9000HP海洋平臺(tái)供應(yīng)船不銹鋼甲醇艙建造工藝初探

饒洪華 姜永章 王彪 劉賢賀

摘 要：文章簡(jiǎn)要敘述了在建造9000HP海洋平臺(tái)供應(yīng)船時(shí)，在建造不銹鋼甲醇艙分段過(guò)程中由于不銹鋼材質(zhì)的特殊性，在建造時(shí)如何進(jìn)行有效的防護(hù)，克服各種不利條件及因素來(lái)完成整個(gè)分段的建造。文章通過(guò)建造過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題進(jìn)行論述，以求得到最為合理的施工方案，達(dá)到縮短分段建造周期，降低建造成本，保障甲醇艙建造質(zhì)量和艙室的完整性。

關(guān)鍵詞：海洋平臺(tái)供應(yīng)船；完整性；腐蝕；焊接變形

引言

隨著海洋石油開采技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)船舶功能也有了新的要求，由此就出現(xiàn)了許多多功能的船舶，9000HP海洋平臺(tái)供應(yīng)船（Platform Supply Vessel）就是其中的一種船型，該船的特點(diǎn)是貨艙甲板面積大、艙室較多、線型特殊、主推進(jìn)裝置功率大，機(jī)艙容積小，操作自動(dòng)化程度高，是一種新型的高新技術(shù)船舶。它的主要功能是為海上平臺(tái)等海上設(shè)施運(yùn)送生產(chǎn)物料（如鉆桿、套管、設(shè)備、散料、泥漿、燃油、基油、鉆井水、淡水、鹽水、甲醇等）及生活物資、提供救助、守護(hù)、對(duì)外消防等服務(wù)。

1 總體概述

9000HP海洋平臺(tái)供應(yīng)船，其設(shè)計(jì)航速為15.8節(jié)；推進(jìn)系統(tǒng)為電力推進(jìn)；配備肖特爾360度全回轉(zhuǎn)舵槳；載重噸位約為4900噸（夏季載重線吃水）；空船重量約為3250噸；船體結(jié)構(gòu)重量約為1900t；甲板載貨2900噸；甲板面積約為1000平方米；配備無(wú)人機(jī)艙；動(dòng)力定位系統(tǒng)為DP2；其主尺度見表1[1]：

表1 9000hp綠色環(huán)保型PSV主尺度表

該9000hp 綠色環(huán)保型PSV入籍CCS；掛五星紅旗；其船籍符號(hào)如下所示[2]：

CSA：Offshore Supply Vessel； Stand-by Ship； Fire Figh

該船的特點(diǎn)之一是在尾部有兩個(gè)甲醇艙，甲醇艙位于尾部FR22+100-FR29+100位置，兩個(gè)艙為獨(dú)立的艙室，布置在左右舷兩側(cè)，每個(gè)艙可乘裝甲醇89.04m3。甲醇艙采用316L材質(zhì)不銹鋼板焊接而成，內(nèi)壁長(zhǎng)約4m、寬約4.5m、高約5.7m，板厚為8.5mm。該建造工藝主要圍繞不銹鋼板的特殊性能和特點(diǎn)，并根據(jù)施工原則合理的進(jìn)行防護(hù)、下料、坡口加工、零件裝配及焊接等方面進(jìn)行說(shuō)明，該分段在建造時(shí)，先以甲醇艙的6個(gè)內(nèi)壁為胎進(jìn)行中組立建造，大組建造時(shí)以甲板面為胎反造。甲醇艙分段立體效果圖見圖1。

圖1 甲醇艙分段立體效果圖

2 不銹鋼的防護(hù)

不銹鋼是指耐空氣、水、酸、堿、鹽及其溶液和其他腐蝕介質(zhì)腐蝕的，具有高度化學(xué)穩(wěn)定性的鋼。不銹鋼板表面光潔，有較高的塑性、韌性和機(jī)械強(qiáng)度，不銹鋼具有良好的耐腐蝕性，它能使結(jié)構(gòu)部件永久地保持工程設(shè)計(jì)的完整性。不銹鋼表面有一層及薄而堅(jiān)固細(xì)密穩(wěn)定的富鉻氧化膜，該氧化膜能防止氧原子的滲入和氧化，從而具有高耐銹蝕的能力。但其表面不允許被碳鋼和鋼砂等其他金屬材質(zhì)污染，原因是不銹鋼表面遇到積存著含有其他金屬元素的粉塵或異類金屬顆粒的附著物，在潮濕的空氣中，附著物與不銹鋼間的冷凝水，將二者連成一個(gè)微電池，產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，使不銹鋼外表面的保護(hù)膜受到破壞，造成電化學(xué)腐蝕。因此，不銹鋼板的防護(hù)至關(guān)重要。

2.1 不銹鋼的存儲(chǔ)及運(yùn)輸

不銹鋼板在存儲(chǔ)過(guò)程中應(yīng)放置在防潮濕、防灰塵、低鹽分等可能引起其腐蝕的有害物質(zhì)區(qū)域外，如放置廠房?jī)?nèi)，地面上盡可能使用布或是木方進(jìn)行墊設(shè)。如放置施工場(chǎng)地必須用布或三防布進(jìn)行墊設(shè)，其表面也要進(jìn)行防護(hù)，避免水、油污等碳鋼粉塵與不銹鋼表面進(jìn)行接觸。不銹鋼板在吊裝時(shí)，盡可能使用吸盤或電磁設(shè)備進(jìn)行吊裝，吊繩盡可能使用尼龍繩。如果使用普通吊索具，不銹鋼表面需用膠皮或布等進(jìn)行墊設(shè)，避免碳鋼吊索具直接與不銹鋼板接觸，防止吊索具可能因?yàn)榈跹b碳鋼留下鐵削等雜質(zhì)接觸不銹鋼表面，避免夾緊時(shí)與不銹鋼表面產(chǎn)生夾痕，破壞不銹鋼表面的氧化膜。如使用叉車插運(yùn)時(shí)，必須使用布或橡膠進(jìn)行墊設(shè)。不銹鋼板在運(yùn)輸過(guò)程中，鋼板的四周必須進(jìn)行防護(hù)，防止在運(yùn)輸過(guò)程中金屬化合物等雜質(zhì)與不銹鋼板表面接觸。

2.2 施工場(chǎng)地的防護(hù)

不銹鋼施工場(chǎng)地盡可能為獨(dú)立的施工場(chǎng)地，盡量避免與碳鋼場(chǎng)地相容作業(yè)。當(dāng)無(wú)法避免與碳鋼施工場(chǎng)地分隔，不銹鋼施工現(xiàn)場(chǎng)必須用布或三防布等圍起來(lái)，防止粉塵等其他雜質(zhì)與不銹鋼表面接觸，并安排人員定期對(duì)不銹鋼表面進(jìn)行清掃。在此區(qū)域外圍用醒目的文字說(shuō)明此區(qū)域的施工內(nèi)容，并要求無(wú)關(guān)人員不得進(jìn)入，同時(shí)在相應(yīng)的位置用文字詳細(xì)的列出不銹鋼施工要求及注意事項(xiàng)，并指派專人進(jìn)行監(jiān)護(hù)。

3 不銹鋼的施工原則及要求

3.1 不銹鋼胎架的布置

在船舶分段建造過(guò)程中，胎架是裝配和焊接船舶分段的工作臺(tái)，它的工作面與分段的表面相吻合，其作用是保證分段的線型和精度。除應(yīng)保證其工作面的線型正確外，胎架還要有足夠的剛性，故好的胎架對(duì)分段的建造質(zhì)量至關(guān)重要[3]。因不銹鋼材質(zhì)的特殊性，不銹鋼在建造時(shí)，其內(nèi)表面不能與碳鋼接觸，施工時(shí)必須選用不銹鋼胎架進(jìn)行支撐。由于不銹鋼焊接變形較大，要求在設(shè)計(jì)時(shí)采用簡(jiǎn)易壓力胎架?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)可以以普通分段角鋼胎架為基礎(chǔ)，在角鋼胎架上焊接碳鋼套管，并根據(jù)套管的規(guī)格制作不銹鋼頂針，然后將不銹鋼頂針?lè)湃胩间撎坠苤校跐M足不銹鋼胎架要求的同時(shí)，大大節(jié)省了不銹鋼材料。不銹鋼頂針在制作時(shí)必須打磨光順圓滑，避免不銹鋼頂針與不銹鋼表面接觸產(chǎn)生劃痕。不銹鋼胎架圖見圖2。

圖2 不銹鋼胎架圖

3.2 不銹鋼板的加工

3.2.1 切割機(jī)的選用

因不銹鋼板的特殊性，不銹鋼板在切割時(shí)不能用數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行切割。不銹鋼板切割時(shí)可選用激光切割機(jī)和數(shù)控等離子切割機(jī)，激光切割機(jī)價(jià)格高，精度高，但是目前只限切割薄板。等離子切割機(jī)的精度接近激光切割機(jī)，切割面光滑無(wú)掛渣，價(jià)格相對(duì)激光切割機(jī)卻有很大的優(yōu)勢(shì)，目前是大多數(shù)船廠切割方式的首選。

3.2.2 焊接收縮量值的確定

為保證各構(gòu)件焊接后尺寸符合設(shè)計(jì)值，各構(gòu)件間的定位尺寸與設(shè)計(jì)要求的尺寸有一定的差別，這個(gè)差別值是為了彌補(bǔ)焊接收縮值的，各構(gòu)件間的定位尺寸和設(shè)計(jì)尺寸的差值就是所謂的焊接收縮余量。構(gòu)件間焊接收縮是不可避免的，不同的焊接工藝及不同的焊接形式收縮量也是不同的，相同厚度的不同材質(zhì)、不同厚度的相同材質(zhì)，它們的焊接收縮量或收縮系數(shù)也是不同的。焊接收縮量需要多次的試驗(yàn)才能確定。該項(xiàng)目通過(guò)大量的試驗(yàn)確定焊接收縮量值為：SHR：1mm/1200mm（每1200mm增加1mm的加放量）。

3.2.3 不銹鋼板坡口的切割

坡口的切割需根據(jù)焊接的形式來(lái)確定，該項(xiàng)目的不銹鋼板采用CO2的焊接方式，坡口角度為45°，現(xiàn)場(chǎng)在切割坡口時(shí)可采用機(jī)械切割或是手工等離子進(jìn)行切割，嚴(yán)禁使用碳弧氣刨開設(shè)坡口，以保證不銹鋼板的精度，坡口開設(shè)后應(yīng)及時(shí)清理坡口兩端的雜質(zhì)，坡口正反兩面50mm處需用丙酮進(jìn)行擦洗，防止不銹鋼鈍化，切除完畢后用布料等進(jìn)行防護(hù)。

3.3 不銹鋼板的裝配

3.3.1 不銹鋼板的矯平

不銹鋼板在裝配前必須進(jìn)行機(jī)械矯平，因?yàn)殇摪宓某C平不僅是為了去除鋼板表面凸凹不平的缺陷，提高板材的精度[5]，也是為了消除板材中的應(yīng)力，減少在焊接過(guò)程中所產(chǎn)生的變形。所謂鋼板的矯平是通過(guò)矯平機(jī)來(lái)校正板材缺陷的精密機(jī)械，它的實(shí)現(xiàn)是使材料在通過(guò)矯平機(jī)床時(shí)以較小的曲率半徑作循環(huán)往復(fù)的上下彎曲，使較短的材料“纖維”拉長(zhǎng)，當(dāng)板料朝矯平機(jī)床出口方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，上下彎曲的幅度逐漸減小，以消除在機(jī)床矯平入口處因劇烈的彎曲所引起的材料變形，當(dāng)材料上所有的“纖維”長(zhǎng)度幾乎一樣時(shí)，板材就平直了，也是我們常說(shuō)的“矯正”。

3.3.2 拼板反變形的增加

反變形是船舶建造中控制變形的最常用的方法之一，適用于控制零件的彎曲變形，反變形通常根據(jù)焊接后可能產(chǎn)生變形的方向和大小，在焊接前應(yīng)使被焊件發(fā)生大小相同、方向相反的變形，以抵消或補(bǔ)償焊后發(fā)生的變形，以達(dá)到防止焊后變形的目的。不銹鋼板對(duì)接焊時(shí)，主要發(fā)生的變形是中垂變形，在不銹鋼板拼板時(shí)需對(duì)不銹鋼板增加2mm的反變形量，即將對(duì)接處的兩個(gè)板縫處向上抬高2mm，這樣在焊接過(guò)程中隨著中垂彎曲的變形量就會(huì)抵消。

3.3.3 背梁及馬板的增加

因不銹鋼板較薄，且不銹鋼板變形后不能用火工矯正的方法進(jìn)行調(diào)形，對(duì)接縫焊接時(shí)，要在焊接面增加背梁。在裝配過(guò)程中除了利用反變形法控制焊接變形，還可利用剛性固定的方法來(lái)控制變形，剛性固定法就是采用適當(dāng)?shù)霓k法來(lái)增加焊件的剛度或拘束度。馬板和背梁就是采用剛性的固定方法來(lái)減少變形，背梁大多采用角鋼或平鐵，一般采用間斷焊或增加背板的方式進(jìn)行固定。當(dāng)馬板采用不銹鋼材質(zhì)時(shí)，需用等離子切割機(jī)進(jìn)行切割。為了節(jié)省材料，馬板可做成雙面進(jìn)行重復(fù)使用。在成型面增加馬板，目的是防止在焊接時(shí)阻礙焊槍的連續(xù)性，減少焊接時(shí)收弧起弧，保證焊接質(zhì)量。馬板間距約為300mm。不銹鋼馬板見圖3。

3.4 不銹鋼板的焊接

在焊接過(guò)程中，如何減少焊接變形是焊接過(guò)程中控制的重點(diǎn)。焊接時(shí)，由于局部高溫加熱而造成焊件上溫度分布不均勻，最終導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了焊接應(yīng)力與變形。其次是由于焊縫金屬的收縮、晶相組織的變化及焊件的剛性不同所致，另外焊縫在焊接結(jié)構(gòu)中的位置、裝配焊接順序、焊接方法、焊接電流及焊接方向等對(duì)焊接應(yīng)力也與變形有一定的影響。焊接應(yīng)力是引起脆性斷裂、疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂和失穩(wěn)破環(huán)的主要原因。另外，焊接變形也使結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸精度難以達(dá)到技術(shù)要求，直接影響結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量和使用性能。不銹鋼板在焊接前，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，最終確定焊接方法采用CO2氣體保護(hù)焊[6]，對(duì)接逢的間隙確定為4mm。合理的焊縫間隙能有效的控制焊接變形，如果焊接間隙過(guò)大，則會(huì)造成鄰近效應(yīng)減小，渦流熱量不足，焊縫晶間接合不良而產(chǎn)生未熔合或開裂。如間隙過(guò)小則造成鄰近效應(yīng)增大，焊接熱量過(guò)大，造成焊縫燒損或者焊縫經(jīng)擠壓、滾壓后形成深坑，鐵水不能完全融透，成形不好。對(duì)于此類不銹鋼，焊接時(shí)要采用多道焊進(jìn)行焊接，第一次為打底焊，第二次進(jìn)行填充，第三次進(jìn)行蓋面處理。對(duì)于多道焊焊接時(shí)，層間的溫度不宜過(guò)高，保證層間溫度，第一次焊接結(jié)束后待溫度達(dá)到60℃以下時(shí)，用風(fēng)鏟錘擊焊縫表面，清除焊縫表面缺陷的同時(shí)還可以松弛殘余應(yīng)力，然后在清理焊渣和飛濺物。待上述工序完成后在進(jìn)行第二次焊接，每完成一次焊接后做上述處理。當(dāng)焊接過(guò)程中進(jìn)行收弧、起弧時(shí)，焊縫的接頭要錯(cuò)開，避免因?qū)娱g溫度不均產(chǎn)生冷裂紋。風(fēng)鏟錘擊焊縫表面見圖4。

4 不銹鋼焊縫的酸洗和鈍化處理

不銹鋼焊接后，焊縫必須進(jìn)行酸洗、鈍化處理。酸洗的目的是去除焊縫及熱影響區(qū)表面的氧化皮，鈍化的目的是使酸洗的表面重新形成一層無(wú)色的致密的氧化膜，起耐腐蝕的作用。酸洗前須進(jìn)行表面清理及修補(bǔ)，包括修補(bǔ)表面損傷、徹底清除焊縫表面殘?jiān)昂缚p附近表面的飛濺物。鈍化在酸洗后進(jìn)行，將鈍化液在部件表面噴涂，然后用冷水沖，再用拖布仔細(xì)擦洗，最后用溫水沖洗干凈并干燥。經(jīng)鈍化處理后的不銹鋼表面呈銀白色，具有較好的耐蝕性。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著海洋對(duì)特種船的需求，特種船的種類已經(jīng)供不應(yīng)求，各船廠之間對(duì)訂單的競(jìng)爭(zhēng)愈為強(qiáng)烈。9000HP海洋平臺(tái)供應(yīng)船因其艙室較多以及線型的特殊性，很多船廠不具備這種資質(zhì)，尤其是在對(duì)甲醇艙分段的建造上，因本身材質(zhì)的特殊性以及船東、船檢對(duì)建造質(zhì)量要求的嚴(yán)格，更加大了船東對(duì)船廠的選擇性。船廠的施工環(huán)境離不開粉塵和鐵屑，故在對(duì)甲醇艙的防護(hù)上，各船廠要根據(jù)自身狀況因地制宜，選擇合適的施工場(chǎng)地，詳細(xì)地進(jìn)行策劃，重點(diǎn)在過(guò)程控制，并指派專人進(jìn)行管控。

參考文獻(xiàn)

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[4]王鴻斌.船舶焊接工藝[M].北京：人民交通出版社，2006.

[5]國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)-船舶建造及修理質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].2008.

[6]李莉.船用材料與焊接工藝[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2013.

作者簡(jiǎn)介：饒洪華（1976-），男，武漢理工科技大學(xué)，大連中遠(yuǎn)船務(wù)總經(jīng)理助理，工程師。