海洋鋼結構預制階段建造精度控制

王永興，劉進華，石守義，豆小艷，常小龍

(1.海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引 言

海洋鋼結構的建造一般分為預制階段和總裝階段。預制階段的工作由兩部分組成：一是結構桿件預制，如組合梁預制、節點預制、立柱拉筋卷制接長等；二是甲板片預制，即根據車間的建造能力和吊裝運輸設備的作業能力，將結構桿件，如組合梁、型鋼、筋板、立柱拉筋等，組對焊接成甲板片。總裝階段是將預制噴涂完成的甲板片運輸到場地進行吊裝合龍的過程。不論哪個階段都離不開焊接作業，而焊接作業帶來的固有的收縮變形則是影響海洋鋼結構建造精度的關鍵因素。

隨著海洋鋼結構建造行業的發展，建造精度越來越被人們所重視[1-2]，無余量施工的概念應運而生。一般來說，為保證鋼結構總裝完成后能夠滿足規格書公差要求，甲板片在總裝合龍口位置都會保留余量，在甲板片吊裝合龍之前，根據實際情況將余量切除。所謂無余量施工，即將預制階段的桿件保留與焊接收縮量相匹配的余量，從而避免甲板片總裝之前的余量切除工作，這顯然對預制階段的精度控制提出了更高的要求。

海洋鋼結構預制階段的精度控制問題任重道遠，本文結合近年工程項目中對總裝影響較大的預制階段尺寸超差問題，對施工過程中用于提高預制階段建造精度的措施進行初步分析和總結，對后續項目的開展有一定的參考意義。

1 預制階段超差問題

根據鋼結構預制階段的工作內容，超差問題相應地可以分為兩方面：一是結構桿件的預制超差；二是甲板片預制過程中的超差。

1.1 結構桿件預制超差

對甲板片預制過程影響較大的結構桿件預制超差主要體現在組合梁的高度超差和立柱的橢圓度超差上。

(1)組合梁高度超差。一般來說，組合梁都由專門的預制廠家完成，考慮到筋板需要準確定位，設計于組合梁上的筋板都是在后續甲板片預制階段中安裝的。根據國內組塊建造規格書的要求，組合梁的高度公差為±4 mm，如果組合梁預制完成后高度公差為-4 mm，則后續焊接筋板，尤其是焊接厚筋板，必然會導致組合梁的高度進一步減少，而造成超差。圖1為焊接收縮典型案例，此處組合梁理論高度H=1 500 mm，實際高度H=1 496 mm，上下翼緣鋼板厚度為80 mm，節點管壁厚為60 mm。從圖1的測量數據看出，在甲板片預制階段，節點管焊接完成后，組合梁高度H=1 494 mm，減少2 mm，因而最終高度超差。

圖1 焊接收縮典型案例

(2)立柱橢圓度超差。管徑大于406 mm的立柱或者拉筋一般都需要使用鋼板卷制，按照建造規格書的要求，卷制管的橢圓度公差為最大與最小內徑的測量值之差，應不超過6 mm。由立柱橢圓度超差引起的最大問題是因為相鄰管段橢圓度偏差的方向不同，而在后續對接過程中引起環縫錯皮超差。如圖2所示，立柱與其下方大小口由于橢圓度超差而出現的環縫錯皮為29.5 mm，遠遠超出規格書對環縫錯皮的規定，即0.2t(t為壁厚)或6 mm中的較小值。

圖2 環縫錯皮超差

1.2 甲板片預制超差

甲板片預制過程中的超差主要體現在甲板片預制完成后的整體尺寸和水平度超差問題上。

(1)甲板片整體尺寸超差。通常，受車間預制能力、場地吊裝運輸設備作業能力的限制，大尺寸的甲板片在預制階段都被拆分為若干小甲板片，然后在總裝階段再焊接合龍。圖3所示的甲板片由于尺寸和質量較大，在預制階段被分解為3個小片。此方法能夠降低甲板片預制的施工難度，但對甲板片的整體尺寸精度控制卻有不利影響。建造規格書只規定了甲板片預制完成的尺寸公差，具體要求為任意平面內立柱之間的對角線最大允許誤差在±19 mm范圍內。對于拆分后小片的預制公差并無明確要求，因此小片預制完成后的尺寸報檢也是依據±19 mm執行的。這就導致所有的甲板片的尺寸在預制階段都是合格的，但是到了總裝階段則出現了無法正常合龍的問題。

圖3 分片預制

(2)甲板片水平度超差。設備的安裝一般是在組塊甲板片總裝完成之后進行的，因此甲板片的水平度超差對設備安裝的影響很大。如圖4所示，甲板片局部標高偏低，設備底座安裝后不能滿足設備的標高要求，只能通過增加墊板來調整。甲板片主體由組合梁、型鋼組對焊接完成，甲板片預制完成后通常會出現中間低、四周高的變形。其根本原因是組合梁與型鋼的對接要求上表面平齊，所以組合梁上翼緣區域的焊接工作量遠大于下翼緣區域，組合梁上翼緣區域的熱輸入也較大，因此焊后就出現了中間低、四周高的變形。

圖4 局部水平度超差

2 提高預制精度的措施

優化焊接工藝可以減少焊接變形，提高預制精度[3-6]，但對于焊接工作量巨大、施工過程復雜的甲板片預制，還需要著重從以下3個方面對預制階段的精度進行控制。

2.1 增加預制階段公差要求

增加預制階段的公差要求并作為甲板片報檢的依據是確保甲板片預制精度的根本措施。第1節的預制超差問題分析表明，預制階段對總裝階段影響較大的公差主要有組合梁高度公差、立柱橢圓度公差、甲板片尺寸公差和甲板片水平度公差。

國內組塊建造規格書對組合梁高度的公差要求是±4 mm，即組合梁預制高度-4 mm也滿足規格書要求，但如果后續需要焊接筋板或半圓管，組合梁高度就會減少，從而出現超差問題。所以，如果能夠在組合梁預制階段考慮到后續焊接引起的收縮，將部分組合梁的預制高度改為正公差要求，就可以避免后續的超差問題。

一般鋼板卷制立柱或拉筋的最大與最小內徑之差不超過6 mm，為使立柱或拉筋在甲板片預制階段或總裝階段能夠順利拼接，拼接口處的橢圓度可以從嚴要求，比如將最大與最小內徑之差縮小到4 mm。

建造規格書只規定了甲板片預制完成的尺寸公差，具體要求為任意平面內立柱之間的對角線最大允許誤差在±19 mm范圍內，施工檢驗一般都是以此公差要求對各分片進行檢驗，這顯然是不合理的。針對各分片的結構特點，對各分片執行更為嚴格的整體公差要求，才能保證各分片合龍后能夠滿足±19 mm的公差要求。與此類似，只有對各分片執行更為嚴格的水平度公差要求才能保證分片合龍后整體水平度在13 mm以內。

2.2 技術文件增加焊接收縮余量

焊接收縮是焊接過程的固有屬性，結構件焊接工作量越大，焊接收縮量也越大。為使結構件焊后能夠滿足公差要求，可以根據實際情況在加工設計方案中增加下料余量，以補償焊接收縮量。例如：總裝現場口處的組合梁在長度方向上增加20 mm的余量；總裝現場口的立柱在高度方向上增加50 mm的余量；甲板片組對過程中，組合梁跨距比理論尺寸增大3～5 mm，以補償甲板片組合梁、型鋼及筋板焊接完成后的尺寸收縮。

技術文件中增加的下料余量只有立足于施工過程中關于焊接收縮的基礎數據積累，才能保證此余量與焊接實際收縮量相當，否則就會增加現場對多余的下料余量進行切割的工作量。

2.3 反變形法控制甲板片水平度

根據第1.2節內容，甲板片焊后最明顯的特點就是中間低、四周高，因此可以采取反變形法保證甲板片的預制精度。采用如圖5所示的高度可微調的甲板片預制墊墩，在甲板片預制的各個階段，如組合梁組對焊接、次梁型鋼組對焊接以及甲板板的焊接，可以方便地降低甲板片四周區域的墊墩高度，達到反變形的效果。同樣，反變形量也必須立足于施工過程中的基礎數據積累，才能保證預設的反變形量與焊接變形相當，不至于出現反變形量過大或不足的問題。

圖5 高度可調的預制墊墩

3 結 論

提高結構預制階段的建造精度可以著重從以下3個方面入手：

(1)增加預制階段的公差要求。增加桿件預制和甲板片預制的公差要求并作為報檢依據，對提高預制階段建造精度有關鍵性作用。

(2)在技術文件中增加焊接收縮余量。在技術文件中增加下料余量，補償施工過程中的焊接收縮，能有效地保證預制階段的結構件和甲板片的公差要求。

(3)采取反變形法控制甲板片的水平度。針對甲板片焊后中間低、四周高的變形特點，在甲板片組對階段預先采取反變形措施，能夠有效保證甲板片焊后的水平度。