導流罩對船尾分段安裝工藝影響研究

羅文清

(中遠海運重工有限公司,上海 200120)

0 引言

導流罩作為船舶常用的一種水動力節能裝置,增設需求日益增多[1]。眾多學者對導流罩的定位、吊裝等進行深入研究。王友樂等[2]采用“整體改造法”對科考船導流罩進行改造,有效地控制了施工工期,并利用多種防變形措施,較好地控制了導流罩整體變形。熊源泉[3]以“麗媛”輪加裝導流罩為例,介紹其塢內吊裝工藝流程。袁東亞等[4]利用先進的測量技術和工藝將導流罩的安裝工作前移至分段上,極大降低了船塢內安裝定位的施工難度,顯著縮短了塢期。但是,對導流罩安裝過程中艉軸管失圓控制的研究較少。導流罩與艉軸管分段連接,施工過程中焊接變形會對艉軸管失圓產生影響。艉軸管鏜孔余量有限,軸系安裝精度要求高,如果艉軸管失圓較大,則無法滿足軸系安裝條件。目前,船廠主要依靠精度控制手段保證艉軸管失圓精度。該工藝對工人作業能力要求較高,熟練工也很難保證成功率,經常需要返工,且影響后續軸系安裝。

本文對導流罩在鏜孔前和鏜孔后安裝這2種工藝流程分別進行了分析,并對比這2種工藝對艉軸管和工期影響,找出導流罩安裝的合理工藝方案。

1 無導流罩艉部船體結構安裝工藝

1.1 船尾分段劃分

以某散貨船為例,艉部船體結構劃分為艉框架分段(含艉柱及艉軸管,下文簡稱“APU分段”)和艉尖艙分段(艉軸管冷卻水艙部分,下文簡稱“AP1分段”)兩個分段。

1.2 船尾分段作業流程

為縮短造船周期,降低現場鏜孔帶來的質量風險,采用以下流程作業:

(1)在配套廠家將艉軸管與船尾鑄件(船體艉柱)焊接形成APU分段后,進行鏜孔作業。

(2)將APU分段運輸到船廠后,與AP1分段進行預合龍。

(3)通過調整艉軸管與船體分段搭接處延板的焊接順序來控制艉軸管的失圓。

由于重力、內應力及其他分段搭載等因素影響,分段放置至軸系照光階段時,艉軸管失圓數據還會發生細微的變化,最終能控制在0.3 mm以內,滿足襯套壓入及艉軸搭載的條件。采用該流程作業,從APU分段與AP1分段預合龍到完工報檢共需15個工作日。

2 增加導流罩后艉部船體結構安裝工藝

2.1 導流罩簡介

導流罩通常安裝于螺旋槳正前方,是肥大型船舶常用的一種水動力節能裝置。該裝置通過匯聚四下分散水流形成軸向水流來提高局部水流流速、減小船體阻力,省油率可達4%～6%[5]。導流罩通常有圓形和半圓形2種結構。半圓形導流罩省掉了下半部分的結構,節能效果比圓形導流罩好。目前散貨船大多采用半圓形導流罩形式,見圖1。

2.2 增加導流罩后船尾分段的常規作業流程

增加導流罩對船尾分段劃分無影響,但是,由于安裝導流罩會影響艉軸管精度,因此,需要通過特定的焊接順序和作業方向進行控制。同時,導流罩材質為鑄件,焊接過程需要預熱及保溫,耗費大量作業工時。從APU分段與AP1分段預合龍到完工報檢的工期延長至25個工作日,整體作業周期相較無導流罩時增加10個工作日,即僅安裝導流罩一項工作就增加2/3的工期,嚴重影響建造效率。

2.3 傳統工藝中導流罩安裝對艉軸管精度的影響

由于半圓形導流罩位于艉軸管上方,在安裝過程中裝配、焊接等作業產生的收縮應力方向均為上下,對艉軸管失圓的影響也總是上下方向。為嚴格控制艉軸管的精度,按照圖2順序焊接導流罩。

①～⑤—導流罩焊接順序。

經統計,含導流罩散貨船使用傳統工藝安裝時艉軸管失圓情況見表1。從表中發現,導流罩安裝對艉軸管失圓的影響主要集中在艉部,且失圓方向均為上下方向,失圓值接近最大限值0.3 mm,給后續軸系作業帶來較大難度和風險。

表1 傳統工藝艉軸管失圓情況統計表

3 導流罩和艉框架一體后鏜孔安裝工藝

APU分段重320 kN,導流罩結構重90 kN,吊機吊運能力為3 000 kN,可以承受APU分段和導流罩一體后的總重量。因此,將常規作業流程中導流罩的安裝提前,導流罩安裝完成后再進行艉軸管鏜孔,則傳統工藝中導流罩安裝對艉軸管失圓的影響就能夠避免,且對工期延長的影響也得以消除。

3.1 導流罩和艉框架分段一體安裝工藝

因艉軸管凸出于APU分段,故需制作固定胎架放置分段,以方便導流罩安裝,見圖3。將水平計測的計測數據填入計測表,同時數據要標注在胎架上平面的指定位置,確保胎架水平放置。

圖3 導流罩安裝狀態示意圖

將制作完成的APU分段豎起以肋位面為基準面放置到胎架上,以艉軸管中心線掛錘到地坑,十字線地樣施工,計測艉軸管前端和后端中心,確定APU分段的水平位置。水平計測完成后將分段與胎架固定,共進行前后及左右對稱的12個固定點焊接,每處焊接長度不小于200 mm,焊接至少3道。焊接完成后需要再次確認中心線的偏差量。APU分段固定完成后安裝導流罩,各部件安裝完成后用槽鋼進行加強。

導流罩焊接順序要求同圖2。焊接時遵守焊接工藝規程要求的焊接參數,鑄鋼件部位要按照鑄鋼件焊接施工要領進行,主要是預熱和緩冷,控制層間溫度。焊前預熱溫度應達到100～150 ℃[6]。有不同厚度的鑄鋼件時,要先焊接薄的,緩冷后再焊接厚的。焊接過程中進行多層多道焊,以減少熱輸入,防止焊接變形[7]。導流罩焊接應安排兩人左右舷對稱焊接,焊接過程中要計測艉軸中心線的變化情況。鑄鋼件部分焊接完成冷卻24 h后進行探傷檢測。

3.2 后鏜孔工藝

導流罩安裝完成后,將APU分段再次放置到外板基準面狀態,拉線確保艉軸中心水平,然后將分段與胎架焊接固定。由于設備高度限制,導流罩部分放入地坑降低整體高度。在此狀態下進行鏜孔作業。先半精鏜,單邊留量2 mm。完成后需對鏜孔機械再進行一次校中,確認主軸軸線與APU中心線重合,最后精鏜至完工狀態,各檔孔徑的最后尺寸應一次鏜出,不允許接刀[8];要求內孔與APU的中心線同心度偏差不大于0.03 mm。注意控制內孔表面粗糙度在要求范圍內[9]。鏜孔作業示意見圖4。

圖4 水平狀態下鏜孔作業示意圖

3.3 艉框架分段與船尾分段預合龍

以肋位面為基準面進行APU分段與AP1分段的預合龍作業見圖5。先將AP1分段以前表面水平狀態放置在胎架上,上端中心及龍骨中心掛線錘到地面,畫出中心線。將APU分段吊裝到AP1分段上,從艉軸管艉端中心掛線錘到地面,確認艉軸管艉端與艏端中心的偏差并進行調整使之重合。從APU上部艉框架與舵撐的接縫處中心線掛線錘到地面,確認與地面中心線的偏差并調整使之重合。定位完成后進行裝配及焊接,注意左右舷要對稱進行。作業過程中每天2次以上用線錘確認各處偏差的變化情況,必要時調整裝配及焊接的順序。

圖5 AP1分段與APU分段預合龍

3.4 艉軸管延板焊接

艉軸管與AP1分段結構連接處延板的裝配和電焊作業應在其他焊縫全部焊接完成后進行。該散貨船此處有2塊環形延板搭接。將環形延板位置八等分,見圖6,計測艉軸管變形數據,原則上要求在變形為負的方向上進行起始焊接(編號1的位置)。焊接過程中,應安排2人按照指定的順序和方向對稱進行焊接,每個位置先進行打底焊,全部完成后再按照順序進行蓋面焊接。每面焊接完成后要計測艉軸管的失圓數據,根據計測的數據重新確定下一批次的起始焊接順序。

1～4—焊接順序。

3.5 采用新工藝后艉軸管精度控制情況

采用導流罩和艉框架一體后鏜孔的分段安裝工藝后,艉軸管失圓情況統計見表2。因為先安裝導流罩后鏜孔消除了導流罩安裝對艉軸管失圓的影響,相比傳統工藝,失圓情況明顯改善,船尾船體結構安裝完成后艉軸管失圓基本能控制在較為理想的情況下,消除了對后續軸系安裝的影響。

表2 后鏜孔工藝艉軸管失圓情況統計表

4 結論

(1)先鏜孔后安裝導流罩工藝對艉軸管失圓影響較大,施工精度控制要求高,且增加較多工期。

(2)先安裝導流罩后鏜孔工藝消除了導流罩安裝對艉軸管失圓的影響,有效提升了作業效率,且便于后續軸系安裝。

(3)先安裝導流罩后鏜孔工藝中導流罩安裝基本在配套廠家完成,減少了對船廠工期的影響。

(4)先安裝導流罩后鏜孔工藝相較先鏜孔后安裝導流罩工藝單船節約成本約30萬元,并降低現場工人控制艉軸管失圓的難度。