自升式鉆井船齒輪箱制作過程的尺寸控制

(海洋石油工程(青島)有限公司， 山東 青島 266520)

0 引 言

伴隨著經濟的高速發展，石油的消費量和需求量都急劇增加。在陸地油氣資源被大量開采，儲量無法滿足經濟發展要求的背景下，需大力開發海洋油氣資源。目前，在世界各地大陸架的不同工作海域，各種各樣的近海工程結構物被應用于海底油氣資源的勘探和開發，其中自升式鉆井船因其定位能力強和作業穩定性好，應用廣泛，是海洋油氣勘探開發的主力。

1 鉆井船升降系統

自升式鉆井船升降系統是控制鉆井船升降的關鍵核心部分。鉆井船共有3套升降系統分布在不同的船體位置上，其中艏部1套、艉部左右舷各1套，平面布置及編號如圖1所示。

升降系統的核心結構為齒輪箱及升降底座(見圖2)：齒輪箱位于上部，通過制動系統連接頂部齒條導向結構運行；升降底座位于下部，與樁腿圍井結構安裝固定在一起，通過上部齒輪箱的作業帶動樁腿實現升降。本文主要就升降系統中的齒輪箱的制作展開論述。

圖1 升降系統平面布置 圖2 齒輪箱及其底座

2 齒輪箱制作流程

齒輪箱制作精度要求高，必須制作鋼制約束胎架，保證在齒輪箱制作時水平度偏差不超過±1 mm。為保證精度，胎架的布置(包括地樣線、齒輪箱中心線、結構線及指定的施工基準線的標定)必須嚴格按照公差要求進行。

第1步：將前面板放在胎架上，擺正位置后，與胎架支撐焊接固定。齒輪孔開坡口，軸套安放在齒輪孔位置后焊接，如圖3a)所示。

第2步：組對兩側板。組對時注意板的方向，如圖3b)所示。

第3步：組對內部結構并焊接。為減少焊接變形，采用對稱焊方式，先焊接兩側板，后焊接中間肋板，最后焊接加強筋板，如圖3c)所示。

第4步：組對并焊接后面板及后面板上的變速箱限位板條,如圖3d)所示。

第5步：翻身焊接未翻身前不易焊接的位置，按照理論尺寸切割加工裕量，并焊接頂板及前面板上的導向結構，然后焊接前面板上的加強筋板，再次機加工軸套，使其精度滿足要求，如圖3e)所示。

圖3 齒輪箱制作步驟

齒輪箱制作完成后如圖4所示。

圖4 齒輪箱制作完成后的安裝圖

3 齒輪箱制作過程變形控制

3.1 下料尺寸控制

焊接冷卻后會產生結構體收縮。為保證焊接后的整體尺寸要求，下料時在前面板的下端及左右兩側均加有裕量(前面板下端預留50 mm，左右兩側預留5 mm)，在齒輪箱焊接完成后進行尺寸檢驗，劃線后切割裕量，最終使齒輪箱結構滿足設計要求。

齒輪箱的關鍵尺寸是齒輪孔之間的相對距離。對前面板4個齒輪軸套進行大量焊接施工必然會因熱脹冷縮產生焊后變形，而齒輪間距只允許存在1 mm的尺寸公差，因此必須在下料時留出適當的收縮裕量。結構預制期間確定的下料尺寸如圖5所示。建造完成后的測量結果顯示，該下料放樣尺寸完全滿足設計要求，如表1所示。

圖5 齒輪間距示例

表1 焊接后軸套間距 mm

為保證后面板開孔直徑的精度，在預制下料后面板時，開孔放樣的孔直徑比設計圖紙的孔直徑少10 mm，在齒輪箱焊接加工完成后再進行機加工，使后面板開孔直徑滿足設計要求。

3.2 胎架制作

為保證齒輪箱建造精度，必須制作精準且有剛性約束的胎架，如圖6所示。采用工字鋼制作胎架主體，為方便調平及剛性固定，在胎架的上表面焊接均勻分布的支撐板，如圖7所示。這既有利于施工，又能很好地調節胎架的水平度，進而有效地控制齒輪箱的整體水平度。

圖6 胎架整體圖 圖7 胎架上表面支撐板

在胎架上固定前面板，考慮到前面板與軸套的焊接變形，在胎架調平時對其水平度做適當反變形處理，使其中心比邊緣高3～4 mm，以抵消實際上翹的收縮裕量，并結合剛性固定，最終使齒輪箱整體水平度符合制作要求。

另外，為保證胎架的精準性，要求布置胎架之前標定的地樣線以及齒輪箱的地樣線或樣沖眼在施工周期內清晰可見。

3.3 焊接變形控制

在焊接過程中隨著熱量的輸入，構件金屬內部組織結構發生變化，產生應力及應變，其表現形式就是焊接變形。焊接的接頭對接形式、坡口形式不同，造成焊接變形在表現形式上也各不相同，可分為縱橫向收縮變形、撓曲變形、角度變形等[1]。在鋼結構制造領域，焊接變形是施工過程中的主要變形，并且極難控制，焊接變形控制是質量控制方面的主要課題，下述3種方法能有效控制焊接變形在齒輪箱預制過程中的影響。

3.3.1 剛性固定法

焊接過程是一個不均勻受熱的過程，除遵循事先制定的焊接程序之外，還可借助外力作用抵消鋼結構不均勻受熱產生的變形。剛性固定法是利用強制手段來減小焊后變形的方法。

在齒輪箱箱體的預制過程中，有很多不對稱焊縫，該類型的焊接變形控制非常困難。按照正常施工焊接完成后，受焊接熱影響，有的構件會向焊縫多的一側發生偏移變形。為了更好地控制并減少此類變形，在組對時提前對部件進行剛性固定，以減少整體變形，如圖8所示。

圖8 部件剛性固定步驟

3.3.2 反變形法

反變形法是指根據生產中已掌握的焊接變形規律，預先人為制造一個變形，使該變形與焊后發生的變形方向相反而數值相等[2]，即事先估計結構變形的大小和方向，然后在裝配時給予一個相反方向的變形，與焊接變形相抵消。在一般的鋼結構預制施工中，反變形法的應用非常廣泛。

在齒輪箱制作過程中，在前面板上胎架之前，由于齒輪箱上部焊接量比下部大，焊接完成后，齒輪箱整體向焊縫比較密集的上部變形，因此在胎架找平時，對其水平度做適當反變形處理，使其中心比邊緣高出3～4 mm，然后再把前面板放到胎架上進行多點剛性固定，保證整體達到反變形效果。主體焊接完畢，把胎架上的多點固定打開后，隨著主體焊接應力的消除，整體產生上翹，從而抵消預留的反變形，最終滿足齒輪箱整體水平度要求。

在齒輪箱側板組對過程中，同樣考慮焊后整體上翹變形，將側板上部向外傾斜3 mm，在焊接完成后，側板在焊接應力的作用下向內收縮，有效確保側板的焊后尺寸。

3.3.3 合理安排組對及焊接順序

齒輪箱是一個復雜的構件，制定合理的組對焊接工藝對防止變形非常重要。隨著各個部件的裝配，每個部件的應力隨之變化，而且變化規律很難掌握，因此在施工過程中不同的裝配、焊接順序會產生不同的變形，這也是影響焊接結構變形的主要因素之一。

在施工準備階段，根據齒輪箱的內部結構特點確定裝配、焊接順序。考慮到天氣原因，需采用電加熱和火焰加熱方式對構件進行焊前預熱工作。焊接時遵循以下原則：

(1) 焊接預熱。焊接時鋼板瞬間達到高溫，因熱脹冷縮作用，焊接處產生較大變形甚至裂紋，為保證焊接質量，需對焊接處進行預熱，采用電加熱和烤槍火焰加熱，如圖9所示。

圖10 兩焊工正在進行對稱焊接

圖11 機械調直的兩種方法

(2) 盡量采用分段退焊及對稱焊接。對應焊道較長的構件采用分段退焊；焊縫對稱的構件采用對稱焊接，由成對的焊工對稱進行焊接，如圖10所示，這樣可使各焊縫引起的變形相互抵消一部分。

(3) 對某些焊縫布置不對稱的結構，先焊接焊縫短的一側。

4 齒輪箱制作變形調直

在齒輪箱預制過程中，當焊接產生的彎曲變形超出建造設計規格書要求的尺寸公差范圍時，需進行變形調直工作，現場一般采用機械調直和熱調直兩種方案。

4.1 機械調直

現場施工過程中的機械調直主要利用外力的影響對構件進行尺寸調整，包括千斤頂頂升后增加臨時支撐約束以及增加配重壓力約束，如圖11所示。

(1) 在兩個桿件之間的相對距離小于公差要求的情況下，利用千斤頂頂升的力量使之達到理論尺寸后增加臨時支撐約束，配合后續的熱調直進行尺寸調整。

(2) 配重壓力約束主要針對整個平面方向某一區域出現的隆起，當該隆起明顯比其他部分高時，將配重放在該區域，通過配重的重力作用對隆起區域的變形進行矯正。

4.2 熱調直

圖12 熱調制法調整變形

當變形過大，或出現波浪形變形時，需采用熱調直工藝進行調直。熱調直方法是利用熱脹冷縮原理，采用火焰對變形的地方進行加熱，通過不同位置不同形狀的加熱達到調整變形的目的[3]，如圖12所示。用烤槍加熱前，先用粉筆在加熱區域或路徑上進行標記，避免在焊道處直接加熱，禁止用水加速冷卻，加熱火把采用多孔加熱型烤槍，熱調直溫度嚴禁超過600 ℃。

5 結 論

綜上所述，為保證齒輪箱的制作尺寸公差在允許范圍之內，制作過程中需注意以下幾方面：

(1) 齒輪箱是鉆井船升降系統的關鍵結構，精度要求很高，建造前必須準備精準的胎架，提供約束變形的剛度和水平建造平臺。

(2) 為滿足齒輪箱的總體尺寸和焊接后結構相對尺寸的要求，下料尺寸必須精確，關鍵部位桿件需預留下料切割裕量。

(3) 為減小焊接變形，焊接前必須預熱焊接構件，采取正確的焊接順序，盡量采用分段退焊和兩側對稱焊方法。

(4) 對于建造過程中不可避免產生的過大變形，采用機械調直和熱調直措施來矯正變形。

通過采取上述措施，可有效解決齒輪箱制作過程中產生的變形問題，為其他船體結構和海洋平臺結構的建造提供借鑒。