船舶改換裝工程中船體變形的監(jiān)測(cè)與控制

李建忠

(北海艦隊(duì)裝備部，山東青島 266001)

船體是船舶動(dòng)力、武備、通導(dǎo)等系統(tǒng)的裝載平臺(tái)，為保證各系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及工作精度，在船舶改換裝工程中控制好船體結(jié)構(gòu)的變形，是保證工程順利進(jìn)行的重要環(huán)節(jié)。

1 船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形的原因及危害

為滿足改換裝工程的需要，在工程施工中需要對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)性改造，其工程內(nèi)容一般有結(jié)構(gòu)的局部補(bǔ)強(qiáng)、設(shè)備機(jī)座的制造與安裝、局部艙室的重新劃分、因大型設(shè)備進(jìn)出艙所需要開通的通道等。而以上工程的實(shí)施，均需進(jìn)行火焰切割與焊接。另外，各結(jié)構(gòu)件的裝配與焊接過程，會(huì)產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力，而以上過程均可能使船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的變形。當(dāng)施工過程中所產(chǎn)生的變形超過允許范圍時(shí)，會(huì)影響到武器系統(tǒng)的射擊精度、通導(dǎo)系統(tǒng)的工作精度、推進(jìn)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn);較大程度的變形，還可能使船體產(chǎn)生震動(dòng)、局部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等危害。

船舶改換裝過程中，船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)切割、裝配、焊接等過程造成的，而焊接變形為船體結(jié)構(gòu)變形的主要原因，因此在施工過程中如何控制焊接變形，是我們?cè)谥贫üに嚂r(shí)所應(yīng)考慮的主要因素，也是本文所重點(diǎn)探討的問題。

船體結(jié)構(gòu)焊接是一種不均勻的加熱過程，焊接通過的電弧或火焰 (電焊、氣焊)熱源的高溫熔化焊絲移動(dòng)進(jìn)行。焊接時(shí)鋼材受熱部分膨脹，而周圍不受熱部分在常溫下仍然保持常態(tài)，這相當(dāng)于剛性固定，它將迫使受熱部分膨脹受阻而產(chǎn)生壓縮塑性變形，冷卻后焊縫及其附近鋼材因收縮而造成結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)力變形。下面重點(diǎn)介紹焊接應(yīng)力對(duì)船體變形的影響。

2 焊接應(yīng)力及變形的分類

1)焊接應(yīng)力的分類。

按應(yīng)力產(chǎn)生的原因可分為:溫度應(yīng)力、凝縮應(yīng)力和組織應(yīng)力。

按應(yīng)力存在的時(shí)間可分為:瞬時(shí)應(yīng)力和殘余應(yīng)力。

2)焊接變形的分類。

按結(jié)構(gòu)的殘余變形可分為:局部變形和整體變形。局部變形是指焊接引起某一部分發(fā)生的變形，主要包括角變形和波浪變形兩種。整體變形是指由于焊接引起結(jié)構(gòu)整體發(fā)生形狀和尺寸的變化，主要有縱向變形、橫向變形、彎曲變形、扭曲變形等。

按變形的基本形式可分為縱向變形、橫向變形、彎曲變形、角變形、扭曲變形和波浪變形等幾種。而焊后焊縫產(chǎn)生的縱向和橫向收縮，是引起各種形式的變形和產(chǎn)生焊接應(yīng)力的根本原因。

3 船體結(jié)構(gòu)變形控制實(shí)施要點(diǎn)

某船主船體為縱骨架結(jié)構(gòu)形式，在改換裝工程中切割時(shí)，應(yīng)局部切割橫向強(qiáng)構(gòu)件，保持縱向連續(xù)構(gòu)件完整性。因此在選擇設(shè)備進(jìn)出艙通道位置、吊裝繁簡(jiǎn)程度及工藝性方面，盡量選擇在船體強(qiáng)結(jié)構(gòu)處所。通道不在強(qiáng)結(jié)構(gòu)處所時(shí)，切割前應(yīng)對(duì)開口部位進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，以減小其變形量。

1)結(jié)構(gòu)的裝配與焊接。

焊接結(jié)構(gòu)的整體剛性是在裝配、焊接過程中逐漸增大的，即結(jié)構(gòu)整體剛性常規(guī)情況下比它的零件或部件的剛性大。結(jié)構(gòu)的裝焊方法有兩種，一種方法是對(duì)所有零部件采用邊裝配邊焊接;另一種方法是將所有零件和部件裝配好后再進(jìn)行焊接。生產(chǎn)中可根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體情況和要求，采用不同的裝焊方法。對(duì)于結(jié)構(gòu)截面對(duì)稱，焊縫布置對(duì)稱的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，采用先裝配成整體然后再焊接的施工順序，對(duì)減少?gòu)澢冃问怯欣摹?/p>

有了合理的裝配順序，還應(yīng)有合理的焊接順序配合才能達(dá)到減小焊接變形的目的。在結(jié)構(gòu)對(duì)稱、焊縫布置對(duì)稱的情況下，即使焊接工藝參數(shù)完全相同，最后也還是會(huì)產(chǎn)生變形的。通常是先焊的焊縫引起的變形大，最終的變形方向總是與最先焊的焊縫引起的變形方向一致。

除了以上所述的幾種主要因素外，影響焊接變形的因素還有:焊接材料的線膨脹系數(shù)、焊接方法、焊接工藝參數(shù)和焊接方向等。

線膨脹系數(shù)α大的材料，焊后收縮變形也大。焊接熱源能量越集中，焊接速度越快，變形就越小。所以，一般應(yīng)在保證焊透的情況下，盡量采用線能量較小的CO2氣體保護(hù)焊焊接工藝。

焊接方向?qū)ψ冃蔚挠绊懸暰唧w結(jié)構(gòu)而定，同一道焊縫，可以采用不同的方向進(jìn)行焊接，結(jié)果也會(huì)引起不同的變形和應(yīng)力狀態(tài)。

總之，影響焊接變形的各種因素并不是孤立作用的，焊接變形是各種因素綜合作用的結(jié)果。這就要求在生產(chǎn)設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行綜合考慮，以便制定較合理的措施來減小焊接變形。

2)焊接變形控制。

在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，減小焊接應(yīng)力和變形一般遵循以下幾個(gè)原則。

(1)對(duì)稱布置焊縫，并盡可能靠近結(jié)構(gòu)中心線，以防止彎曲和翹曲變形。

(2)在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，盡量減小焊縫長(zhǎng)度和尺寸。

(3)適當(dāng)選用成形結(jié)構(gòu)替代焊接結(jié)構(gòu)。

(4)將焊縫布置在最大工作應(yīng)力區(qū)域以外，以減小焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。

(5)裝配焊接時(shí)，應(yīng)考慮能否使用簡(jiǎn)單裝焊胎夾具的可能。

3)防止和減小焊接應(yīng)力的工藝措施。

(1)選擇合理的裝配和焊接順序。盡可能讓焊縫自由收縮，先焊收縮量大的焊縫，焊接平面交叉焊縫時(shí)應(yīng)先焊橫向焊縫。

(2)選擇合理的焊接工藝參數(shù)。根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)的具體情況，應(yīng)盡可能采用較小的焊接工藝參數(shù)(如CO2氣體保護(hù)焊)，如采用小直徑的焊條和偏低的電流或雖電流較大但焊速較快，以減小焊件的受熱范圍，從而減小焊接應(yīng)力和焊接變形。

(3)預(yù)熱法。在焊接前對(duì)焊件進(jìn)行全部或局部加熱，減小焊接區(qū)域與結(jié)構(gòu)整體溫差，使焊縫區(qū)域與結(jié)構(gòu)整體盡可能地均勻冷卻，從而可減小內(nèi)應(yīng)力。預(yù)熱溫度的高低要根據(jù)焊件材料的性質(zhì)、厚度以及周圍環(huán)境溫度等來確定。

(4)加熱“減應(yīng)區(qū)法”。在焊接或焊補(bǔ)剛性較大的焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，選擇結(jié)構(gòu)的適當(dāng)部位進(jìn)行加熱使之伸長(zhǎng)，然后再進(jìn)行焊接，這樣可以大大減小焊接應(yīng)力。這個(gè)加熱的部位就叫做“減應(yīng)區(qū)”。

(5)敲擊法。在焊后的冷卻過程中，用錘敲擊焊縫金屬，使焊縫金屬產(chǎn)生塑性變形，以抵消焊縫的部分收縮量，從而起到減小焊接應(yīng)力的作用。

(6)后熱法。對(duì)焊后的焊縫加熱并進(jìn)行保溫，使之緩冷，以釋放焊縫中的應(yīng)力。

4)防止和減小焊接變形的工藝措施。

(1)選擇合理的裝焊順序。結(jié)構(gòu)的裝焊順序?qū)Y(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形都有較大的影響。因此在施工時(shí)，應(yīng)針對(duì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用合理的裝焊順序來防止和減小結(jié)構(gòu)的焊接變形。

(2)采用不同的焊接方向和順序。結(jié)構(gòu)對(duì)稱的焊縫，一般情況下變形也是對(duì)稱的。對(duì)這種結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量采用對(duì)稱焊接，由兩名或多名焊工同時(shí)進(jìn)行焊接。不對(duì)稱焊縫應(yīng)先焊焊縫少的一側(cè) (因先焊的焊縫變形大)，后焊焊縫多的一側(cè)，這樣可使兩側(cè)的變形抵消，最終減小總體變形。

(3)反變形法。反變形法是根據(jù)結(jié)構(gòu)焊后可能會(huì)產(chǎn)生的變形，預(yù)先把焊件制成一個(gè)方向相反的變形，以抵消焊接引起的變形。反變形的大小按經(jīng)驗(yàn)來確定，并在施工中被廣泛的使用。

(4)剛性固定法。剛性固定法是在焊前將焊件固定以增大其剛性，以約束其焊接時(shí)可能產(chǎn)生的位移，當(dāng)焊完冷卻后再放開來減小焊接變形。

4 監(jiān)測(cè)船體變形方法及手段

在某船改換裝工程中，為有效的監(jiān)測(cè)船體變形，采取可行的測(cè)量手段，編制了監(jiān)測(cè)某船船體變形方案，并在施工中實(shí)施。

1)船體龍骨望光。

用激光水準(zhǔn)儀 (或激光經(jīng)緯儀)測(cè)量船體龍骨板的變形量。具體做法是:該船坐墩狀態(tài)下，在船體中央龍骨板中心的平直部位，選好前、后各一個(gè)中心點(diǎn)。將激光水準(zhǔn)儀架設(shè)于龍骨塢墩中央帶有減輕孔的位置，并粗瞄經(jīng)緯儀光軸能夠穿透塢墩的減輕孔，調(diào)整激光水準(zhǔn)儀與大地的水平度。調(diào)整光軸與龍骨板中心保持平行后，一般是2～3個(gè)肋位為一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，用直尺測(cè)量光軸之龍骨板中心距離后，經(jīng)技術(shù)處理得出該船坐墩狀態(tài)的龍骨撓度檢測(cè)報(bào)告，通過報(bào)告可知，該船在30#～200#肋位內(nèi)舯垂4 mm。

2)水尺監(jiān)測(cè)。

用皮拖管 (或水平管)測(cè)量該船去掉隱形吃水的同一水尺 (如6.1 m水尺字的下緣)，以任意水尺為基點(diǎn)，測(cè)量其它水尺字監(jiān)測(cè)船體變形的方法。測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 水尺測(cè)量記錄 mm

3)艏艉線監(jiān)測(cè)。

用激光經(jīng)緯儀 (或激光準(zhǔn)直儀、激光全站儀)監(jiān)測(cè)某船武備裝置前后、各層甲板面的不銹鋼標(biāo)志變形情況。

4)艉部監(jiān)測(cè)量。

為監(jiān)測(cè)艉軸軸線變形情況，采用拉鋼絲懸吊重物的測(cè)量方法，監(jiān)測(cè)該船船體艉部變形情況。測(cè)量分以下階段。

(1)該船全坐墩與漂浮狀態(tài)，在液艙空載情況監(jiān)測(cè)，檢測(cè)結(jié)果并制表。

(2)該船漂浮狀態(tài)、淡水全部加滿、燃油加注450 t狀態(tài)下監(jiān)測(cè)，檢測(cè)結(jié)果并制表。

(3)該船漂浮狀態(tài)、淡水全部加滿、燃油加注350 t狀態(tài)下監(jiān)測(cè)，檢測(cè)結(jié)果并制表。

5)設(shè)備基座完工精度監(jiān)測(cè)。

該船塢內(nèi)全坐墩狀態(tài)下，武備裝置基座由“劃安裝線→符合性檢驗(yàn)→基座安裝調(diào)整→測(cè)量安裝精度→劃凈料線→氣割凈料→按要求安裝調(diào)整→定位焊接→焊前檢驗(yàn)→焊接→完整性檢驗(yàn)”流程檢驗(yàn)合格后，轉(zhuǎn)入精加工階段。經(jīng)精加工后，裝置基座達(dá)到技術(shù)要求，船出塢自然消除應(yīng)力。最終設(shè)備及裝置安裝前基座完工精度滿足技術(shù)要求。

6)科研院所監(jiān)測(cè)。

某總體所在某船全坐墩狀態(tài)下對(duì)基準(zhǔn)標(biāo)志進(jìn)行了檢查，結(jié)論為:對(duì)準(zhǔn)用的艏艉線與甲板中心線的平行度滿足設(shè)計(jì)要求。

改換裝工程在進(jìn)行傾斜試驗(yàn)時(shí)檢測(cè)該船水尺中發(fā)現(xiàn)，舯部水尺較設(shè)計(jì)狀態(tài)大了近1 cm，證實(shí)了前期在該船全坐墩狀態(tài)船體舯垂的結(jié)論。

受總體技術(shù)責(zé)任單位的委托，某院校采用“折線光路攝像測(cè)量方法”測(cè)量了該船航渡過程中的動(dòng)態(tài)變形情況，其檢測(cè)結(jié)果為“該船動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果為舯垂?fàn)顟B(tài)，舯垂變化量為3～40 mm”。由此，進(jìn)一步證實(shí)了該船主航行時(shí)主船體變形的趨勢(shì)與狀態(tài)。

綜上所述，各單位利用不同的測(cè)量手段，檢查或測(cè)量了該船的船體變形情況，根據(jù)各方的測(cè)量結(jié)果的對(duì)比，確定該船變形趨勢(shì)是一致的。

5 結(jié)束語

在對(duì)某船改換裝工程焊接變形控制與監(jiān)測(cè)問題探討與研究的基礎(chǔ)上，并結(jié)合某船改換裝工程船體結(jié)構(gòu)變形靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果的具體事例，總結(jié)出一定的經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)，這些經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)可做為今后同類船舶在改換裝工程中所借鑒。

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