大直徑筒體(椎體)結(jié)構(gòu)尺寸精度控制方法研究

郭 寧，閆清波，張 剛

(海洋石油工程股份有限公司建造事業(yè)部，山東 青島 266520)

大直徑筒體(椎體)結(jié)構(gòu)作為海洋工程常見(jiàn)的基本結(jié)構(gòu)單元，多見(jiàn)于單點(diǎn)系泊系統(tǒng)、圓筒形FPSO或半潛式平臺(tái)等海洋工程裝備上。由于徑厚比[1]非常大，因此結(jié)構(gòu)柔性也比較大，在前期的預(yù)制建造階段，焊接的熱輸入極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變形收縮，精度控制不嚴(yán)格容易導(dǎo)致尺寸超差；后期的運(yùn)輸?shù)跹b過(guò)程中外力的作用也會(huì)容易使結(jié)構(gòu)物發(fā)生塑性變形。不同于船體上的板殼結(jié)構(gòu)，筒體(椎體)結(jié)構(gòu)的截面為標(biāo)準(zhǔn)圓形，受力狀態(tài)多以軸向力為主導(dǎo)，為了能有擁有足夠的穩(wěn)定性來(lái)防止整體和局部屈曲變形，該類(lèi)型的結(jié)構(gòu)的公差要求極為嚴(yán)格。因此，大直徑筒體(椎體)結(jié)構(gòu)尺寸精度控制是建造階段的關(guān)鍵點(diǎn)和困難點(diǎn)。本文以某單點(diǎn)項(xiàng)目的某個(gè)大直徑椎體結(jié)構(gòu)分段為案例，闡述了該結(jié)構(gòu)從排板下料、焊接預(yù)制到吊裝運(yùn)輸整個(gè)建造過(guò)程的尺寸精度控制方法，該方法已經(jīng)成功應(yīng)用于該單點(diǎn)項(xiàng)目，對(duì)大直徑筒體(椎體)結(jié)構(gòu)尺寸精度控制具有良好的指導(dǎo)性和借鑒性。

1 概述

對(duì)于一個(gè)大直徑筒體(椎體)結(jié)構(gòu)分段，其預(yù)制建造主要包含以下四個(gè)步驟：排板下料、畫(huà)地樣基準(zhǔn)線(xiàn)、組對(duì)焊接、運(yùn)輸?shù)跹b合攏。排版下料及地樣基準(zhǔn)線(xiàn)是尺寸控制的基礎(chǔ)，直接決定了結(jié)構(gòu)預(yù)制精度的成敗；組對(duì)焊接是精度控制的核心關(guān)鍵點(diǎn)，組對(duì)焊接工作是否控制到位，決定了結(jié)構(gòu)完工后是否超差；而運(yùn)輸?shù)跹b合攏階段的尺寸控制工作，主要對(duì)結(jié)構(gòu)的保形控制，保證該過(guò)程外力不會(huì)破壞結(jié)構(gòu)原有的尺寸精度。因此，上述四個(gè)步驟的施工過(guò)程，都需要進(jìn)行嚴(yán)格的尺寸控制，才能保證結(jié)構(gòu)最終的建造精度。

2 一般公差要求

除項(xiàng)目特殊要求外，筒體(椎體)結(jié)構(gòu)的公差要求可參照規(guī)范《EEMUA 158 海上固定平臺(tái)建造施工規(guī)范》第六章建造公差的要求執(zhí)行。對(duì)于焊接錯(cuò)皮的公差要求可以參照《DNVGL-OS-C401海上固定平臺(tái)建造和檢驗(yàn)規(guī)范》執(zhí)行。部分具體公差要求如表1所示。

表1 筒體(椎體)結(jié)構(gòu)的公差要求

說(shuō)明：D為筒體外徑，tn為筒體壁厚。

3 排板下料

排板下料需要考慮以下因素來(lái)消除尺寸控制中的不利因素：

(1)考慮增加下料余量，來(lái)抵消焊接收縮量。下料余量分環(huán)縫收縮余量和縱縫收縮余量，原因是焊接環(huán)縫和縱縫時(shí)的熱量輸入會(huì)使結(jié)構(gòu)沿著垂直于焊縫的方向收縮。

①環(huán)縫焊接收縮：會(huì)使筒體(椎體)在中心軸線(xiàn)方向發(fā)生收縮，收縮量為ΔL(如圖1所示)；如果下料尺寸等于理論值，筒體(椎體)焊接完一圈環(huán)縫后，焊接收縮后會(huì)導(dǎo)致該筒體的實(shí)際長(zhǎng)度L′短于理論值L,即有：

L′=L-ΔL

因此需要在下料時(shí)，需要在軸向方向預(yù)留一定余量來(lái)抵消該收縮量，該余量可以粗略估算略長(zhǎng)于焊接收縮量，待環(huán)縫焊接完，精確測(cè)量后，將多余的余量切除。

②縱縫焊接收縮：會(huì)使筒體(椎體)在切向發(fā)生收縮,每條縱縫的收縮量為ΔS(如圖1所示)；如果下料尺寸等于理論值，筒體(椎體)焊接完同一高度上的所有縱縫后，焊接收縮后會(huì)導(dǎo)致該筒體的周長(zhǎng)S′小于理論值S，即有：

S′=S-n*ΔS

n為同一高度上的縱縫數(shù)量。

因此需要在下料時(shí)，在最后一塊拼板A的縱縫上增加一定的下料余量，保留該帶余量的拼板A不焊接，將其余拼板焊接完成后，測(cè)量未焊拼板A位置處的實(shí)際尺寸，然后根據(jù)實(shí)際尺寸修剪拼板A的余量，將拼板A組對(duì)就位焊接，來(lái)達(dá)到控制切向收縮目的。

圖1 焊接收縮示意圖

(2)盡可能的減少環(huán)縫和縱縫的數(shù)量，焊縫焊接收縮的積累是尺寸超差的主要原因之一，因此減少焊接工作量是削減焊接變形的最直接的辦法。

4 地樣基準(zhǔn)線(xiàn)

結(jié)構(gòu)在開(kāi)始預(yù)制之前需要提前畫(huà)好地樣基準(zhǔn)線(xiàn)(如圖2所示)，基準(zhǔn)線(xiàn)包括基準(zhǔn)原點(diǎn)，十字線(xiàn)(0～180°線(xiàn)&90～270°線(xiàn))。地樣基準(zhǔn)線(xiàn)作為預(yù)制分段的基礎(chǔ)參照線(xiàn)，必須保證足夠的精度(一般要求+/-1 mm)，該基準(zhǔn)線(xiàn)需要在分段的加設(shè)圖紙上顯示。預(yù)制胎架的擺放需要以地樣基準(zhǔn)線(xiàn)進(jìn)行準(zhǔn)確擺放，且不能遮擋覆蓋地樣線(xiàn)，如果有遮擋，需要將遮擋點(diǎn)反駁至胎架表面可見(jiàn)的區(qū)域。胎架一旦完成準(zhǔn)確定位固定，不可再與地樣線(xiàn)發(fā)生任何相對(duì)移動(dòng)。預(yù)制過(guò)程中的拼板定位組對(duì)，焊接調(diào)整、測(cè)量檢驗(yàn)均以地樣基準(zhǔn)線(xiàn)為參考。

圖2 地樣基準(zhǔn)線(xiàn)示意圖

5 組對(duì)焊接

組對(duì)焊接是尺寸控制至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，也是尺寸控制的核心關(guān)鍵點(diǎn)。組對(duì)焊接分焊前組對(duì)和焊接兩部分工作。焊前組對(duì)是指按照地樣基準(zhǔn)線(xiàn)將每塊拼板進(jìn)行精確組對(duì)，然后使用一定數(shù)量的馬排板進(jìn)行固定。組對(duì)拼板時(shí)，應(yīng)考慮焊接軸向(切向)收縮量ΔL(ΔS)的存在，并且在某些情況下，需要設(shè)置一定的組對(duì)間隙△G(2～4 mm)，最理想的狀態(tài)為組對(duì)間隙等于焊接收縮量，即有：

ΔG=ΔL，或ΔG=ΔS

這樣的話(huà)，焊接完成后的焊后尺寸幾乎接近理論尺寸。焊接收縮量ΔL(ΔS)可以按照常規(guī)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到：

AH-焊縫的橫截面面積；

δ-板厚。

圖3馬排板控制示意圖圖

圖4 馬排長(zhǎng)度示意圖

然而在大部分情況下，組對(duì)間隙很難與焊接收縮相互抵消，而此時(shí)，可以考慮使用馬排板來(lái)控制焊接變形(如圖3所示)。馬排板固定焊縫，不但可以控制焊接收縮，也可以控制圓弧板的焊接熱影響區(qū)域內(nèi)的焊接變形。因此馬排板下料需要使用數(shù)控切割機(jī)按照對(duì)應(yīng)加固位置的弧度大小進(jìn)行切割下料，來(lái)保證馬排板有足夠的精度來(lái)控制該處的焊接變形。馬排板的長(zhǎng)度K′應(yīng)超過(guò)焊接熱影響區(qū)的長(zhǎng)度K(如圖4所示)，來(lái)保證足夠的形變控制能力。

組對(duì)完成后，便可進(jìn)行焊接作業(yè)。焊接中的過(guò)程控制十分關(guān)鍵，可采用分段退焊法(如圖5所示)、多焊工同步對(duì)稱(chēng)焊、間歇焊間歇測(cè)量等焊接技巧來(lái)控制焊接變形。在焊接過(guò)程中控制好熱輸入量，在焊接變形可控的情況下，穩(wěn)步緩慢焊接，如果發(fā)現(xiàn)形變，采用反變形的焊接策略及時(shí)矯正。

圖5 分段退焊法

在焊接圓周一圈拼板時(shí)，需要保留一塊帶有余量的拼板最后組對(duì)焊接(如圖6所示)。焊接前需要測(cè)量最后一塊拼板板位尺寸B，根據(jù)B的大小對(duì)最后一塊拼板進(jìn)行尺寸修剪,修剪完成后的尺寸為B′。 B′的大小可以按照如下公式計(jì)算：

B′=B-2ΔG+2ΔS

ΔG為組對(duì)間隙；

ΔS為切向焊接收縮量。

圖6 預(yù)留最后一塊帶余量拼板調(diào)整尺寸

圖7 上口尺寸控制點(diǎn)

每次完成一周圈的圓弧板焊接，在組對(duì)上一圈圓弧板之前，都要對(duì)上口進(jìn)行尺寸控制，在上口均勻設(shè)置一定數(shù)量的尺寸控制點(diǎn)(24個(gè)或者36個(gè)，視直徑大小而定)，測(cè)量每個(gè)點(diǎn)的半徑公差及高度公差確保滿(mǎn)足要求(如圖7所示)，然后再進(jìn)行上圈弧形拼板的組對(duì)焊接。

6 運(yùn)輸?shù)跹b保形

大直徑筒體結(jié)構(gòu)完成預(yù)制后，一般需要進(jìn)行運(yùn)輸至噴涂車(chē)間進(jìn)行打砂噴漆，然后再進(jìn)行吊裝合攏。在此過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)的外力作用，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形。因此，運(yùn)輸?shù)跹b過(guò)程中的保形控制至關(guān)重要，常用的措施就是在筒體(椎體)內(nèi)部焊接保形框架，多為一層兩層的米字架或者十字架的結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖8所示，該種結(jié)構(gòu)能夠抵抗筒體(椎體)受到的徑向作用力，保證結(jié)構(gòu)橢圓度和不圓度發(fā)生破壞。

圖8 保形框架示意圖

吊裝作業(yè)所使用的吊耳應(yīng)焊接至保形框架上，來(lái)避免避免筒體(椎體)受到較大吊裝力的作用，如圖9所示。

圖9 大直徑筒體吊裝保形示意圖

7 結(jié)論

(1)排版下料需要考慮組對(duì)間隙和焊接收縮量?jī)蓚€(gè)關(guān)鍵因素；在筒體(椎體)軸向長(zhǎng)度每塊拼板均要增加余量，在周向長(zhǎng)度選擇最后組對(duì)焊接的一塊拼板增加余量。

(2)地樣基準(zhǔn)線(xiàn)作為尺寸控制的基礎(chǔ)，必須保證足夠的精度，且在整個(gè)預(yù)制過(guò)程保持靜止不變和良好的可見(jiàn)性。

(3)組對(duì)時(shí)需要使用尺寸足夠大，精度足夠高的馬排板對(duì)焊縫進(jìn)行固定。組對(duì)尺寸需要考慮焊接收縮對(duì)焊后尺寸的影響，組對(duì)間隙在容許的條件下盡量設(shè)置到最小。

(4)焊接時(shí)采用分段退焊法，多焊工同步對(duì)稱(chēng)焊，間歇焊間歇測(cè)量，控制熱輸入量，在焊接變形可控的情況下，穩(wěn)步緩慢焊接，如果發(fā)現(xiàn)形變，采用反變形的焊接策略及時(shí)矯正。

(5)周向拼板焊接時(shí)，預(yù)留最后一塊拼版，根據(jù)焊后最后一塊拼板板位尺寸，修剪最后一塊拼板，保證最后的焊接成形精度。

(6)筒體(椎體)高度上的每一層的組對(duì)焊接必須建立在前一層尺寸過(guò)檢的基礎(chǔ)之上。

(7)吊裝運(yùn)輸之前需要焊接保形框架，且吊點(diǎn)不宜直接生根在筒體(椎體)殼壁上。