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(qiáng)國的轉(zhuǎn)型期，該時(shí)期最突出的特點(diǎn)就是海洋裝備制造能力的迅速提升。導(dǎo)管架作為傳統(tǒng)的海洋裝備，也經(jīng)歷著由“粗獷型建造”向“精細(xì)化建造”的轉(zhuǎn)變。尺寸控制是精細(xì)化質(zhì)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(dǎo)管架建造各個(gè)階段的尺寸控制方法，簡要分析了其產(chǎn)生誤差的原因，提出沉降監(jiān)測與反沉降對于超大型導(dǎo)管架建造工藝措施。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)管架；控制網(wǎng)系統(tǒng)；尺寸控制；誤差分析

中圖分類號：P258? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(dǎo)管架按重量通常可分為小型導(dǎo)管架、中型導(dǎo)管架和大型導(dǎo)管架。小型導(dǎo)管架的建造工藝相對簡單，中、大型導(dǎo)管架的建造工藝要復(fù)雜得多。一方面是因?yàn)樗闹亓看螅瑒虞m幾千噸甚至上萬噸，另一方面是因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及的專業(yè)眾多，各部分結(jié)構(gòu)的預(yù)制和總裝順序以及各專業(yè)的施工順序都有更加嚴(yán)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(yè)的人員、專業(yè)的設(shè)備與科學(xué)的方法等，才能保證尺寸控制在整個(gè)建造過程中不脫節(jié)、不失控。本文將簡要介紹某超大型導(dǎo)管架建造精度控制方案。

2? ? 控制網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用

2.1? ?建立控制網(wǎng)系統(tǒng)

控制網(wǎng)系統(tǒng)主要包括控制網(wǎng)與三維模型兩部分。建立控制網(wǎng)系統(tǒng)流程：布網(wǎng)、平差、采集特征點(diǎn)、引入模型、設(shè)置坐標(biāo)系與坐標(biāo)提取[1]。

1）布網(wǎng)。根據(jù)現(xiàn)場情況選擇合適的網(wǎng)型，較為常用的是閉合導(dǎo)線網(wǎng)。各控制點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在穩(wěn)固的基礎(chǔ)上，分布應(yīng)盡量均勻，各點(diǎn)間應(yīng)保證良好的通視性，且方便現(xiàn)場施工。

2）平差。按照閉合導(dǎo)線網(wǎng)的施測方法，采集所有控制點(diǎn)的坐標(biāo)，將測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入平差軟件進(jìn)行分析。經(jīng)過平差后的結(jié)果必須滿足公差要求，方可進(jìn)行下一步。

3）采集特征點(diǎn)。在導(dǎo)管架大片或中心桁架大片預(yù)制完成之后，使用控制網(wǎng)采集各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，作為特征點(diǎn)。

4）引入模型。將導(dǎo)管架模型導(dǎo)入控制網(wǎng)文件中，通過平移、旋轉(zhuǎn)等，將模型與特征點(diǎn)相匹配。

5）設(shè)置坐標(biāo)系與坐標(biāo)提取。在模型與特征點(diǎn)完成匹配之后，需重新設(shè)立坐標(biāo)系。設(shè)立新坐標(biāo)系原則以方便數(shù)據(jù)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(diǎn)的最新坐標(biāo)。至此，一個(gè)完整的控制網(wǎng)系統(tǒng)建立完成。圖1為控制網(wǎng)系統(tǒng)示意圖。

2.2? ?應(yīng)用實(shí)例

2.2.1? 超大型導(dǎo)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(dǎo)管架部分高203.5 m，重量為2.33萬噸。建造初期，在導(dǎo)管架的總裝區(qū)域布設(shè)了控制網(wǎng)。從導(dǎo)管腿的擺放到扣片總裝，每一個(gè)環(huán)節(jié)、目標(biāo)點(diǎn)都受到了控制網(wǎng)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(dǎo)管架中復(fù)雜尺寸控制

對于雙傾角的導(dǎo)管架，其尺寸計(jì)算難度大。而對于空間內(nèi)的一些經(jīng)過扭曲或者旋轉(zhuǎn)的構(gòu)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(hù)管末端的定位控制等。但采用控制網(wǎng)系統(tǒng)，可省去繁瑣的計(jì)算過程，將原本復(fù)雜的問題變得簡單，只需通過三維模型提取目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，然后在現(xiàn)場通過控制網(wǎng)將其X、Y、Z三個(gè)方向的偏值控制到公差范圍內(nèi)即可。

3? ? 導(dǎo)管架建造的尺寸控制要點(diǎn)

3.1? ?導(dǎo)管腿的接長與擺放

導(dǎo)管腿接長時(shí)主要控制長度、直線度和彎頭角度等。控制長度應(yīng)在焊前對每道對接口預(yù)留適當(dāng)?shù)暮附邮湛s量，保證焊后總長度合格。直線度應(yīng)至少在0°和90°兩個(gè)垂直的方向上進(jìn)行測量。彎頭角度的控制應(yīng)保證彎頭中心線與導(dǎo)管腿中心線的夾角與圖紙中標(biāo)定的夾角相一致。此外，夏季施工時(shí)，應(yīng)注意溫度對其尺寸的影響。

導(dǎo)管腿擺放時(shí)主要控制相鄰導(dǎo)管腿的尺寸和彎頭角度等。相鄰導(dǎo)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(dǎo)管腿中心線在水平面內(nèi)投影的夾角。導(dǎo)管架在旋轉(zhuǎn)為直立狀態(tài)后，彎頭應(yīng)垂直于水平面。因此，在導(dǎo)管腿擺放時(shí)，彎頭角度的調(diào)整工作非常重要。

3.2? 花片預(yù)制與總裝

花片一般由兩根或兩根以上的拉筋管相交而成?；ㄆ陬A(yù)制時(shí)應(yīng)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(jù)單件圖檢查被交位置相對于兩端節(jié)點(diǎn)的尺寸、節(jié)點(diǎn)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(shí)，應(yīng)用余弦定理的位置關(guān)系，如圖2所示 。

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

△c=c（實(shí)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(diǎn)距離比理論值大了10 mm。

花片總裝時(shí)，通常的做法是使用經(jīng)緯儀或全站儀將測量點(diǎn)、測站點(diǎn)和對鏡點(diǎn)調(diào)整到同一個(gè)鉛垂面內(nèi)。圖3為花片總裝示意圖。

3.3? ?水平片的預(yù)制與總裝

水平片預(yù)制時(shí)，應(yīng)控制各水平拉筋間的跨距、對角線、水平等。對于有井口導(dǎo)向的水平片，應(yīng)該在水平拉筋全部焊完之后，再安裝井口導(dǎo)向，并且井口導(dǎo)向的安裝要以水平片的中心線為基準(zhǔn)。

水平片總裝時(shí)，應(yīng)提前在控制網(wǎng)文件中提取各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)與井口導(dǎo)向中心的坐標(biāo)，再利用控制網(wǎng)對其坐標(biāo)進(jìn)行控制。值得注意的是，測量點(diǎn)應(yīng)做在節(jié)點(diǎn)位置或節(jié)點(diǎn)附近，并且遠(yuǎn)離自由端。圖4為水平片總裝示意圖。

3.4? ?扣片的預(yù)制與總裝

根據(jù)不同的總裝順序，扣片可分為第一扣片、第二扣片等?？燮A(yù)制時(shí)，與底部大片的控制內(nèi)容大致相同。不同的是，導(dǎo)管腿的現(xiàn)場口應(yīng)預(yù)留一定的余量，并在第二扣片總裝前切除?？燮傃b時(shí)，測量點(diǎn)應(yīng)做在水平拉筋節(jié)點(diǎn)位置和彎頭中心，控制內(nèi)容包括扣片與底部大片各節(jié)點(diǎn)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(yù)制與總裝

裙裝預(yù)制分兩種：與扣片或大片一起預(yù)制和單獨(dú)預(yù)制。其控制內(nèi)容基本相同，包括每個(gè)套筒的角度、標(biāo)高、套筒與相鄰導(dǎo)管腿的空間尺寸等。前者預(yù)制裙裝在總裝時(shí)，如無特別要求，一般控制好導(dǎo)管腿的尺寸即可，套筒上無需再做測量點(diǎn)。后者預(yù)制裙裝在總裝時(shí)，則應(yīng)在導(dǎo)管腿和套筒上都做測量點(diǎn)，以確保其不會扭轉(zhuǎn)。

3.6? ?開排沉箱、立管等的定位

開排沉箱、立管以及各種護(hù)管頂部中心的位置度和標(biāo)高需要嚴(yán)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(hù)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(yán)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(shí)，應(yīng)控制好其標(biāo)高與角度，確保在導(dǎo)管架旋轉(zhuǎn)為直立狀態(tài)后垂直向下?？看惭b時(shí)，因?yàn)槲芷饔幸欢ǖ膹椥?，所以測量點(diǎn)不應(yīng)做在靠船件的主管上，而是應(yīng)該做在吸能器與導(dǎo)管腿之間的連接管上。導(dǎo)管腿在水平方向上的截面為橢圓形，其角度復(fù)雜，定位難度大，需相關(guān)?？刂迫藛T協(xié)助。

3.8? ?完工尺寸

在導(dǎo)管架的主結(jié)構(gòu)完工后，首先需完成兩項(xiàng)關(guān)鍵尺寸的檢查工作：井口導(dǎo)向的同軸度；導(dǎo)管架的頭部尺寸。

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

4? ? 誤差的產(chǎn)生與消除

引起觀測誤差的主要因素有人、儀器和客觀環(huán)境[2]。

4.1? 人的因素

尺寸控制人員應(yīng)當(dāng)具備一定的儀器鑒別能力與檢校能力，并且能夠根據(jù)不同的作業(yè)內(nèi)容，快速而準(zhǔn)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(jié)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(jī)械誤差，但有一些誤差是可以抵消的。

棱鏡、反射片、轉(zhuǎn)站靶、雙標(biāo)靶等測量附件在使用中也會產(chǎn)生誤差：

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

二是長距離測量時(shí)使用了小規(guī)格的反射片。當(dāng)測量距離超過50 m時(shí)，可以改用50 mm×50 mm或60 mm×60 mm規(guī)格的反射片，以保證其反射信號的強(qiáng)度；

三是由于測距激光遇到障礙物時(shí)發(fā)生了反射或衍射。測量時(shí)，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(huán)境的因素

客觀環(huán)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(fā)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(jié)果。為此不宜在酷暑、雨雪、大風(fēng)或大霧天氣下從事測量作業(yè)。在進(jìn)行精密測量時(shí)，應(yīng)將作業(yè)區(qū)域的氣溫、氣壓、相對濕度等輸入全站儀，由儀器自動計(jì)算修正系數(shù)（ppm）。

夏季施工時(shí)，早晚溫差大，大型構(gòu)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(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)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(shí)際的膨脹量往往在理論值的上下浮動。

5? ? 沉降監(jiān)測

沉降監(jiān)測的目的：監(jiān)控導(dǎo)管架大片水平，保證整個(gè)建造過程都在規(guī)定的水平面上進(jìn)行；監(jiān)控地基與各支撐點(diǎn)的承載能力；監(jiān)控導(dǎo)管架的自身強(qiáng)度。

基準(zhǔn)點(diǎn)一般應(yīng)選取總裝區(qū)域外的固定點(diǎn)，噴涂醒目的標(biāo)識，并做好隔離防護(hù)。監(jiān)測點(diǎn)可以設(shè)置在大片的導(dǎo)管腿或下水桁架上，并進(jìn)行定期檢查，防止丟失或破壞。

從預(yù)制到完工裝船全程都要進(jìn)行沉降監(jiān)測。在前期，每次大型吊裝之前都要進(jìn)行監(jiān)測，而后期一個(gè)月監(jiān)測一次。一旦發(fā)現(xiàn)水平超差或者局部異常沉降，應(yīng)及時(shí)反饋給相關(guān)部門。

由于導(dǎo)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(dǎo)管架局部偏重，在其主結(jié)構(gòu)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(dǎo)管腿上滑道梁時(shí)，就應(yīng)該采取反沉降措施，將導(dǎo)管腿靠近裙裝的位置水平有意微微調(diào)高。

6? ? ?結(jié)束語

導(dǎo)管架每一個(gè)環(huán)節(jié)的建造誤差往往會累積到下一個(gè)環(huán)節(jié)，其尺寸精度需全過程控。本文通過簡要介紹某超大型導(dǎo)管架建造的成功案例，對尺寸控制方法和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了分析總結(jié)，并對誤差的產(chǎn)生原因進(jìn)行了簡要分析，提出沉降監(jiān)測與反沉降對于超大型導(dǎo)管架建造工藝措施。

參考文獻(xiàn)

[1] 工程測量規(guī)范 [S].北京：中國計(jì)劃出版社，2020.

[2] 武漢測繪科技大學(xué).測量學(xué)（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(jī)械、新能源裝備等尺寸檢驗(yàn)工作。

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

收稿日期：2022-11-28