300t自航打撈船扒桿建造關(guān)鍵工藝技術(shù)

楊敬東，谷 磊

（1.重慶交通大學(xué)，重慶 400074；2.重慶港航管理局，重慶 400074）

0 引言

進(jìn)入二十世紀(jì)以來，隨著三峽大壩的建成，三峽庫(kù)區(qū)水位不斷上升，水上運(yùn)輸日漸繁忙，在重慶港及三峽庫(kù)區(qū)航行的船舶噸位和尺度都顯著提高，船舶火災(zāi)、海損事故日益增多，應(yīng)急救援任務(wù)越來越重，但是庫(kù)區(qū)沿線城市應(yīng)急救援設(shè)備都比較落后。針對(duì)以上情況，重慶港航局水上應(yīng)急救援指揮中心主持建造了300t自航打撈應(yīng)急救援船。

1 概況介紹

1.1 300T自航打撈應(yīng)急救援船簡(jiǎn)介

本船（見圖1）為尾機(jī)型、雙機(jī)、雙槳、雙舵、柴油機(jī)推進(jìn)的自航打撈船，采用單甲板、雙層底、全電焊，混合骨架形式結(jié)構(gòu)，在艏部設(shè)一起重能力為300t的箱型非旋轉(zhuǎn)起重機(jī)構(gòu)，航區(qū)為B、J1級(jí)航區(qū)和三峽庫(kù)區(qū)。

1.2 起吊系統(tǒng)介紹

本起重機(jī)為300t單臂架起重機(jī)，打撈起重系統(tǒng)主扒桿安裝在船艏 FR90～FR95肋位，扒桿開檔11600mm。主扒桿采用焊接結(jié)構(gòu)，矩形截面尺寸：1000×720（材料：Q345-B）。

本船配主鉤2只，額定起吊重量2×150t（300t），采用鍛造雙鉤，主鉤組采用7并滑輪組。本船配副鉤一只，額定起吊重量100t，采用鍛造雙鉤，副鉤組采用5并滑輪組。本船采用繩索滑輪組式變幅驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)起吊重物的過程中不能同時(shí)進(jìn)行變幅作業(yè)。

臂架為A字形箱型結(jié)構(gòu)的直臂架，頭部為帶鷹嘴的箱型橫梁，鷹嘴前端從前向后分別安裝副鉤、索具鉤、主鉤的定滑輪組和變幅滑輪組。

三腳架為箱型梁，最后鉸接于甲板上。臂架支座與支座平臺(tái)為板材焊接結(jié)構(gòu)。其頂部支座與臂架鉸軸連接，底部與船體甲板焊接。

圖1 300t自航打撈船總布置圖

2 建造關(guān)鍵技術(shù)分析

起吊船建造關(guān)鍵部位就是扒桿的建造，它在起吊過程中起著決定性的作用。查詢相關(guān)文獻(xiàn)資料，起吊船扒桿吊頭、桿身、底座均要承受非常大的應(yīng)力，采取合理的建造工藝及措施，是保證扒桿建造質(zhì)量，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求的關(guān)鍵[1,2]。

本扒桿建造主要技術(shù)難點(diǎn)是控制焊接變形，建造過程中的精度控制以及對(duì)吊臂和三腳架建造質(zhì)量的控制。

2.1 焊接質(zhì)量的控制

首先采用上海交通大學(xué)與日本大阪大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的固有變形焊接變形分析的專用軟件（WSDP），進(jìn)行焊接變形和殘余應(yīng)力的熱彈塑性有限元分析，該軟件只要將焊縫的位置和焊縫的截面積（或者焊縫的橫向收縮、縱向力和角變形）輸入，就可以獲得復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)中的焊縫的固有變形，并用彈性板單元有限元法計(jì)算其焊接變形[3]。

其次組織進(jìn)行高強(qiáng)度鋼厚板對(duì)接焊加墊板與不加墊板兩種工藝的試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中對(duì)每道工序后板的凹凸變形量、開口尺寸進(jìn)行跟蹤測(cè)量，找出相應(yīng)的變化規(guī)律，為解決結(jié)構(gòu)焊接變形提供依據(jù)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，如果采取組對(duì)預(yù)留 2mm反變形量工藝措施可有效控制鋼板的焊接變形[4]。

圖2 焊接后的應(yīng)力分布

根據(jù)以上計(jì)算分析及試驗(yàn)結(jié)果（見圖2），提出以下建議來控制扒桿的焊接變形。

1）厚板多層焊，一般開不對(duì)稱的雙面坡口，采用雙面焊接，這樣對(duì)焊接殘余應(yīng)力有一定的抵消，可以起到減少焊接變形和殘余應(yīng)力的作用。

2）合理分配組焊單元和合理組對(duì)焊接可以減少焊接變形，合理組對(duì)焊接。通過一定的計(jì)算和試驗(yàn)，可以找到最佳的組焊單元和組焊順序。

3）采用小的熱輸入量。扒桿焊接變形是以面內(nèi)收縮變形為主，所以建議在保證焊接質(zhì)量和不影響生產(chǎn)周期的情況下，采用小的焊縫熱輸入。

4）對(duì)接焊和十字頭處預(yù)留反變形、單面成形焊縫加墊板、組對(duì)零間隙、取消打底焊的工藝措施。

5）焊接坡口的尺寸，其深度應(yīng)能足夠保證設(shè)計(jì)對(duì)熔深的要求，寬度在滿足操作要求的前提下，應(yīng)盡量小些，特別是T型接頭和十字接頭，以防止發(fā)生層狀裂紋。

300t打撈船扒桿設(shè)計(jì)用鋼選用低焊接裂紋敏感性高強(qiáng)度鋼 Q345B，所有對(duì)接接頭均要求完全熔透。

2.2 吊臂和三腳架質(zhì)量的控制

1）采用組件、分段建造方法進(jìn)行生產(chǎn)，嚴(yán)格按照工藝指導(dǎo)書的加工、裝配精度等進(jìn)行精度控制，組織施工。

2）零件組合時(shí)關(guān)注角度、方向、余量、坡口的正確性，特別關(guān)注有特殊要求的裝配尺寸。

3）組件施焊前作必要的加強(qiáng)，防止或減少焊接變形。

4）吊臂和三腳架金屬結(jié)構(gòu)總成部件拼裝和總裝按如下標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)：

（1）長(zhǎng)度允許偏差：≤1‰，且全長(zhǎng)范圍內(nèi)為±20mm；

（2）高度、寬度允許偏差：±4mm；

（3）軸線不直度≤1‰，且全長(zhǎng)范圍內(nèi)≤15mm；

（4）同一橫截面主肢中心距偏差：±3mm；

（5）鋼管對(duì)接錯(cuò)位：≤1mm；

（6）扭曲變形≤4mm；

（7）旁彎≤5mm；

（8）各輔管定位尺寸允許偏差：±10mm。

3 主要建造工藝

3.1 焊接施工工藝

1）焊接的條件：焊接前，應(yīng)對(duì)焊縫進(jìn)行打磨除銹，除銹范圍為焊縫極其周圍20mm；多層焊時(shí)，引弧、熄弧位置應(yīng)彼此錯(cuò)開，避免接頭過分集中；采用埋弧焊接時(shí)，嚴(yán)禁在母材的非焊接部位引弧和熄?。徊考诤附舆^程中或焊縫冷卻過程中不得沖擊或振動(dòng)。

2）焊接施工方法：所有主肢鋼管及腹桿的接長(zhǎng)焊接，應(yīng)開V型坡口，附加鋼襯墊，全熔透焊接。腹桿與主管的管相貫焊接，趾部及側(cè)部應(yīng)開坡口，根部角度較小無法開坡口時(shí)，采用角焊縫，焊高不小于壁厚。箱型桿件棱角焊縫除蓋面焊的其它焊道采用CO2氣體保護(hù)焊；H型桿件的翼緣角焊縫、箱型桿件棱角焊縫（部分熔透）的蓋面層采用埋弧自動(dòng)焊。工廠內(nèi)焊接時(shí)，Q345B材料采用CO2氣體保護(hù)焊，安裝現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)，均采藥芯焊絲焊接[5]。

3）焊縫修磨和返修焊的要求：垂直應(yīng)力方向的對(duì)接焊縫必須除去余高，并順應(yīng)力方向磨平；焊腳尺寸、焊波或余高等超標(biāo)的焊縫及小于 1mm且超差的咬邊必須修磨勻順；焊接裂紋的清除，長(zhǎng)度應(yīng)從裂紋端部各外延50mm；返修焊縫應(yīng)按原焊縫質(zhì)量要求檢驗(yàn)；同一部位的返修焊不宜超過兩次。

4）焊縫消應(yīng)處理：對(duì)于重要的結(jié)構(gòu)件，可以采用以下兩種方法進(jìn)行消應(yīng)處理：

（1）振動(dòng)消應(yīng)處理：待結(jié)構(gòu)件焊完后，用振動(dòng)消應(yīng)機(jī)進(jìn)行整體振動(dòng)消除殘余應(yīng)力，振動(dòng)時(shí)間30min，以消除應(yīng)力為準(zhǔn)[6]。

（2）去應(yīng)力退火處理：將結(jié)構(gòu)件送入退火爐，關(guān)好爐門，開始升溫，溫度以50℃～70℃/h進(jìn)行，當(dāng)溫度達(dá)600℃～650℃時(shí)，恒溫3h，然后緩冷（爐內(nèi)冷卻），冷至100℃以下方可出爐。

3.2 吊臂制造工藝

吊臂主要由臂身、臂頭以及中部橫聯(lián)組成。吊臂總長(zhǎng)29m，吊臂總重52.4t。吊臂采用箱型人字形結(jié)構(gòu)。臂架主肢為1000×760箱型結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為Q345B。考慮運(yùn)輸限制，吊臂在車間分段制造（見圖3），然后汽運(yùn)至外場(chǎng)進(jìn)行總拼，機(jī)加工，防腐后，整體吊裝上船，發(fā)運(yùn)至業(yè)主指定按照地點(diǎn)。

圖3 臂身分段示意圖

臂尾鉸座采用二次鏜孔方法，主板及補(bǔ)強(qiáng)板內(nèi)孔下料時(shí)應(yīng)留加工余量，焊接完成后鏜孔，鏜孔完成后焊接鋼套，鋼套內(nèi)孔應(yīng)留加工余量，現(xiàn)場(chǎng)總拼完成后整體劃線鏜孔。臂頭在廠內(nèi)根據(jù)圖紙焊接制造。橫梁上的滑輪軸孔應(yīng)在制造廠內(nèi)完成鏜孔工作，并完成滑輪裝配面的防腐涂裝工作，安裝完滑輪軸及滑輪。吊身在車間內(nèi)部進(jìn)行制造時(shí)應(yīng)在胎架上按節(jié)段順序進(jìn)行總拼制造，保證其整體尺寸及焊縫錯(cuò)位要求。節(jié)段的制造及檢查必須嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)檢程序。

3.3 三腳架制造工藝

三腳架制造主要考慮發(fā)運(yùn)條件及現(xiàn)場(chǎng)總拼條件，按圖4分段進(jìn)行制造。

三腳架在廠內(nèi)完成散件組拼及焊接工作，并完成所有軸孔的鏜孔工作。焊接吊耳。拉桿上橫梁在車間內(nèi)完成焊接及鏜孔工作，發(fā)至外場(chǎng)總裝。拉桿下鉸座在車間內(nèi)制造焊接，鋼套軸孔留余量，現(xiàn)場(chǎng)與船體焊接完成后鏜孔。下鉸座與船體甲板面焊接的鋼板高度均留余量，車間內(nèi)焊接完成后，放樣切割斜面，開坡口，發(fā)至現(xiàn)場(chǎng)總裝。下鉸座與船體甲板面焊接的鋼板均留余量，制造完成后，放樣切割斜面并開坡口。發(fā)至外場(chǎng)總裝。

圖4 三腳架制造分段示意圖

先將拉桿鉸座和壓桿鉸座焊接到船體甲板上，探傷，現(xiàn)場(chǎng)劃線鏜孔。拉桿和壓桿預(yù)拼至如圖5所示的狀態(tài)后，吊裝。

圖5 三腳架預(yù)拼示意圖

4 完工后試驗(yàn)及實(shí)際使用效果

4.1 吊重試驗(yàn)

在空載情況下進(jìn)行各檔速度的變幅及升降試驗(yàn)3～6次。檢查起升及變幅系統(tǒng)（變幅系統(tǒng)扒桿仰角60°～18°），在下限位置時(shí)，絞車卷筒上至少有5圈的減載圈。

4.2 負(fù)荷試驗(yàn)

空載試驗(yàn)結(jié)束并消除缺陷后，進(jìn)行負(fù)荷試驗(yàn)。

試驗(yàn)時(shí)扒桿應(yīng)放在仰角60°位置，將重物及分級(jí)加載到起重鉤上（50%、75%、100%的安全工作負(fù)荷，最大試驗(yàn)負(fù)荷）重物吊離地面，懸掛時(shí)間不少于5min。試驗(yàn)時(shí)，起重設(shè)備進(jìn)行各速起升、下降、制動(dòng)試驗(yàn)，升降系統(tǒng)制動(dòng)試驗(yàn)，應(yīng)在負(fù)荷下降約3m距離時(shí)進(jìn)行[7]。

切斷動(dòng)力源試驗(yàn)，在額定負(fù)荷下作失電緊急停車試驗(yàn)，此時(shí)試驗(yàn)負(fù)荷應(yīng)能安全制動(dòng)。

用標(biāo)準(zhǔn)試塊調(diào)校吊重顯示器，對(duì)超負(fù)荷保護(hù)裝置進(jìn)行動(dòng)作試驗(yàn)。起重設(shè)備經(jīng)超負(fù)荷試驗(yàn)后，應(yīng)進(jìn)行安全工作負(fù)荷下的操作試驗(yàn)。

試驗(yàn)各檔速度下起升、下降運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

4.3 試驗(yàn)中的檢查和測(cè)量

試驗(yàn)中記錄各狀態(tài)下（吊重前、后）的船舶浮態(tài)。

空載試驗(yàn)與負(fù)荷試驗(yàn)各項(xiàng)可做3～6次，記錄扒桿仰角、吊重、電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)與工作電流、剎車情況等。

檢查各運(yùn)動(dòng)部件應(yīng)無異常發(fā)熱、敲擊等現(xiàn)象，鋼絲繩走向應(yīng)順暢。檢查電動(dòng)機(jī)及制動(dòng)器的工作情況。檢查電氣控制設(shè)備的工作情況。

在對(duì)吊桿按照測(cè)試大綱要求進(jìn)行所有內(nèi)容的測(cè)試后，確認(rèn)各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)均在設(shè)計(jì)目標(biāo)范圍內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)主要部件進(jìn)行拆檢，沒有發(fā)現(xiàn)永久性變形或其它缺陷。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)起吊船扒桿高強(qiáng)度厚鋼板焊接殘余應(yīng)力和接焊工藝試驗(yàn)進(jìn)行分析，提出了300t扒桿的焊接變形控制方法及建造精度保障措施，保證了扒桿建造質(zhì)量，達(dá)到了設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求。

實(shí)船應(yīng)用中，該吊桿系統(tǒng)使用方便、安全，起吊能力完全能滿足設(shè)計(jì)參數(shù)要求。

[1]王偉, 謝永和.600t擺桿式起吊船扒桿結(jié)構(gòu)有限元分析[J].浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2008(01):9-12.

[2]汪雅棋, 溫華兵, 沈超明, 等.600t起重船起吊系統(tǒng)強(qiáng)度校核及應(yīng)力測(cè)試分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2010(10):19-23.

[4]孔森, 劉翠榮, 牛興海.高強(qiáng)鋼焊接變形預(yù)防控制工藝[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化, 2012(04):115-117.

[5]CCS.材料與焊接規(guī)范[S].

[6]Majid Farajian.Welding residual stress behavior under mechanical loading[J]. welding in the world,2013,57(2):157-169.

[7]GB/T5905-1986, 起重機(jī)試驗(yàn)規(guī)范與程序[S].