300t自航打撈船扒桿建造關鍵工藝技術

楊敬東，谷 磊

（1.重慶交通大學，重慶 400074；2.重慶港航管理局，重慶 400074）

0 引言

進入二十世紀以來，隨著三峽大壩的建成，三峽庫區水位不斷上升，水上運輸日漸繁忙，在重慶港及三峽庫區航行的船舶噸位和尺度都顯著提高，船舶火災、海損事故日益增多，應急救援任務越來越重，但是庫區沿線城市應急救援設備都比較落后。針對以上情況，重慶港航局水上應急救援指揮中心主持建造了300t自航打撈應急救援船。

1 概況介紹

1.1 300T自航打撈應急救援船簡介

本船（見圖1）為尾機型、雙機、雙槳、雙舵、柴油機推進的自航打撈船，采用單甲板、雙層底、全電焊，混合骨架形式結構，在艏部設一起重能力為300t的箱型非旋轉起重機構，航區為B、J1級航區和三峽庫區。

1.2 起吊系統介紹

本起重機為300t單臂架起重機，打撈起重系統主扒桿安裝在船艏 FR90～FR95肋位，扒桿開檔11600mm。主扒桿采用焊接結構，矩形截面尺寸：1000×720（材料：Q345-B）。

本船配主鉤2只，額定起吊重量2×150t（300t），采用鍛造雙鉤，主鉤組采用7并滑輪組。本船配副鉤一只，額定起吊重量100t，采用鍛造雙鉤，副鉤組采用5并滑輪組。本船采用繩索滑輪組式變幅驅動系統。該系統起吊重物的過程中不能同時進行變幅作業。

臂架為A字形箱型結構的直臂架，頭部為帶鷹嘴的箱型橫梁，鷹嘴前端從前向后分別安裝副鉤、索具鉤、主鉤的定滑輪組和變幅滑輪組。

三腳架為箱型梁，最后鉸接于甲板上。臂架支座與支座平臺為板材焊接結構。其頂部支座與臂架鉸軸連接，底部與船體甲板焊接。

圖1 300t自航打撈船總布置圖

2 建造關鍵技術分析

起吊船建造關鍵部位就是扒桿的建造，它在起吊過程中起著決定性的作用。查詢相關文獻資料，起吊船扒桿吊頭、桿身、底座均要承受非常大的應力，采取合理的建造工藝及措施，是保證扒桿建造質量，達到設計目標要求的關鍵[1,2]。

本扒桿建造主要技術難點是控制焊接變形，建造過程中的精度控制以及對吊臂和三腳架建造質量的控制。

2.1 焊接質量的控制

首先采用上海交通大學與日本大阪大學聯合開發的固有變形焊接變形分析的專用軟件（WSDP），進行焊接變形和殘余應力的熱彈塑性有限元分析，該軟件只要將焊縫的位置和焊縫的截面積（或者焊縫的橫向收縮、縱向力和角變形）輸入，就可以獲得復雜焊接結構中的焊縫的固有變形，并用彈性板單元有限元法計算其焊接變形[3]。

其次組織進行高強度鋼厚板對接焊加墊板與不加墊板兩種工藝的試驗，試驗過程中對每道工序后板的凹凸變形量、開口尺寸進行跟蹤測量，找出相應的變化規律，為解決結構焊接變形提供依據，根據試驗結果，如果采取組對預留 2mm反變形量工藝措施可有效控制鋼板的焊接變形[4]。

圖2 焊接后的應力分布

根據以上計算分析及試驗結果（見圖2），提出以下建議來控制扒桿的焊接變形。

1）厚板多層焊，一般開不對稱的雙面坡口，采用雙面焊接，這樣對焊接殘余應力有一定的抵消，可以起到減少焊接變形和殘余應力的作用。

2）合理分配組焊單元和合理組對焊接可以減少焊接變形，合理組對焊接。通過一定的計算和試驗，可以找到最佳的組焊單元和組焊順序。

3）采用小的熱輸入量。扒桿焊接變形是以面內收縮變形為主，所以建議在保證焊接質量和不影響生產周期的情況下，采用小的焊縫熱輸入。

4）對接焊和十字頭處預留反變形、單面成形焊縫加墊板、組對零間隙、取消打底焊的工藝措施。

5）焊接坡口的尺寸，其深度應能足夠保證設計對熔深的要求，寬度在滿足操作要求的前提下，應盡量小些，特別是T型接頭和十字接頭，以防止發生層狀裂紋。

300t打撈船扒桿設計用鋼選用低焊接裂紋敏感性高強度鋼 Q345B，所有對接接頭均要求完全熔透。

2.2 吊臂和三腳架質量的控制

1）采用組件、分段建造方法進行生產，嚴格按照工藝指導書的加工、裝配精度等進行精度控制，組織施工。

2）零件組合時關注角度、方向、余量、坡口的正確性，特別關注有特殊要求的裝配尺寸。

3）組件施焊前作必要的加強，防止或減少焊接變形。

4）吊臂和三腳架金屬結構總成部件拼裝和總裝按如下標準檢驗：

（1）長度允許偏差：≤1‰，且全長范圍內為±20mm；

（2）高度、寬度允許偏差：±4mm；

（3）軸線不直度≤1‰，且全長范圍內≤15mm；

（4）同一橫截面主肢中心距偏差：±3mm；

（5）鋼管對接錯位：≤1mm；

（6）扭曲變形≤4mm；

（7）旁彎≤5mm；

（8）各輔管定位尺寸允許偏差：±10mm。

3 主要建造工藝

3.1 焊接施工工藝

1）焊接的條件：焊接前，應對焊縫進行打磨除銹，除銹范圍為焊縫極其周圍20mm；多層焊時，引弧、熄弧位置應彼此錯開，避免接頭過分集中；采用埋弧焊接時，嚴禁在母材的非焊接部位引弧和熄弧；部件在焊接過程中或焊縫冷卻過程中不得沖擊或振動。

2）焊接施工方法：所有主肢鋼管及腹桿的接長焊接，應開V型坡口，附加鋼襯墊，全熔透焊接。腹桿與主管的管相貫焊接，趾部及側部應開坡口，根部角度較小無法開坡口時，采用角焊縫，焊高不小于壁厚。箱型桿件棱角焊縫除蓋面焊的其它焊道采用CO2氣體保護焊；H型桿件的翼緣角焊縫、箱型桿件棱角焊縫（部分熔透）的蓋面層采用埋弧自動焊。工廠內焊接時，Q345B材料采用CO2氣體保護焊，安裝現場焊接時，均采藥芯焊絲焊接[5]。

3）焊縫修磨和返修焊的要求：垂直應力方向的對接焊縫必須除去余高，并順應力方向磨平；焊腳尺寸、焊波或余高等超標的焊縫及小于 1mm且超差的咬邊必須修磨勻順；焊接裂紋的清除，長度應從裂紋端部各外延50mm；返修焊縫應按原焊縫質量要求檢驗；同一部位的返修焊不宜超過兩次。

4）焊縫消應處理：對于重要的結構件，可以采用以下兩種方法進行消應處理：

（1）振動消應處理：待結構件焊完后，用振動消應機進行整體振動消除殘余應力，振動時間30min，以消除應力為準[6]。

（2）去應力退火處理：將結構件送入退火爐，關好爐門，開始升溫，溫度以50℃～70℃/h進行，當溫度達600℃～650℃時，恒溫3h，然后緩冷（爐內冷卻），冷至100℃以下方可出爐。

3.2 吊臂制造工藝

吊臂主要由臂身、臂頭以及中部橫聯組成。吊臂總長29m，吊臂總重52.4t。吊臂采用箱型人字形結構。臂架主肢為1000×760箱型結構，材質為Q345B。考慮運輸限制，吊臂在車間分段制造（見圖3），然后汽運至外場進行總拼，機加工，防腐后，整體吊裝上船，發運至業主指定按照地點。

圖3 臂身分段示意圖

臂尾鉸座采用二次鏜孔方法，主板及補強板內孔下料時應留加工余量，焊接完成后鏜孔，鏜孔完成后焊接鋼套，鋼套內孔應留加工余量，現場總拼完成后整體劃線鏜孔。臂頭在廠內根據圖紙焊接制造。橫梁上的滑輪軸孔應在制造廠內完成鏜孔工作，并完成滑輪裝配面的防腐涂裝工作，安裝完滑輪軸及滑輪。吊身在車間內部進行制造時應在胎架上按節段順序進行總拼制造，保證其整體尺寸及焊縫錯位要求。節段的制造及檢查必須嚴格執行質檢程序。

3.3 三腳架制造工藝

三腳架制造主要考慮發運條件及現場總拼條件，按圖4分段進行制造。

三腳架在廠內完成散件組拼及焊接工作，并完成所有軸孔的鏜孔工作。焊接吊耳。拉桿上橫梁在車間內完成焊接及鏜孔工作，發至外場總裝。拉桿下鉸座在車間內制造焊接，鋼套軸孔留余量，現場與船體焊接完成后鏜孔。下鉸座與船體甲板面焊接的鋼板高度均留余量，車間內焊接完成后，放樣切割斜面，開坡口，發至現場總裝。下鉸座與船體甲板面焊接的鋼板均留余量，制造完成后，放樣切割斜面并開坡口。發至外場總裝。

圖4 三腳架制造分段示意圖

先將拉桿鉸座和壓桿鉸座焊接到船體甲板上，探傷，現場劃線鏜孔。拉桿和壓桿預拼至如圖5所示的狀態后，吊裝。

圖5 三腳架預拼示意圖

4 完工后試驗及實際使用效果

4.1 吊重試驗

在空載情況下進行各檔速度的變幅及升降試驗3～6次。檢查起升及變幅系統（變幅系統扒桿仰角60°～18°），在下限位置時，絞車卷筒上至少有5圈的減載圈。

4.2 負荷試驗

空載試驗結束并消除缺陷后，進行負荷試驗。

試驗時扒桿應放在仰角60°位置，將重物及分級加載到起重鉤上（50%、75%、100%的安全工作負荷，最大試驗負荷）重物吊離地面，懸掛時間不少于5min。試驗時，起重設備進行各速起升、下降、制動試驗，升降系統制動試驗，應在負荷下降約3m距離時進行[7]。

切斷動力源試驗，在額定負荷下作失電緊急停車試驗，此時試驗負荷應能安全制動。

用標準試塊調校吊重顯示器，對超負荷保護裝置進行動作試驗。起重設備經超負荷試驗后，應進行安全工作負荷下的操作試驗。

試驗各檔速度下起升、下降運轉情況。

4.3 試驗中的檢查和測量

試驗中記錄各狀態下（吊重前、后）的船舶浮態。

空載試驗與負荷試驗各項可做3～6次，記錄扒桿仰角、吊重、電動機啟動與工作電流、剎車情況等。

檢查各運動部件應無異常發熱、敲擊等現象，鋼絲繩走向應順暢。檢查電動機及制動器的工作情況。檢查電氣控制設備的工作情況。

在對吊桿按照測試大綱要求進行所有內容的測試后，確認各項技術參數均在設計目標范圍內，試驗結束后，對主要部件進行拆檢，沒有發現永久性變形或其它缺陷。

5 結 語

通過對起吊船扒桿高強度厚鋼板焊接殘余應力和接焊工藝試驗進行分析，提出了300t扒桿的焊接變形控制方法及建造精度保障措施，保證了扒桿建造質量，達到了設計任務書的要求。

實船應用中，該吊桿系統使用方便、安全，起吊能力完全能滿足設計參數要求。

[1]王偉, 謝永和.600t擺桿式起吊船扒桿結構有限元分析[J].浙江海洋學院學報:自然科學版, 2008(01):9-12.

[2]汪雅棋, 溫華兵, 沈超明, 等.600t起重船起吊系統強度校核及應力測試分析[J].起重運輸機械,2010(10):19-23.

[4]孔森, 劉翠榮, 牛興海.高強鋼焊接變形預防控制工藝[J].機械工程與自動化, 2012(04):115-117.

[5]CCS.材料與焊接規范[S].

[6]Majid Farajian.Welding residual stress behavior under mechanical loading[J]. welding in the world,2013,57(2):157-169.

[7]GB/T5905-1986, 起重機試驗規范與程序[S].