用于单点系泊椎筒结构预制的尺寸控制工艺的制作方法

本发明涉及海洋工程建造技术领域，具体而言，特别涉及一种用于单点系泊椎筒结构预制的尺寸控制工艺。

背景技术：

单点系泊系统，作为一种成熟的海上油气生产处理、贮存和转运技术，已被广泛采用。不同于常规的海工模块或者船体结构，由于单点系泊系统特有的风向标效应，导致其主体多为大直径椎筒形的塔体结构，并且这些椎筒结构具有极高的尺寸精度要求，因此椎筒结构预制过程中的尺寸控制是单点系泊系统建造的关键点和难点。

传统的大直径椎筒结构预制工艺大体分为如下过程：下料切割弧板，并进行卷制；划地样基准线，摆放并调平预制垫墩；装配组对所有弧板，并使用米字架进行保形固定；焊接弧板拼缝，完成一段椎筒的预制。

上述过程存在以下缺点：

1、过程较为简单，不注重预制施工中的过程监控和过程控制；

2、地样基准线的种类和数量不足，无法为预制过程提供足够的参考基准点；

3、米字架保形固定只能实现点的精度控制，无法控制整个弧面的精度；

4、没有针对不同的尺寸公差类型，做出针对性的尺寸控制措施；

5、没有划分出预留弧板，无法预测评估焊接收缩量，并对焊接收缩进行控制和补偿；

6、大部分完工尺寸项不满足单点系泊极高的精度要求，从而造成大量返修工作，造成资源的浪费，增加建造成本。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。有鉴于此，本发明需要提供一种能够实现椎筒结构一次性高精度的预制施工，满足单点系泊系统极高的尺寸精度要求，解决了单点系泊结构建造精度过高难以实现的难题；避免因尺寸超差造成的返工，减少资源的浪费，降低建造成本的用于单点系泊椎筒结构预制的尺寸控制工艺。

本发明提供一种用于单点系泊椎筒结构预制的尺寸控制工艺，包括以下步骤：

s1、依据结构设计将椎筒自上而下划为第一椎段、第二椎段和第三椎段，并将第一椎段划分为多个第一弧板，第二椎段划分为多个第二弧板，第三椎段划分为多个第三弧板，然后分别绘制第一弧板、第二弧板和第三弧板进行连接的纵缝和环缝的分布图；

s2、对第一弧板、第二弧板和第三弧板的分布图进行排版下料并进行逐一卷制成型；

s3、划地样基准线布设并调平预制垫墩；

s4、在预制垫墩上装配第一椎段的多个第一弧板，其中预留一个第一弧板暂不装配，对装配后的第一椎段尺寸进行测量并微调，而后通过支撑件对第一椎段的多个第一弧板进行固定并保形，然后焊接第一椎段中的所有纵缝，最后修剪预留的第一弧板后进行装配并焊接；

s5、测量并修平第一椎段的上口，并在第一椎段的上口内侧安装保形圆环；

s6、依据步骤s4、s5中的操作方法，在第一椎段上装配并焊接第二椎段，并对第一椎段和第二椎段之间的环缝进行焊接；

s7、依据步骤s4、s5中的操作方法，在第二椎段上装配并焊接第三椎段，并对第三椎段和第二椎段之间的环缝进行焊接，而后修剪第三椎段上口的环缝下料余量；

s8、切除并打磨所有支撑件，完成单点系泊椎筒的结构预制。

进一步地，步骤s2中，所述第一弧板、所述第二弧板和所述第三弧板进行排版下料时，每段中最后装配的预留的弧板设有纵缝下料余量，所述纵缝下料余量的长度大于该段椎筒中所有纵缝的焊接收缩量之和，每个所述第三弧板的上端侧均统一设有环缝下料余量，所述环缝下料余量的高度大于该段椎筒中所有环缝的焊接收缩量之和。

进一步地，步骤s3中，划地样基准线时，依据椎筒结构上下口的理论尺寸，划出椎筒结构上下口在水平基准面上的上基准投影圆和下基准投影圆，依据椎筒结构所有环缝的理论尺寸，划出每圈环缝在水平基准面上的多个环缝投影圆，其中多个所述环缝投影圆、所述上基准投影圆和所述下基准投影圆为同心圆设置。

进一步地，步骤s4中，所述第一弧板的具体装配实施过程如下：

s4-1、根据基准投影圆的位置，在预定垫墩上焊接多块限位角板，以确保使第一弧板的下口与基准投影圆相吻合；

s4-2、将多个所述第一弧板依次放置就位，并在每个所述第一弧板的背侧设置多个背斜支撑，配合所述限位角板完成所述第一弧板固定就位；

s4-3、在每个所述第一弧板上口间隔相同距离标记一系列尺寸控制点，在每个控制点上各设置一个铅垂，微调所述第一弧板的就位姿态，确保每个所述铅垂均与自下而上设置的第一环缝投影圆重合，以保证所述第一弧板下口与下基准投影圆重合；

s4-4、将所述第一弧板与背斜支撑和限位角板焊接固定，完成一个所述第一弧板的装配，重复上述步骤，完成除预留的所述第一弧板外其他所有所述第一弧板的装配。

进一步地，步骤s4中的所述支撑件包括多个自上而下依次间隔开设置的扇形筋板。

进一步地，步骤s6和步骤s7中，所述第一椎段和所述第二椎段之间的环缝上设有多个间隔开设置的第一筋板，所述第二椎段和所述第三椎段之间的环缝上设有多个间隔开设置的第二筋板，其中所述第一筋板和所述第二筋板在步骤s8中切除并进行打磨处理。

进一步地，步骤s7中，修剪所述第三椎段上口环缝下料余量的具体操作方法如下：

s7-1、测量椎筒上部圆口相对水平基准平面的平整度公差；

s7-2、测量椎筒上部圆口相对中轴线的垂直度公差；

s7-3、测量椎筒整体的长度相对理论值的公差；

s7-4、步骤s7-1、s7-2、s7-3中的三个公差数值均在允许误差范围内时，则无需对所述第三椎段上口环缝下料余量进行修剪；

s7-5、若上述公差数值有超差时，拟定一个第二理论修剪平面，按照该第二理论修剪平面修剪后，平整度和端部垂直度不再超差，整体长度不再超差，并且椎筒结构上口的周长和半径不再超差；最后按照上述理论修剪平面对第三椎段的上口的环缝下料余量进行修剪。

进一步地，所述第一椎段的上的纵缝与所述第二椎段上的纵缝错位设置，所述第三椎段上的纵缝与所述第一椎段上的纵缝一一对齐设置。

进一步地，所述扇形筋板的长度大于纵缝的焊接热影响区的长度。

本发明的一种用于单点系泊椎筒结构预制的尺寸控制工艺，通过采用上述步骤的技术方案，能够实现椎筒结构一次性高精度的预制施工，满足单点系泊系统极高的尺寸精度要求，解决了单点系泊结构建造精度过高难以实现的难题；避免了因尺寸超差造成的返工，减少了资源的浪费，降低了建造成本。

附图说明

图1是本发明中椎筒预制完成示意图。

图2是本发明中椎筒分段示意图。

图3是本发明中椎段划分弧板的结构示意图。

图4是本发明中纵缝和环缝的分布图结构示意图。

图5是本发明中纵缝下料余量和环缝下料余量的示意图。

图6是本发明中水平基准面示意图。

图7是本发明中预制垫墩分布图以及第一弧板装配示意图。

图8是本发明中第一弧板尺寸调整和装配固定示意图。

图9是本发明中第一椎段纵缝焊接和保形圆环装配示意图。

图10是本发明中预留的第一弧板修剪和装配示意图。

图11是本发明中预留的第一弧板装配就位示意图。

图12是本发明中第一椎段上口尺寸修剪示意图。

图13是本发明中安装第一筋板示意图。

图14是本发明中第二弧板装配示意图。

图15是本发明中预留的第二弧板的装配示意图。

图16是本发明中完成第三椎段装配后弧板的结构示意图。

图17是本发明中修剪第三椎段上口的结构示意图。

图18是本发明中完成第三椎段上口修剪尺寸后的结构示意图。

附图标记：1-椎筒；2-纵缝；3-环缝；4-预制垫墩；5-扇形筋板；6-保形圆环；7-限位角板；8-背斜支撑；9-铅锤；11-第一椎段；12-第二椎段；13-第三椎段；20-纵缝下料余量；30-环缝下料余量；40-第一筋板；50-第二筋板；100-尺寸控制点；111-第一弧板；121-第二弧板；131-第三弧板；

111a-预留的第一弧板；121a-预留的第二弧板；131a-预留的第三弧板；

bl-地样基准线；

blobl-水平基准面；

cl-中轴线；

pl0-下基准投影圆；

pl1-第一环缝投影圆；

pl2-第二环缝投影圆；

pl3-上基准投影圆；

tp1-第一理论修剪平面；

tp2-第一理论修剪平面。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1至图18所示，一种用于单点系泊椎筒结构预制的尺寸控制工艺，包括以下步骤：

s100、依据结构设计将椎筒1自上而下划为第一椎段11、第二椎段12和第三椎段13，并将第一椎段11划分为多个第一弧板111，第二椎段12划分为多个第二弧板121，第三椎段13划分为多个第三弧板131，然后分别绘制第一弧板111、第二弧板121和第三弧板131进行连接的纵缝2和环缝3的分布图；其中、椎筒1是指由卷制的弧板拼接而成的变截面的椎筒结构，纵缝2和环缝3为弧板之间的拼接焊缝，纵缝2为沿着椎筒1高度方向的拼接焊缝，环缝3为沿着圆周方向的拼接焊缝，如图2-5所示，纵缝2、环缝3分布图为：表示纵缝2和环缝3在椎筒1上相对位置的图纸，绘制该图纸时，需要遵照特定的规范来确定每个纵缝2和环缝3的位置，进一步地，在本发明的具体实施例中，椎筒1划分为三段，在其他实施例中，椎筒1划分段数也可以为其他数值，多段椎筒1的实施工艺按照上述要求实施即可；

s200、对第一弧板111、第二弧板121和第三弧板131的分布图进行排版下料并进行逐一卷制成型；

上述多段不同位置的弧板为组成椎筒1的基本结构单元，由平直的板材通过卷板机卷制而成；

s300、划地样基准线布设并调平预制垫墩4；

s400、在预制垫墩4上装配第一椎段11的多个第一弧板111，其中预留一个第一弧板111a暂不装配，对装配后的第一椎段11尺寸进行测量并微调，而后通过支撑件对第一椎段11的多个第一弧板111进行固定并保形，然后焊接第一椎段11中的所有纵缝2，最后修剪预留的第一弧板111a后进行装配并焊接；

该步骤中，使用全站仪对第一椎段整体的尺寸公差进行测量，并微调，确保装配精度，上述尺寸公差主要包含第一椎段11的周长公差、半径公差、不圆度、端部圆口的平整度和端部垂直度、组对拼缝错皮公差及椎筒长度公差等，以上公差具体数值要求，需要根据项目规格书或者规范确定，由于预留的最后一块第一弧板111a尚未装配，周长公差可根据已完成装配的弧板弧长的测量结果及预留板位的理论弧长进行初步估算；

该步骤中，焊接装配纵缝2时，要求多名焊工对称同步施焊，并采用合理的焊接工艺策略来控制焊接变形，如过程矫正策略，过程矫正策略是指：每完成一定的阶段焊接量，便进行停工测量，根据测量结果分析焊接变形趋势及焊接收缩量，根据变形趋势，制定反变形策略，如调整焊接顺序和焊接参数、在阻止变形趋势的位置追加筋板，根据焊接收缩量，在下一次弧板装配时，对每个装配焊缝增加装配间隙（大小等于焊接收缩量），使装配间隙抵消焊后收缩量；

该步骤中，测量最后预留的第一弧板111a板位的焊后尺寸，并据此修剪预留的第一弧板111a，切除一定量的纵缝下料余量20，然后将修剪后的预留的第一弧板111a装配到位，完成其两侧纵缝2的焊接；

s500、测量并修平第一椎段11上口的平整度和端部垂直度，并在第一椎段11的上口内侧安装保形圆环6，完成第一椎段11的预制，第一椎段11上口的平整度和端部垂直度修平的具体步骤为：测量第一椎段11上口相对水平基准平面blobl的平整度偏差，以及测量第一椎段11上口相对中轴线cl的垂直度偏差，若两个偏差数值均在允许误差范围内，则无需调整，若有超差，则在第一椎段11上口找到最低点p，拟定一个过p点且与水平基准平面blobl平行的第一理论修剪平面tp1，将该平面tp1以上的椎筒段切除后，确保该平面tp1以下的椎筒的平整度和端部垂直度不再超差，最后，按照该平面tp1修剪第一椎段11上口；

对第一段椎段11上口焊接保形圆环6来控制上口尺寸，防止焊接变形，原因是第一椎段11上口的尺寸精度是接来下装配的第二椎段12的基础，直接决定了安装第二椎段12的预制精度，因此上口的尺寸精度需要进行严格的控制；

s600、依据步骤s400、s500中的操作方法，在第一椎段11上装配并焊接第二椎段12，并对第一椎段11和第二椎段12之间的环缝3进行焊接；

s700、依据步骤s400、s500中的操作方法，在第二椎段12上装配并焊接第三椎段13，并对第三椎段13和第二椎段12之间的环缝3进行焊接，而后修剪第三椎段13上口的环缝下料余量30；

s800、切除并打磨所有支撑件，完成单点系泊椎筒的结构预制；

其中保形圆环6可暂不切除，以便继续为椎筒1的后续吊装运输施工提供保形加强防护作用。

本发明的一种用于单点系泊椎筒结构预制的尺寸控制工艺，通过采用上述步骤的技术方案，能够实现椎筒结构一次性高精度的预制施工，满足单点系泊系统极高的尺寸精度要求，解决了单点系泊结构建造精度过高难以实现的难题；避免了因尺寸超差造成的返工，减少了资源的浪费，降低了建造成本。

如图1至图5所示，步骤s200中，第一弧板111、第二弧板121和第三弧板131进行排版下料时，每段中最后装配的预留的弧板设有纵缝下料余量20，上述纵缝下料余量20是指在垂直于预留的弧板纵缝2方向所增加的余量，纵缝下料余量20的长度大于该段椎筒1中所有纵缝2的焊接收缩量之和，以抵消焊接收缩；每个第三弧板131的上端侧均统一设有环缝下料余量30，上述环缝下料余量30是指在最上段椎筒1所有的弧板上口椎筒高度方向所统一增加的一段余量，环缝下料余量30的高度大于该段椎筒1中所有环缝3的焊接收缩量之和，原因在于椎筒1完成所有环缝3的焊接后，由于焊接收缩导致焊后椎筒1的整体高度小于理论值，因此需要增加环缝下料余量30来抵消焊接收缩。

如图6所示，步骤s300中，划地样基准线时，依据椎筒1结构上下口的理论尺寸，划出椎筒1结构上下口在水平基准面上的基准投影圆，依据椎筒结构所有环缝3的理论尺寸，划出每圈环缝3在水平基准面上的多个环缝投影圆，其中多个环缝投影圆、基准投影圆为同心圆设置，需要理解的是，地样基准线用bl标识，且为两条相互垂直相交的十字线，两条基准线bl的交点为中心原点o，该十字基准线bl所在的平面为水平基准面blobl，垂直于水平基准面blobl且经过中心原点o的线为椎筒的中轴线cl，根据椎筒1下口的理论尺寸，划出下口在水平基准面blobl上的下基准投影圆pl0；根据椎筒1两圈环缝3的理论尺寸，划出两圈环缝3投影圆在水平基准面blobl上的第一环缝投影圆pl1和第二环缝投影圆pl2；根据椎筒上口的的理论尺寸，划出上口在水平基准面blobl上的上基准投影圆pl3，上述投影圆是以中心原点o为圆心的同心圆，根据地样基准线bl，布设预制垫墩4，并进行调平，预制垫墩4是在椎筒1预制阶段起支撑固定作用的基础辅助结构，预制垫墩4需要以地样基准线bl进行准确摆放，且不能遮挡覆盖地样基准线bl上的关键基准点，若有遮挡，需要将遮挡点反驳至预制垫墩4表面可见的区域，预制垫墩4一旦完成准确定位固定，不可再与地样基准线bl发生任何相对移动，其中调平是指将预制垫墩4支撑上表面的平整度进行调整控制，使其需满足椎筒1下口的平整度和端部垂直度的公差要求。

如图6和图7所示，步骤s400中，参照地样基准线bl，以中心原点0为圆心，装配底层第一椎段11一圈的第一弧板111，预留最后一块带纵缝下料余量20的预留的第一弧板111a暂不参与装配，其中第一弧板111的具体装配实施过程如下：

s400-1、根据椎筒1下口的下基准投影圆plo的位置，在预定垫墩4上焊接多块限位角板7，以确保使第一弧板111的下口与下基准投影圆plo相吻合；

s400-2、将多个第一弧板111依次放置就位，并在每个第一弧板111的背侧设置多个背斜支撑8，配合限位角板7完成第一弧板111固定就位；

s400-3、在每个第一弧板111上口间隔相同距离标记一系列尺寸控制点100，在每个控制点100上各设置一个铅垂9，微调第一弧板111的就位姿态，确保每个铅垂9均与自下而上设置的第一环缝投影圆pl1重合，以保证第一弧板111下口与下基准投影圆pl0重合，其中上述尺寸控制点100的数量越多，尺寸控制精度越高；

s400-3、将第一弧板111与背斜支撑8和限位角板7焊接固定，完成一个第一弧板111的装配，重复上述步骤，完成除预留的第一弧板111a外其他所有第一弧板111的装配。

如图9至图18所示，步骤s400中的支撑件包括多个自上而下依次间隔开设置的扇形筋板5，用多块扇形筋板5固定所有纵缝2，并在第一椎段11上口附近焊接一个完整的保形圆环6，来控制上口尺寸，防止焊接变形，完成上述焊缝固定和保形加强后，需要再次进行测量装配公差，必要时进行微调，并在完成以上工作后，可将背斜支撑8拆除，扇形筋板5和完整的保形圆环6需要使用数控切割机按照对应加固位置的弧度大小进行切割下料，以保证有足够的精度来控制该处的焊接变形，扇形筋板5用于控制纵缝2的焊接收缩变形，保持纵缝2位置的不圆度；同一位置处，需要在内侧和外侧各设置一块扇形筋板5，来控制焊缝错皮量。

如图13至图18所示，步骤s600和步骤s700中，第一椎段11和第二椎段12之间的环缝3上设有多个间隔开设置的第一筋板40，第二椎段12和第三椎段13之间的环缝3上设有多个间隔开设置的第二筋板50，其中第一筋板40和第二筋板50在步骤s800中切除并进行打磨处理，第一筋板40用于固定待装配的第二椎段12上的多个第二弧板121，第一筋板40需要垂直于环缝2且间隔相同距离安装，同一位置需要在内侧和外侧对称各安装一块，这两块第一筋板40在椎筒1径向共面且间隙值等于第二弧板121的厚度，能够将待装配的第二椎段12的第二弧板121卡住固定，并实现环缝3错皮量的控制。

如图16和图17所示，步骤s700中，测量整体焊后尺寸，修剪第三椎段13环缝下料余量30，修剪的具体操作方法如下：

s700-1、测量椎筒1上部圆口相对水平基准平面blobl的平整度公差；

s700-2、测量椎筒1上部圆口相对中轴线cl的垂直度公差；

s700-3、测量椎筒1整体的长度相对理论值的公差；

s700-4、步骤s700-1、s700-2、s700-3中的三个公差数值均在允许误差范围内时，则无需对第三椎段13上口环缝下料余量30进行修剪；

s700-5、若上述公差数值有超差时，拟定一个第二理论修剪平面tp2，按照该第二理论修剪平面tp2修剪后，平整度和端部垂直度不再超差，整体长度不再超差，并且椎筒1结构上口的周长和半径不再超差；最后按照上述理论修剪平面tp2对第三椎段13的上口的环缝下料余量30进行修剪。

如图1所示，第一椎段11的上的纵缝2与第二椎段13上的纵缝2错位设置，第三椎段13上的纵缝2与第一椎段11上的纵缝2一一对齐设置，抵消焊接后的应力分布情况。

如图1所示，扇形筋板5的长度应该超过焊接热影响区的长度，来保证足够的形变控制能力

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。