半潜平台船体底部环形总段精确定位合拢技术研究及验证

李 勇， 朱传超， 张庆营， 牛建华， 常小龙

(海洋石油工程(青岛)有限公司，青岛 266500)

0 引 言

建造大型船舶或海洋平台结构总装合拢的方式主要有以下几种： 分段吊装合拢、巨型总段吊装合拢、SPMT小车合拢、三维重载机合拢、提升滑移合拢、顶升滑移合拢，各种合拢方式在工程实践中均有应用[1]。对于某一特定的工程项目而言，需要综合考虑建造场地的设备吊装能力、所需的设备资源配置、分段结构形式、建造方案、工期、费用以及精度要求等因素，才能确定合适的合拢方式。

吊装合拢技术是在分段预制完毕且内部预舾装装配完成后，利用大型起重设备(如履带吊、龙门吊)将分段吊起并安放到预定位置，然后进行焊接合拢，即所谓连续堆积的建造方法，该建造方法是船厂运用最为普遍的合拢技术。为减少定位时长时间占用吊机资源，提高合拢精度，通常需要利用三维调整机进行调整[2]。该技术需要大型起重设备。SPMT小车因其体积小、重量轻、组装快、操作便捷、组装后承载力强等特点，多用于大型结构物的专场运输，随着现今技术进步，SPMT小车也可用于大件设备安装及精准定位[3-4]。提升滑移合拢和顶升滑移合拢2种方式主要用于上下2个大型结构物之间的合拢，通过提升或顶升设备将上部构件上升到一定高度，然后通过滑移装置将下部结构构件移至上部构件的正下方，然后将上部构件进行下降，实现整体合拢。该方式需要船坞、龙门吊或专用的提升/顶升设备。三维重载车合拢是在被合拢物下铺设云型轨道的，云轨两侧设有两条平行齿条板，通过三维重载运输车上的针轮驱动装置与齿条板上圆齿啮合产生推动力，从而带动构件前进、后退，进而对被合拢物进行合拢定位。

陵水17-2深水半潜式生产储油平台(以下简称陵水17-2半潜式平台)是我国自主研发建造的全球首座十万吨级深水半潜式生产储油平台，用于开发我国首个1 500 m深水自营大气田——陵水17-2气田，为全球首创半潜平台立柱储油平台，最大储油量近2万立方米，实现了凝析油生产、储存和外输一体化功能[5]。陵水17-2半潜式平台下部船体为49.5 m×49.5 m×59 m，重量约为33 000 t，其中底部环形总段49.5 m×49.5 m×9 m，总重量约为10 800 t，共划分4个总段，综合建造场地的建造资源、分段划分、建造方案等考虑，底部环形总段采用三维重载车合拢的方式进行总装。本文对三维重载车合拢的原理、合拢定位要求进行了论述，通过相关计算以及合拢定位技术的实施进行了验证，验证了采用三维重载车合拢定位的可行性。

1 合拢定位原理及技术要求

1.1 三维重载车合拢定位原理

1.1.1 系统组成

三维重载车系统是由三维重载运输车、云型轨道、电力控制系统和监控系统4个主要部分组成，如图1所示。

图1 三维重载车系统组成Fig.1 System composition of 3D heavy haul vehicle

1.1.2 合拢定位原理

根据被合拢物的重量、重心、结构受力等因素计算出三维重载车的布车数量及位置并进行布车。三维重载运输车通过车体顶升油缸将承载力传递到车体底部重载链辊排上，平移驱动力是通过变频电机带动减速机提供恒定力的。顶升油缸底部通过连接底板座在一组可横向移动的特殊辊排上，辊排两端设有复位弹簧保持车体稳定和辊排自动复位，通过该浮动机构可使构件在移动时产生±50 mm自动校正位移。

1.1.3 三维重载运输车受力传递顺序

船体1的重力作用在顶盖板2上，顶盖板2为强结构，刚度、强度能达到均布载荷的目的，重力分散平均，通过油缸3传到横向辊排4上，横向辊排与复位弹簧结合，可消除水平方向应力，再通过调节座及底板5将力传至链辊排6，每台车有12组链辊排(单组链辊排额定载荷50 t)，最后通过云轨7将重力均匀地传到地面8，受力传递事宜如图2所示。

图2 受力传递事宜图Fig.2 Diagram of stress transfer

通过中控台中央处理器实现所布车辆的顶升、前进(后退)，并通过台整体联动、区域联动、单车单动实现最终的精确合拢。本项目所采用的重载运输车在三维方向上可以实现如下定位要求。

X向： 驱动力20 t,位移距离无限制；

Y向： 推动力100 t,位移距离±50 mm；

Z向： 顶升力400 t，位移距离0～200 mm。

1.2 合拢定位精度要求

陵水17-2深水半潜式生产储油平台的船体部分由底部浮箱和4个立柱组成，其中底部浮箱由4个L形巨型分段和2个直形浮箱分段组成，2个直形浮箱分段作为定位基准段，4个L形巨型分段采用三维重载车合拢的方式进行定位合拢，L形巨型分段的基本参数如表1所示。

表1 L形巨型分段的基本参数Tab.1 Basic parameters of L-shaped giant section

根据建造方案精度控制要求，L形巨型分段合拢精度要求如下：

垂直度： ±5 mm；

中心线： ±5 mm；

水平线： ±5 mm；

对角线： ±10 mm；

中线定位误差： ±3 mm。

2 三维重载车合拢技术

2.1 合拢顺序

首先确定2个直形浮箱分段作为基准段，底部浮箱合拢顺序及示意图如图3所示。

图3 底部浮箱合拢顺序及示意图Fig.3 Integration sequence and schematic diagram of bottom buoyancy tank

以4个L形巨型分段中重量最大的CT2-L2分段为例，从三维重载运输车的布车方案、强度计算、施工方案等方面进行描述。

2.2 布车方案

CT2-L2分段加上工装的总重量为3 031 t，通过计算，使用16台重载运输车，包括12台主动型和4台从动型，单台主动型重载运输车的额定牵引力为20 t，从动型重载运输车不具有牵引力但可以随动，单台重载运输车额定顶升载荷为400 t。在该分段强纵向结构上布置三列轨道，各车分布情况及云轨铺设如图4所示。

图4 三维重载运输车布置示意图Fig.4 Layout diagram of 3D heavy haul vehicle

2.3 三维重载运输车强度计算

结合以往项目的经验，需要对该分段进行支反力计算，除满足设备本身强度需求外，还需满足船底板及地面要求，以及还需要进行牵引力计算、顶升载荷计算、地面压强载荷(平均)计算、横向水平推力计算等各种计算。计算过程及结果提交第三方进行审核。

2.3.1 支反力计算

工装底座面积： 3.8 m×2 m=7.6 m2(按最小工装面积算)，每台重载车对船底板的压强=每台重载车的载荷/底座面积，结合16台重载车的载荷，每台车对船底板的压强计算结果如表2所示。经计算，对船底板最大压强为26.3 t/m2，小于船底板设计强度，满足技术要求。

表2 支反力及船底板压强计算Tab.2 Calculation of support reaction force and ship bottom plate pressure

2.3.2 牵引力计算

牵引力=重载运输车台数×单台运输车牵引力=12×20=240(t)；

行驶阻力=(分段重量+工装总量)×0.03=90.9(t)(行驶阻力系数按照0.03考虑)；

安全系数=牵引力/行驶阻力=2.6；

重载运输车牵引力满足运输要求。

2.3.3 顶升力计算

总顶升力=重载运输车台数×单台运输车顶升力=16×400=6 400(t)；

安全系数=总顶升力/(分段重量+工装总量)=6 400/(2 936+95)=2.1；

重载运输车顶升力满足运输要求。

2.3.4 地面压强平均载荷计算

重载运输车共3种类型，2台Ⅰ形主动型，单重为5.7 t；10台Ⅱ形主动型，单重为6.5 t，4台从动型，单重为4.5 t，16台重载运输车的总重量为94.4 t。轨道总长度为142 m，轨道单位重量为0.38 t/m，总重量为64.8 t，轨道接触面积为194.4 m2。

因此，轨道对地面的平均载荷=总重量/接触面积=(2 936+95+94.4+64.8)/194.4=16.4(t/m2)，平均载荷小于该处地面的设计载荷，满足要求。

2.3.5 横向水平推力计算

每台主动性型重载运输车有4个水平方向推拉油缸，每个油缸拉力=18 t，钢滚排与钢轨道滚动擦系数取0.03。

总拉力=单台油缸拉力×台数=4×18×12=864(t);

摩擦力=(分段重量+工装总量)×0.03=90.9(t)；

安全系数=总拉力/摩擦力=864/90.9=9.5；

横向水平推力满足要求。

2.4 合拢技术实施

2.4.1 分段运至合拢场地

使用SPMT运输小车将分段运输至合拢场地，并进行粗就位，X方向控制在±50 mm，Y方向控制在-100 mm。

2.4.2 施划轨道中心线

根据基准段P21、 P41的中心线位置，施划CT2-L2分段的轨道中心线，保证3条轨道中心线平行，轨道中心线划线精度： 直线度±3 mm，平行度3 mm；并做不可擦除标识。

2.4.3 轨道铺设

根据轨道中心线进行轨道铺设轨。使用25 t汽车吊将轨道吊到指定位置，使用8 t叉车对轨道进行摆放，使用云轨搬运轮组进行分段底部搬运，再用撬杠沿着轨道中心线逐节安装到位并找正；并使用经纬仪校核安装精度，进行校验确认。共需要铺设三条轨道，长度分别为60 m、60 m和30 m。

轨道铺设精度要求： 直线度±10 mm、水平度±10 mm、平行度±10 mm。

2.4.4 重载运输车进入

使用25 t汽车吊或叉车将重载运输车放置到轨道上，依据重载运输车布置图将重载运输车布设在指定位置。

2.4.5 联调合拢定位

根据CT2-L1分段精度尺寸，调整CT2-L2纵向预合拢口的余量后，施工步骤如下：

(1) 重载运输车沿轨道方向(纵向)行进约60 mm进行定位预合拢。

(2) CT2-L2分段进行纵、横方向同时定位合拢时，根据合拢精度要求，调整三维方向的精度尺寸。

(3) 重载运输车调整好分段三维方向精度尺寸后，抱紧工装支架垫木(垫板)，进行分段定位焊。

(4) 重载运输车卸载，等待24小时后，在CT2-L2分段没有变化的情况下，重载运输车可以卸载撤车。如果分段有下降情况，重载运输车可以再次进行顶升调整，以此达到分段合拢精度要求。

2.4.6 撤车、撤轨

该分段合拢作业完毕后，分步撤出三维重载运输车及轨道转至下一作业区。

3 结 语

分段吊装合拢，分段大小受龙门吊/履带吊起重能力限制，往往分段重量较小，分段完善度较低，所以需要的工期长，利用吊机资源多，占用船坞/滑道时间长，建造总成本高，但资源获取难度低，施工风险小，能够满足高精度合拢要求。SPMT小车合拢，可以满足2 000～6 000 t巨型分段的合拢，分段完善度高，占用船坞/滑道时间较短，但受制于SPMT小车移动精度限制，很难完成超高精度的合拢要求。本文通过陵水17-2半潜式生产平台船体底部环段合拢实际案例，对采用三维重载车合拢技术进行了实践验证，合拢精度高，占用船坞/滑道时间短，为后续同类项目在进行合拢定位方案的选择提供了更多的空间。