310t深海船用A架吊的安裝工藝研究

譚親兵

摘 要：本文針對深海采礦船大型水下采礦設備布放回收系統A架吊機高精度的安裝要求，通過對船舶結構的受力、安裝精度、安裝方法及安裝過程質量控制方法的研究，制定合理的安裝工藝，從而達到提高安裝精度，確保安裝質量達到設備廠家的要求。

關鍵詞：有限元；安裝精度；變形控制；焊縫檢驗

中圖分類號：U662 文獻標識碼：A

Abstract：In order to meet the high installation precision for A-Frame crane of large subsea mining equipment launching and recovery system for deep-sea mining vessel， a reasonable installation technology has been developed after the investigation and analysis on ship hull structure and reinforcement， requirement of installation precision， installation method and method of process quality control to improve the assembly precision and ensure that the installation quality can be accepted by the crane vendor.

Key words：FEA； Installation Precision； Deformation control； Weld inspection

1 概述

深海中蘊藏著豐富的礦產資源，我國深海采礦裝備研究主要是結合國際海域礦產資源勘探工作開展，在多金屬硫化物開采技術方面的研究基本上還是空白。我司目前承建的世界首制深海采礦船可開采1 500 m水深的多金屬硫化物，根據采礦作業特點，需要經常使用大型A架吊對水下大型采礦設備進行下放和回收，其兩側跨度長，焊接量大，安裝定位精度要求高，對現行的安裝工藝方法帶來了嚴峻的挑戰。本文通過對A架吊焊接變形控制，安裝定位精度，過程質量控制方法的研究，為設備的實船安裝制定了切實可行的工藝方案。

2 有限元分析

根據ABS相關規范，對該船310 t A架吊基座及其下結構有限元建模計算。根據A架吊的安裝位置，建立從船舶尾封板至FR27橫艙壁、二甲板至主甲板的有限元艙段模型，該艙段采用板梁組合結構模型。主甲板下3 m所有結構為高強度鋼（355 Mpa），其余為普通碳素鋼。根據A架吊系統的實際使用要求對各工況進行強度校核分析。

計算時是根據規范取1.25的安全系數，結果強度滿足規范和設備的使用要求。該結構為強受力構件，因而對設備的裝配和安裝精度要求高。

3 安裝工藝研究

3.1 安裝形式及要求

310 t A架吊散裝供貨，現場組合、安裝。如圖1所示，A架安裝精度要求兩側鉸鏈中心間距15.6 m，安裝誤差±3 mm，鉸鏈孔同軸度為±3 mm。基座左右兩側高度近7 m，直接焊接在100 mm的EH36甲板面上，要求全焊透。左側基座帶連接絞車的滑輪及伸縮液壓油缸，重量為50 t，與甲板的焊接周長約為19 m，其中壁厚40 mm的對角焊約3 m，120 mm的對角焊約16 m。右側基座重量為34 t，與甲板的焊接周長約為15 m，其中壁厚40 mm的對角焊約6 m，120 mm的對角焊約9 m。

EH級鋼低溫沖擊性能好，但易產生冷裂紋。船廠根據AWS標準及ABS規范的要求，采用焊接新技術、新工藝和新材料對厚板EH級高強度鋼的焊接性能進行了一系列試驗和分析，最后確定為陶質襯墊CO2氣體保護焊單面焊，并配合預熱工藝措施，制定了EH級高強度鋼焊接工藝規程WPS指導生產。

中心跨距15 m遠的基座處的甲板分處在兩個分段上，CSQS標準每檔肋距變形允許極限值是6 mm，根據船舶建造經驗兩處大平面長距離的平行度通常只能控制在10 mm以內，難以滿足WPS的焊接間隙4～12 mm的要求。

綜上安裝同軸度及焊接工藝規程WPS的要求，需要對基座底部甲板面焊接區域進行機加工。單側基座底部甲板面焊接區域機加工后的平面度為0.6 mm，兩側基座底部甲板面焊接區域機加工后的平行度為1 mm。

A架基座底部的焊接坡口已經由設備供應商按要求開設好，焊接節點如圖2所示，裝焊鋼襯墊前要求在內場清除坡口表面油漆。鋼襯墊與母材材質一致，鋼襯墊斜坡口采用機加工設備加工，厚度20 mm，高度30 mm，鋼襯墊與底座接觸的下邊緣先點焊，上邊緣連續焊，鋼襯墊突出基座底部長度為6±0.5 mm。

3.2 甲板面現場機加工的關鍵技術

甲板面機加工存在著超寬距離加工，現場加工精度要求相對較高，單個基座墊板加工面積大的難點。

為達到加工要求，設計考慮采用三維龍門式結構銑床，加工效率高且能保證加工精度，確保兩側基座墊板的平行度達到要求。

3.3 吊裝定位

（1）準備起吊前要檢查吊具質量檢驗的合格有效期內，確保起吊過程的安全；

（2）基座翻轉過程，需要采用兩個吊鉤分別控制收放，小心翻至正裝位置；

（3）采用拉琴絲線的方式，建立兩側基座定位的理論中心線；

（4）調整測量定位；

（5）用鋼板尺測量鋼絲線到鉸鏈孔壁的上下左右四個方向的距離，配合使用千斤頂來調整兩側基座的位置；

（6）基座定位后，在基座的兩側安裝臨時支撐，將兩側基座與甲板臨時固定。endprint

3.4 焊接變形控制

高強度鋼中厚板焊接時要嚴格按照WPS逐步施焊，并派專人監護，進行變形測量監控，及時采取措施，盡量減少焊接變形。

（1）A架的焊接為多層多道焊，分3部分完成。第1部分焊接3層，第 2部分焊接一半坡口深度，第3部分完成蓋面焊及光順過渡。每層每道焊縫分成多段焊接，后一道焊縫的接頭（熄弧處）應與前一道焊縫的接頭錯開30 mm左右。

（2）第1部分前3層焊縫應一次施焊完成。如圖3所示，前道焊縫焊完2段后就開始焊下一道焊縫。其余部分焊縫，前一層焊完后再焊后一層焊縫。

（3）右側基座的焊縫分成4段，由4人同時施工。每個焊工分別從a、b、c、d 4個位置開始焊接，到e或f位置結束，見表1及圖4。

（4）左側基座的焊縫分成11段，由5～6人同時施工。每個焊工焊接開始和結束位置如表2及圖5。

（5）每段焊縫應分段退焊，焊接起弧和熄弧應避開結構端頭折角位置至少50 mm，焊接過程中應測量并記錄鉸鏈孔內壁上下左右到鋼絲線中心的四個徑向距離，實際可根據測量數據適當調整焊接順序。

3.5 焊縫質量的監控和檢驗

在第1部分焊完冷卻后采用磁粉探傷及時檢查根部的焊接質量，一旦發現問題及時修補缺陷再焊接第2部分，隨后分別用超聲波在第2部分與第3部分焊完后進行探傷并修補缺陷。

由于板厚，且只有一面可以接近的情況下，為確保無損探傷能全覆蓋被檢查的焊縫，以保證焊縫質量100%全焊透，船廠進行如下論證。

一般焊縫的晶粒較細，可選擇較高頻率；對厚板焊縫和材質衰減明顯的焊縫，應采用較低頻率探傷，以保證探傷靈敏度。該基座厚度達到120 mm，選擇2.5 MHZ的斜探頭，保證有足夠的探傷靈敏度。通過研究該基座采用70°和45°2種探頭進行檢測。

因基座板材比較厚，選用多側一次波入射法，二次波不采用，具體方案為：如圖6探頭在1面檢測時O為入射點最大的檢測區域為ABF，通過幾何計算，探頭采用70°角2.5 MHZ，移動區域OD為102 mm，按垂直深度調節儀器時，因OC=43，H=80，所以顯示在超聲波儀器上的波形43～80之間的波形為缺陷波。如果在“1”面的甲板面上用二次波檢測時，如圖6所示最多只能檢測到REF區域，AER區域還是漏檢，而且用二次波檢測干擾波很多，不予考慮。通過“1”面的檢測發現漏檢了AEB區域，需要在其它面對AEB區域進行檢測。因“2”面有結構不能檢測，只有到甲板下進行補檢即“3”面進行超聲波檢測。

在3面檢測示意圖如7，角∠EKX=arctan（EX/KX）=37°，選用45°角探頭大于37°符合要求。能夠檢測到E點探頭往后移動，入射點到達N點時波形剛好能夠通過F點到達A點，采用45°探頭在“3”面檢測，因為角∠MNF=角∠AFE=45°。所以在“3”面探頭的移動區域KN=EF=50 mm。其中第一次入射點到焊腳的距離KP為35。

通過上述計算，采用45°角探頭能夠對AEF區域全掃查，保證100%的超聲波檢測。因為AQ=73，甲板厚為100，在不考慮其它波形影響的情況下在超聲波儀器上顯示的100～173之間的波形就為缺陷波（按垂直深度調節儀器）。因為在“3”面檢測時干擾波比較多比較難判斷，只能作為1面檢測的補充檢驗。通過1面和3面的配合檢測可以看出，用超聲波可以對該基座的全焊透區域AEF進行100%檢測。

4 結束語

各主要設備的定位安裝結束后，將根據設備廠家指導組裝A架、調試、上鋼纜及負荷試驗。本文通過研究和大量實驗，專門編制了大型A架吊基座的焊接和安裝工藝，通過現場機加工設備加工船體甲板面，焊接變形控制，安裝精度控制等措施確保A架吊安裝達到設備廠家給定的精度要求，并且工藝通過了ABS船級社審核，為后續該類型船舶設備的安裝提供了參考。

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