VLCC改造为FPSO的机舱和泵舱管路生产设计技术研究

罗东浩

（广州中船文冲船坞有限公司，广州 511462）

VLCC改造为FPSO的机舱和泵舱管路生产设计技术研究

罗东浩

（广州中船文冲船坞有限公司，广州 511462）

文章介绍了VLCC改造为FPSO管系专业设计工作的主要内容，研究分析机舱和泵舱管路生产设计的难点和要点，创新使用激光三维扫描技术以获取精确的原船三维场景数据，通过三维数据的逆向建模，结合新加系统进行船、机、电交互建模，新旧系统件可能的干涉得以提前发现并在施工前处理，同时通过开发SPD海工图册模块可直接输出标准的轴测图纸用于施工。

VLCC；FPSO；激光三维扫描；SPD；轴测图

0 引言

VLCC改造为FPSO的海工项目，改装与常规船的修造存在着很大的不同：周期短、工作量大、工况复杂、标准和检验要求高，特别是管路系统的改装。按以往国外船厂改装的经验，FPSO改装能否取得成功的主要关键取决于管路系统工程改装是否能保质、按时完成，机舱及泵舱的管路改装又是整个工程的重中之重，而技术是第一生产力，生产设计作为海工改装的第一道工序，为提高改装施工的生产效率，缩短改装周期，如何高效完成机舱泵舱生产设计，如何提高设计准确性就尤为重要。

1 机舱泵舱轮机管线生产设计的主要范围

改装设计的工作范围与旧油轮的状况、设备配备情况和新油田对FPSO的要求有关。本研究项目主要基于文冲船坞承接的28万吨VLCC改装为FPSO的项目来开展，机舱泵舱生产设计的主要内容如下。

1.1 旧系统及设备拆除

FPSO运行或者航行过程中无需使用的系统将被拆除，主要的工作内容如下[1]：

确定油轮原有的保船系统、确认需要拆除/更换/修理的设备，并做出更换、修理方案，提出采办清单和提供修改设计图。

根据管系腐蚀检测报告，确定管系更换，检修方案，提供废旧管系拆除图纸，换新管系的设计安装图纸。

1.2 新旧管路系统及设备设计

新旧管路系统及设备设计包括：重新设计燃油系统；重新设计锅炉蒸汽及凝水系统；重新设计海水冷却系统；重新设计淡水冷却系统；重新设计原船透气及测深系统；重新设计淡水供应系统；重新设计原有惰性气体系统；重新设计生活污水系统；重新设计CO2系统；重新设计注入、倒舱及外输系统；改造原有惰性气体系统；重新设计供水系统；新增FPSO的消防泡沫系统；新增防海生物系统；洗舱系统的改造设计；新增空仓除湿系统设计；新增锁舵装置系统；新增尾部输油平台液压系统。

2 机舱泵舱生产设计流程

VLCC改装为FPSO项目中，机舱泵舱管路生产设计的基本流程如图1所示。

首先，数据准备，包括原船信息的获取，项目规格书要求和系统原理等信息收集。其次，船、机、电各专业交互建模、评审及管路应力计算。最后，生产图纸及相应图表输出。

3 机舱泵舱生产设计技术难点及对策研究

3.1 原船信息获取存在的问题

改装项目所选取的旧油船，往往有一定的服务年限，普遍存在资料丢失的情况。而且在航行过程、检修过程中，船东方会对部分系统进行局部改造，现有实船情况与完工设计图纸存在不一致的情况，原船信息的获取是业界的难题。

由于船舶已有的管道系统和机械系统非常复杂，在此系统的基础上确定管系更换检修方案，同时按照FPSO的设计要求改造消防系统、惰性气体系统、燃油系统、淡水系统、热站及洗舱系统等需要耗费大量的时间和精力。制作详细图纸的传统方法需要进行人工测量并复制实际现场布局。安装新系统需要的所有改造工作均须参照这些手工制作的图纸进行。这就需要对船舶进行大量的现场检测，并耗费相当长的设计时间。此外，人工测量方法的弊端还在于图纸上任何一点细微错误，在新系统安装过程中都可能导致较大规模的设计缺陷。

3.2 三维激光扫描技术的应用

传统的人工测绘存在种种缺陷，经多次调研，本项目尝试引进激光扫描技术来测量机舱及泵舱。激光三维扫描仪的使用节省了大量现场测量时间。使用激光三维扫描仪前，技术人员需要花费大量的时间对舱内管道和设备进行人工测量。而使用激光三维扫描仪后，完成这项任务的时间大大缩短，测绘准确性也得到提高。值得说明的是，设计人员通过三维扫描数据直接读取甲板底部管路的数据，而往常这部分数据的测绘需通过大量人力物力进行脚手架的搭设，才能进行有限的测绘。此外，激光三维扫描仪捕获的测量点信息可以转换成三维 CAD数据，技术人员可以直接使用CAD数据创建三维设计图纸[2]。

集成式彩色摄像头能够提供照片级的三维扫描图像（见图2），有助于迅速识别机泵舱的复杂管路。此次选用的激光三维扫描仪非常紧凑而且轻便，可以在机舱泵舱区域的任何地方布置，尤其在作业空间非常狭小，技术人员甚至无法进入舱室进行测量作业时，这一优势就更加明显。

一旦激光三维扫描仪捕捉到目标区域的数据点，配套软件便开始运行，使用这些数据呈现完整的三维模型[3]。因而全新的机械设备及其管路可以与现有船舱结构实现无缝整合。技术人员可以根据精确的三维模型进行预先规划，这就可以制作出最优设计方案。因为有原船的三维扫描数据，整个改装设计的周期都可参照使用，原船数据与改造内容得以完整地干涉检查，易获知整体布局状况并辨别潜在的问题。如果仅仅基于手工测绘，这些问题均难以解决。

归功于激光三维扫描仪所节省的时间以及提供的有效原船数据，技术人员可以将主要的时间和精力放在系统的设计上，同时生产和设备安装均可以得到更好的管理。前期数据准备充分后期工作的开展也更加顺利，为FPSO改造项目的完成奠定基础。

3.3 机舱泵舱总体建模出图

3.3.1 软件的选取应用

管系生产设计是船舶生产设计的主要内容之一，也是舾装生产设计中涉及面最广、工作量最大、工作形式最繁琐，工作周期最长，所取得成果最不稳定的项目。据统计，管子的加工及安装所消耗的工时约占舾装工作量的40%～45%，占造船总工作量的8%～12%，然而，长期以来，修船因为企业性质的原因，主要的工作集中在换板、油漆、打沙等传统业务，舾装特别是管路的技术积累相对欠缺。技术设计方面，管路的改装工程主要停留在手工放样阶段。技术的落后导致管系生产设计水平较为低下，图纸质量不高，管子的返修率较高。为改变这种局面，引进了SPD（ship production design）设计软件，SPD作为国产软件，功能及操作界面完全针对国内船厂生产模式配套设计，功能齐备，可以较好适应船体、管系、电气的三维交互建模作业[4]。

3.3.2 软件的基础数据完善

VLCC改装为FPSO项目所使用的标准主要为美国标准、英国标准及日本标准，但设计软件SPD原始数据库均为中国标准，数据库对应FPSO改装项目而言等于是一片空白。文冲船坞技术部门在设计之初，即根据项目的要求，通过购买、网站搜索、同行咨询以及跟SBM索取等方式收集完善项目所需的管路规范，指定管路附件的命名规则，同时指定专人进行标准数据的录入工作。这样其他设计人员可以直接从实体库中选用，不用反复查阅这些管路部件的相关资料，从而减少了辅助的劳动工时，大大提高工作效率，最大限度地避免多人对数据库操作导致的人工失误。至项目完工，软件已完成录入基础数据规格约3 445个，基本能满足VLCC改装为FPSO项目的管系改装设计标准数据需求，见表1。

3.3.3 三维交互建模

1）原理定义

在VLCC改装为FPSO项目中，通过制定统一的命名规则，将设备、管路、部件代号定义成与P&ID图的代号完全一致。这样可以减少管系中的重复放样和遗漏情况，同时也有利于管系安装图中部件代号的自动生成。管路定义信息中包含了管径、壁厚、材料、连接件形式等，这些信息将在后期的轴测图中一 一体现，这样可以大大减轻设计强度，避免所有信息进行手工标注。

2）机舱泵舱设备布置

根据SBM的提供的设备资料信息，建立设备的建模及定义后，设计中可以通过SPD设备模块的插入旋转等命令，直接在船体背景中进行准确的定位，对应SBM未能及时提供资料的设备，设计人员根据常规船舶的设备资料进行建模参考使用。

3）管路总体交互建模

在完成上述设备及部件的三维实体建模、船体三维实体建模、管路原理图定义及设备的定位工作后，可以根据P&ID图的要求，在船体背景模型上通过管路布置模块进行综合放样设计，相对于抽象的二维CAD设计，准确性大幅提高（见图3）。

表1 海工项目SPD基础数据

3.4 海工图册模块研发与应用

3.4.1 现有软件功能

早期的FPSO设计都是参考船舶规范，主要是油船的规范。随着FPSO的发展，世界上几家主要船级社都编制出FPSO建造与入级规范，如DNV GL、ABS、LR、BV和CCS等。但这些规范仍带有很强的船舶规范的色彩。随着FPSO技术的不断发展，业界越来越认识到FPSO不是船，而是海洋工程结构，其规范和标准应具有海洋工程的特点，其设计方法、所采用的标准应向石油工业靠拢。

FPSO在船厂建造/改装时，保船系统习惯采用船舶标准，而模块部分则习惯采用石油工业标准，因而在图纸的表示方法和接口的标准上存在不少问题。近年来国外新造/新改装的FPSO则逐渐改变这一做法，船体部分的保船系统与公共系统也向石油工业标准靠拢，提议标准、统一绘图方法，使FPSO成为真正的海洋工程结构。

文冲船坞之前使用的设计软件主要为SPD，主要应用于船舶建造领域，VLCC改造为FPSO的海工项目改装与常规船的建造存在很大的不同，设计周期短，工作量大。海工项目还有一个主要的特点是边设计边修改，SPD生产信息处理功能仍旧有不少缺陷，主要表现在以下几个方面：

1）系统的智能化不够，系统只能生成管路零件图、支架预制图，且文件输出后均需要手动进行修改；

2）图纸信息量少，无法体现焊点、独立管附件编码等生产的跟踪信息；

3）无法体现管路走向及定位信息，需耗费大量人力将小票图纸重新手动绘制管路走向图，供管路应力计算建模使用；

4）图纸份数多，SPD管路是以管路小票体现，参照国内外FPSO项目经验，管段总数超过20 000条，对应的管路图纸也超过20 000张，对应文件的管理及跟踪都是巨大的挑战。

3.4.2 国内外软件应用情况

不管是国内还是国外，海洋工程、化工、建筑领域采用的管线设计软件主要有AVEVA MARINE、PDMS、AUTO PLANT等，软件的基本特点是系统能够生成详细的管路轴测图纸。文冲船坞战略合作伙伴、国际知名的海工承包商SBM，采用AVEVA MARINE及PDMS进行上部模块的管线设计，其关联合作方也使用相应软件。管路轴测图（ISO图）的出图模式更适用于海洋工程项目设计周期短，修改多，管线多，合作单位多等特点[5]。

3.4.3 软件自主研发

国外软件优势明显，但引进费用高，如常用的海工软件AVEVA MARINE而言，动辄一个许可25万人民币，如果20个人员使用此软件的话，光许可费用就要500万，，这还不包括二次开发及后期的维护费用。为了降低软件使用费用，同时完成管路的生产设计，文冲船坞通过联合上海东欣软件公司开发SPD海工产品管系设计模块，输出满足海工要求的管路轴测图（见图4），实现了以下功能。

1）轴测图纸信息齐全

ISO图中包含管线的材料包、安装材料表、管子的下料信息、详细的安装定位信息、管路流行、设计压力、试验压力及介质、表面处理信息、表面绝缘、焊口编号、焊接工艺信息、支架编号、支架定位信息等。轴测图可以用来预制制管段，也可用来安装定位管路及支架，同时用于压力试验；也便于合作交流，作为管线的常用表达方式所有轴测图纸需要经过业主认可才能施工；便于安装使用，轴测图纸信息量较全面，而且走向清晰，现场人员仅需轴测图纸即可准确定位安装管路。

2）减少工作量

由于轴测图中包含所有管线信息，一张ISO图可能包含十数根管管段，相对于原有管段零件图，设计人员有更多时间考虑管线的设计和布置，而不是进行管线零件图的的图面处理，同时节省大量查图时间。

3）便于管路应力计算

管道应力分析应保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、管道支承或端点附加位移造成应力问题，轴测图中管路的走向清晰，定位明确，且有完善的工艺，应力计算工程师根据轴测图可以方便地建模，进行计算及应力信息标注。

4）实现了管路图与P&ID图无缝接轨，轴测图包含了管线的所有工艺参数，现场施工人员可以轻易知道管线的工艺要求，减少查询原理的时间。

5）便于管线的焊缝跟踪及管线管理，轴测图以管线（line number）形式输出，焊口的标注完整，利于管理跟踪。

6）管线修改升版容易

海工项目有边设计边修改的特点，业主有设计修改要求后（DCF），修改模型，直接输出ISO即可供车间施工。

4 结论

引进激光测绘技术对原船机舱泵舱等区域进行三维激光扫描作业，解决了改装项目中难以采集原船信息而导致设计工作开展困难等问题。业主也对此项目进行了资金支持。文冲船坞成为国内第一家引进尖端设备对机舱泵舱进行完整测绘，同时也是全球第一家海工公司对机舱及泵舱进行大规模三维测绘作业的公司。

首次进行机舱泵舱整体建模，现阶段国内外VLCC改装为FPSO的主要企业，均采用现场测绘现场放样进行机舱泵舱的改装作业，无法进行壳、舾、涂、机、电一体化设计，本项目大胆尝试并革新机舱泵舱设计，克服原船测绘及逆向建模的困难，进行总体交互建模，为业界树立新的设计典范，受到业主的好评。

同时，海工设计模块的成功研发，节约了软件使用费用，结束了之前管路轴测图需要手动绘制的历史，提高出图效率及准确性，为项目顺利完工及以后类似的海工项目提供软件支撑。

[1]海洋石油工程设计指南编委会, 编著.海洋石油工程FPSO与单点系泊系统设计[M].北京: 石油工业出版社, 2007.

[2]胡敏捷.激光扫描技术在船舶逆向工程中的作用[J].船舶设计通讯, 2006(2): 69-72.

[3]袁夏.三维激光扫描点云数据处理及应用技术[D].南京理工大学硕士论文, 2006.

[4]苏文荣.船舶产品设计(SPD)系统[J].计算机辅助工程, 2009, 18(2): 1-4.

[5]许忠亮.单线图在工艺管道施工中的应用[J].化工设备与管道, 2005, 42(1): 28-30.

Study of Piping Production Design Technology of Engine Room and Pump Room for VLCC Converted to FPSO

LUO Donghao
(Guangzhou Wenchong Dockyard Co., Ltd., Guangzhou 511462, China)

The paper describes the tasks of piping design for a VLCC converted to an FPSO.The key points and difficulties of production design for engine room and pump room are studied and analyzed.The 3D laser scanning technology is applied to survey the existing elements in engine room.The 3D model is established as the laser scanning date, with the 3D scanning and ship production design tool, clashes between the as-found conditions of vessel and the new design can be trapped and resolved before construction.With the development of offshore drawing module software of ship production design (SPD), isometrics drawings can be outputted directly for construction.

VLCC; FPSO; 3D laser scanning; SPD; isometrics

P751

A

10.14141/j.31-1981.2017.04.009

罗东浩（1983—），男，工程师，研究方向：船舶与海洋工程轮机管系的研究与设计。