吊裝合攏，分段大小受龍門吊/履帶吊起重能力限制，往往分段重量較小，分段完善度較低，所以需要的工期長，利用吊機(jī)資源多，占用船塢/滑道時間長，建造總成本高，但資源獲取難度低，施工風(fēng)險小，能夠滿足高精度合攏要求。SPMT小車合攏，可以滿足2 000～6 000 t巨型分段的合攏，分段完善度高，占用船塢/滑道時間較短，但受制于SPMT小車移動精度限制，很難完成超高精度的合攏要求。本文通過陵水17-2半潛式生產(chǎn)平臺船體底部環(huán)段合攏實(shí)際案例，對采用三維重載車合攏技術(shù)進(jìn)行了實(shí)踐驗證，合攏精度高，占用船塢/滑道時間短，為后續(xù)同類項目在進(jìn)行合攏定位方案的選擇提供了更多的空間。