孔令良， 羅 宇， 張 林

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院， 上海 200240；2.南通中集太平洋海洋工程有限公司， 上海 200052)

0 引 言

液化天然氣(Liquefied Natural Gas， LNG)作為一種清潔能源，地位日益凸顯，世界各國把提高天然氣在一次能源消費(fèi)中的占比作為優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的重要途徑，需求量穩(wěn)定增長[1]。但是海上LNG開采、儲存、氣化等技術(shù)難度較大，關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備多數(shù)被歐美發(fā)達(dá)國家壟斷，雖然經(jīng)過近十多年的發(fā)展，中國的設(shè)計(jì)建造水平取得了可喜的進(jìn)步，但距歐美和日韓新加坡等發(fā)達(dá)國家仍有不小的差距。隨著國內(nèi)外LNG浮式儲存再氣化裝置(Floating Storage Regasification Unit， FSRU)工程應(yīng)用的逐步發(fā)展，其配套功能模塊將成為海工的重要發(fā)展方向之一[2]。

1 LNG再氣化模塊簡介

LNG-FSRU是液化天然氣浮式接收儲存和再氣化裝置，其主要包括LNG圍護(hù)系統(tǒng)、LNG再氣化系統(tǒng)、錨泊系統(tǒng)、卸貨系統(tǒng)、蒸發(fā)器系統(tǒng)和外輸系統(tǒng)等[3]。常見的LNG圍護(hù)系統(tǒng)主要有獨(dú)立液貨艙和薄膜液貨艙，其中獨(dú)立液貨艙分為3種形式：A型罐；B型罐，包括MOSS球形罐和IHI公司的SPB型罐；C型罐，外觀有圓柱形、雙耳形和三體星形，無專利保護(hù)，易于建造。

LNG再氣化模塊是LNG-FSRU中關(guān)鍵的設(shè)備之一，其功能是實(shí)現(xiàn)LNG的再氣化，即由原來的-162 ℃左右的液態(tài)天然氣加熱氣化成接近常溫的氣態(tài)天然氣，再通過管道輸送給用戶。其熱源是海水，中間介質(zhì)為丙烷。此模塊主要包含4個(gè)工藝系統(tǒng)：LNG管路系統(tǒng)、丙烷循環(huán)系統(tǒng)、海水管路系統(tǒng)、閃蒸氣(Boil Off Gas， BOG)管路系統(tǒng)[4]。

由于LNG再氣化模塊安裝于FSRU主甲板上，對模塊的總體尺寸和質(zhì)量有嚴(yán)格的控制，總體布置得非常緊湊。模塊布置的基本原則是以系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，設(shè)備布置為基礎(chǔ)，進(jìn)行管路連接，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐，最后輔以電氣系統(tǒng)和舾裝件布置[5]。考慮到后續(xù)的建造、吊運(yùn)和安裝，模塊的穩(wěn)心設(shè)計(jì)至關(guān)重要，需考慮設(shè)備、管道、結(jié)構(gòu)、舾裝件均衡布置，盡量使重心位置接近于形心。由于需考慮LNG低溫泄漏保護(hù)，泄漏影響區(qū)域結(jié)構(gòu)采用304不銹鋼材料，并設(shè)計(jì)集液盤進(jìn)行收集，此模塊除了底盤框架為高強(qiáng)鋼碳鋼外，底盤以上區(qū)域均采用304不銹鋼材料。LNG再氣化模塊的典型布置如圖1所示。

圖1 模塊布置三維模型

2 基座和吊耳布置

基座和吊耳布置于同一條軸線的上下兩端，中間通過大尺寸方管連接，根據(jù)模塊總體布置特點(diǎn)，各設(shè)置4個(gè)進(jìn)行對稱布置，如圖2所示?；偷醵悄K受力最大的位置，強(qiáng)度要求高，材料、裝配和焊接質(zhì)量要求高，主要受力鋼板需無損探傷(Non Destructive Testing， NDT)檢查保證內(nèi)部無層狀撕裂。所有焊縫均需100% NDT檢查，保證焊接無缺陷。

圖2 基座和吊耳布置位置

基座是模塊受壓力最大的位置，最終與FSRU主甲板上對應(yīng)的4個(gè)連接基座焊接。基座由屈服強(qiáng)度為355 MPa的高強(qiáng)鋼組成，基座腹板厚度為30 mm，翼緣板厚度為20 mm，具有很強(qiáng)的抗拉抗壓能力。在模塊建造過程中基座位置也是主要的受力支撐點(diǎn)，可以有效地防止模塊整體變形。

吊耳是模塊受拉力最大的位置。由于處于LNG低溫泄漏噴濺區(qū)域，吊耳材質(zhì)選擇304不銹鋼，屈服強(qiáng)度為215 MPa，母板厚度為80 mm，兩邊各放置一塊重磅板，厚度為50 mm，其他附屬板厚10～30 mm。吊耳與上層結(jié)構(gòu)框架及立柱斜撐與碳鋼底盤組成1個(gè)整體的強(qiáng)力框架，保證了整個(gè)模塊的吊裝強(qiáng)度。

3 支撐工藝

模塊建造總裝場地為內(nèi)場制造車間，完工質(zhì)量約為720 t，由于從制造車間至900 t出運(yùn)橋吊下無法利用吊車或重型平板車進(jìn)行駁移，結(jié)合現(xiàn)有的工裝設(shè)備，采用液壓小車配合軌道的形式進(jìn)行駁移，不僅節(jié)約了運(yùn)輸成本，而且也保障了安全性。

3.1 支撐方案

鑒于模塊采取液壓小車配合軌道的形式進(jìn)行駁移，所以在總裝階段布置胎架支撐件時(shí)需考慮駁運(yùn)時(shí)的工裝工具布置空間。為了同時(shí)兼顧模塊支撐和液壓小車布置，本文創(chuàng)造性地采用十字橫梁工裝。十字橫梁布置于基座底部，其中的兩端在模塊建造時(shí)用來支撐模塊的質(zhì)量，駁移時(shí)和花架焊接在一起作為保護(hù)結(jié)構(gòu)，防止模塊意外墜落引發(fā)嚴(yán)重事故，另外兩端用來布置2臺液壓小車，如圖3所示。除4個(gè)基座位置外，再均勻布置12個(gè)圓柱擱墩支撐件，一是為了減少底盤結(jié)構(gòu)的變形量，二是可以作為駁運(yùn)時(shí)模塊的保護(hù)。

圖3 基座支撐件布置示例

根據(jù)支撐方案，建造階段所需支撐件清單如表1所示。

表1 建造支撐件清單

3.2 駁移方案

根據(jù)模塊總裝制造車間與900 t出運(yùn)橋吊之間的關(guān)系，制定駁移流程總體方案：首先將模塊從總裝跨間D平移至900 t延長線上的流轉(zhuǎn)平臺，然后軌道小車轉(zhuǎn)向，再平移至900 t橋吊正下方，如圖4所示。

圖4 模塊駁移流程圖

根據(jù)駁移總體方案，駁移過程除表1中的支撐件外，還需如表2所示的工裝工具。

表2 駁運(yùn)工裝工具清單

駁移過程為依次在4個(gè)十字橫梁下方布置8臺液壓小車，如圖5所示。此時(shí)4臺液壓小車共用1條軌道?；芘c十字橫梁、其他位置總裝胎架與模塊底盤連接固定，作為駁運(yùn)過程中的保護(hù)，注意去除總裝胎架與地面的連接。當(dāng)前期準(zhǔn)備工作完成后，同步緩慢地將液壓小車頂升約100 mm，使花架和總裝胎架脫離地面，靜止2～3 min，觀察無異常后，開動液壓小車緩慢地向前移動。在行進(jìn)過程中，必須實(shí)時(shí)監(jiān)控液壓小車的承載力，若承載力讀數(shù)異常，須停止移動，待故障排除后繼續(xù)進(jìn)行。

在模塊移動至900 t橋吊延長線時(shí)，需停止前進(jìn)，轉(zhuǎn)向移動。此時(shí)液壓小車下落，使花架和總裝胎架平穩(wěn)地落至地面，然后撤出液壓小車，重新鋪設(shè)軌道，此時(shí)軌道與原軌道夾角呈90°，且需布置4條軌道，2臺液壓小車共用1條軌道，詳見圖5。然后重新布置液壓小車，并將模塊平移至900 t橋吊正下方，完成駁移工作。

圖5 軌道小車布置圖

利用液壓小車進(jìn)行駁運(yùn)，可根據(jù)模塊的質(zhì)量選取不同的數(shù)量成組使用，布置靈活、工藝簡單、成本較低。該方案對駁運(yùn)的地面平整度和承載力要求較高，對液壓小車之間的同步度要求較高，現(xiàn)在通過系統(tǒng)控制，很容易達(dá)到要求[6]。

4 吊裝工藝

海洋工程項(xiàng)目通常按功能性進(jìn)行模塊化建造，以提高建造速度、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率[7]。由于海洋工程模塊在結(jié)構(gòu)上的特殊性，吊裝過程中的變形可能導(dǎo)致管子和設(shè)備接口的破壞，因此就模塊吊裝而言，設(shè)計(jì)合理的吊裝方案至關(guān)重要。

4.1 吊索具選取

出運(yùn)吊車選擇公司的900 t橋吊，無需使用吊梁，只需對卸扣和鋼絲繩進(jìn)行匹配。模塊總質(zhì)量約為720 t，且質(zhì)量基本上平均分布，根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果和增加的保險(xiǎn)裕量，卸扣額定載荷選擇400 t，鋼絲繩破斷載荷不低于1 600 t，匹配巨力索具的樣本，通過吊裝角度計(jì)算，選擇的吊索具型號和屬性如表3所示。

表3 吊裝索具清單

4.2 吊裝方案

利用軌道和液壓小車將模塊駁運(yùn)至900 t橋吊下后，還需稱重和裝配海綁托架，然后吊裝和綁扎，工藝流程如圖6所示。

圖6 模塊吊裝工藝流程圖

(1) 稱重。海工產(chǎn)品對質(zhì)量要求較高。建造過程中的誤差會引起實(shí)際質(zhì)量與理論質(zhì)量產(chǎn)生偏差，通過稱重可以精確得出模塊的實(shí)際質(zhì)量，并為后續(xù)的海綁方案和安裝提供依據(jù)。稱重前需確保模塊上沒有多余的工具設(shè)備、材料和垃圾；確保沒有尚未安裝的設(shè)備、管子、格柵等對質(zhì)量影響較大的項(xiàng)目；需記錄清楚稱重所需的工裝工具質(zhì)量，并在稱重總質(zhì)重中去除。稱重傳感器布置在液壓小車和十字橫梁之間，每個(gè)基座處布置2個(gè)，共8個(gè)。每個(gè)稱重傳感器連接1臺顯示器，實(shí)時(shí)顯示液壓小車在頂升過程中的讀數(shù)。待十字橫梁完全與支撐件脫離且讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，編制模塊質(zhì)量報(bào)告。模塊稱重示例如圖7所示。

圖7 模塊稱重示例

(2) 裝配海綁托架。將模塊和900 t橋吊利用卸扣和鋼絲繩連接完畢后，緩慢起吊約200 mm，靜止約2 min，無異常后繼續(xù)吊高，撤出所有十字橫梁、軌道、液壓小車、支撐件保護(hù)等。將海綁托架用平板車運(yùn)至模塊下與基座位置對齊，緩慢降低模塊高度與海綁托架貼合，裝配海綁托架。海綁托架在模塊上的安裝位置如圖8所示。

圖8 海綁托架三維模型

(3) 吊裝過程。吊裝過程需嚴(yán)格遵守吊裝作業(yè)指導(dǎo)書的要求，確定吊裝質(zhì)量和重心位置，保證鋼絲繩與水平面的夾角在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)(60°±5°)，吊裝之前確保與所有臨時(shí)支撐件的連接已割除，確保模塊上的雜物已清除，吊裝過程需指定具有專業(yè)技能的專人指揮，并且嚴(yán)格遵守“起重十不吊”的規(guī)定。吊裝過程中如遇異常情況，須立即停止吊裝作業(yè)，確保故障排除后再行吊裝。吊裝設(shè)計(jì)方案如圖9所示。

圖9 吊裝設(shè)計(jì)方案示例

(4) 裝船綁扎。提前在駁船甲板上將海綁托架的安裝位置進(jìn)行劃線，待模塊吊運(yùn)至駁船上方時(shí)，對準(zhǔn)托架劃線安裝位置，緩慢降落至甲板上，然后焊接海綁托架。注意海綁托架需按照圖紙要求與駁船甲板反面加強(qiáng)結(jié)構(gòu)對齊，以免造成甲板變形引起的海運(yùn)安全隱患。吊運(yùn)裝船流程如圖10所示。

圖10 吊運(yùn)裝船流程圖

5 無線應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)

模塊的吊裝工作雖然有強(qiáng)度計(jì)算報(bào)告作為理論依據(jù)，但是無從知曉理論計(jì)算與實(shí)際偏差到底有多大，為了進(jìn)一步加強(qiáng)吊裝安全保障，實(shí)時(shí)監(jiān)控吊裝過程中應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，了解理論計(jì)算與實(shí)際情況的偏差，可以在吊裝過程中使用無線應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，通過監(jiān)測結(jié)果修正理論計(jì)算的偏差，為后續(xù)類似模塊吊裝的計(jì)算和工藝優(yōu)化提供依據(jù)。

無線應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)在橋梁、高鐵、機(jī)械設(shè)備、船舶等工業(yè)制造領(lǐng)域均可廣泛應(yīng)用；材料適用范圍大，可以測量各種線彈性材料的應(yīng)力-應(yīng)變，如鋼、鑄鐵、各種合金材料、塑料、混凝土、復(fù)合材料等。采用無線數(shù)字信號傳輸，測量精度高、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、安裝更方便[8]。

5.1 設(shè)計(jì)原理

無線應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)由應(yīng)變片、無線傳感器節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)關(guān)、BeeNet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、BeeData計(jì)算機(jī)采集處理軟件組成。

監(jiān)測的原理和過程是：在被測構(gòu)件上貼應(yīng)變片，構(gòu)件在受到拉、壓等外力的作用后，其幾何尺寸會發(fā)生偏移(應(yīng)變)，為了抵抗外力，其內(nèi)部會產(chǎn)生大小相等但作用相反的力(應(yīng)力)。這些變化都會體現(xiàn)在應(yīng)變片上，應(yīng)變片的電阻或電流會有變化，然后傳輸至無線傳感器節(jié)點(diǎn)上，再通過無線信號傳輸至無線網(wǎng)關(guān)，最后通過無線信號或有線以太網(wǎng)傳輸至計(jì)算機(jī)，由專用的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行處理并顯示應(yīng)力-應(yīng)變的大小。無線應(yīng)力-應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)工藝流程如圖11所示。

圖11 無線應(yīng)力-應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)工藝流程圖

5.2 實(shí)施方案

根據(jù)LNG-FSRU再氣化模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，計(jì)劃使用四通道無線傳感器節(jié)點(diǎn)，共計(jì)布置16個(gè)應(yīng)變片位置，具體如下：吊耳位置4個(gè)，上層平臺4個(gè)，主立柱位置4個(gè)，中層平臺2個(gè)，底盤位置2個(gè)。其中吊耳和主立柱應(yīng)變片位置主要受拉力作用，上層平臺、中層平臺和底盤應(yīng)變片位置主要受壓力作用，比較容易彎曲變形。應(yīng)變片測量位置如圖12所示。

圖12 應(yīng)變片測量位置示例

在LNG-FSRU再氣化模塊吊裝之前，需在要求位置布置好所有應(yīng)變片，并通過導(dǎo)線與無線傳感器節(jié)點(diǎn)連接，調(diào)試好無線網(wǎng)關(guān)和計(jì)算機(jī)軟件，并確保信號穩(wěn)定，各元件之間連接正常。在起吊過程中，通過應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)的不斷傳輸和采集，實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變變化，并通過計(jì)算機(jī)軟件實(shí)時(shí)記錄，最后形成監(jiān)測報(bào)告和圖表。若監(jiān)測過程中出現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變異常，應(yīng)立即停止吊裝，在排除故障原因后再行吊裝。

6 結(jié) 論

本文通過分析LNG-FSRU再氣化模塊基座和吊耳布置特點(diǎn)，在企業(yè)現(xiàn)有硬件設(shè)備設(shè)施的基礎(chǔ)上，研究模塊支撐工藝和駁移方案，研究模塊吊裝工藝，形成此類模塊標(biāo)準(zhǔn)化吊裝駁運(yùn)方案，也為其他類似產(chǎn)品提供了參考依據(jù)，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。通過無線應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)在模塊上的研究應(yīng)用，增加了吊裝安全保障。同時(shí)，通過本文介紹也可加深行業(yè)人士對LNG-FSRU再氣化模塊的了解，帶來一定的社會效益。