直升機(jī)甲板方管支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建造工藝

楊 輝

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

0 引言

當(dāng)前的海工平臺(tái)都設(shè)有專門的直升機(jī)甲板，其主要用途是使直升機(jī)能夠在平臺(tái)上安全著陸與起飛，其結(jié)構(gòu)安全性直接影響直升機(jī)、人員及平臺(tái)自身的安全。

直升機(jī)甲板因其功能與安全性的要求，大多是以圓管作為支撐的懸空結(jié)構(gòu)。此次上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司承接的FPSO（floating production storage and offloading，浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置）項(xiàng)目中，由于生活模塊外部空間較為緊湊，直升機(jī)甲板與生活模塊主體結(jié)構(gòu)重疊部分不及甲板面積的8%，且僅處于一個(gè)角上，規(guī)則、對(duì)稱的結(jié)構(gòu)形式無法滿足對(duì)甲板的支撐要求，加之直升機(jī)甲板應(yīng)具有相應(yīng)的逃生、救助功能，需要一個(gè)獨(dú)立的支撐結(jié)構(gòu)。

由于直升機(jī)甲板外挑距離大，需要采用大高度的斜撐以達(dá)到平衡。特殊的布置位置，導(dǎo)致支撐的復(fù)雜性、大尺寸及方管的多向性。為了滿足一定的美觀需求，直升機(jī)甲板支撐采用方管結(jié)構(gòu)，同時(shí)也符合與生活模塊頂甲板的搭接要求。本文對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與建造工藝進(jìn)行介紹，其空間立體交匯的控制成為該項(xiàng)目的重點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)分析

1.1 結(jié)構(gòu)布置

直升機(jī)平臺(tái)共分為兩部分：甲板結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)。支撐結(jié)構(gòu)依附于生活模塊外壁上，甲板結(jié)構(gòu)位于支撐的正上方，平面圖及側(cè)視圖見圖1和圖2。

圖1 平面圖（單位：mm）

圖2 側(cè)視圖

1.2 結(jié)構(gòu)劃分

根據(jù)布置，大部分的垂向載荷需通過斜撐傳遞至生活模塊外壁上，支撐頂部與生活模塊頂甲板的搭接形式可以提供相應(yīng)的水平拉力以使受力平衡，這需要支撐在頂部水平面內(nèi)、垂直面內(nèi)都具有連續(xù)結(jié)構(gòu)。按照結(jié)構(gòu)位置進(jìn)行劃分，支撐結(jié)構(gòu)可由2個(gè)水平面結(jié)構(gòu)（Z軸面）、2個(gè)垂直面結(jié)構(gòu)（X軸面和Y軸面）、1根獨(dú)立斜撐管及2個(gè)斜面結(jié)構(gòu)組成，這樣的劃分與結(jié)構(gòu)受力一致，同時(shí)也便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)拆分，符合建造的要求，三維效果圖，如圖3所示。

水平面組立名分別為“-CDKA”及“-CDKB”（如圖2所示），垂直面組立名分別為“-CFR13”及“-CLP9”（如圖1所示）。

圖3 三維效果圖

2 結(jié)構(gòu)相貫線

支撐結(jié)構(gòu)以方管為主，相貫線是生產(chǎn)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。與圓管的完全對(duì)稱形式不同，方管軸向的方形截面特性存在旋轉(zhuǎn)角度影響，結(jié)構(gòu)放樣時(shí)需要考慮方管相互間的位置、角度以獲得最佳相貫線。

2.1 建模及放樣的基本原則

由于支撐結(jié)構(gòu)空間立體交錯(cuò)，進(jìn)行三維建模能對(duì)每個(gè)交匯點(diǎn)進(jìn)行直觀的了解及處理，以獲得完整、準(zhǔn)確的相貫線。建模采用AutoCAD軟件進(jìn)行，其特點(diǎn)是可以對(duì)立體模型端點(diǎn)進(jìn)行控制，對(duì)相交模型進(jìn)行差集運(yùn)算。結(jié)構(gòu)建模及放樣的原則如下：

1）方管中心線對(duì)齊為主，邊緣對(duì)齊為輔。

2）水平方管表面與水平面平行，傾斜方管與水平面的交線應(yīng)盡量與其截面線平行。

3）建模、放樣順序：先主結(jié)構(gòu)后次要結(jié)構(gòu)、先水平后垂直、先大夾角后小夾角方管。

2.2 建模

建模應(yīng)符合組立要求，按組立進(jìn)行圖層設(shè)置，具體步驟如下：1）將方管中心線按組立圖層建立空間立體框架；2）分別對(duì)各組立進(jìn)行方管建模，建模應(yīng)同時(shí)具有內(nèi)、外表面；

3）針對(duì)每個(gè)空間交匯點(diǎn)進(jìn)行真實(shí)效果檢查，調(diào)整方管角度及相貫線的外形；

4）檢查整體模型，符合“基本原則”要求。中心線立體框架如圖4所示。

圖4 中心線立體框架

2.3 相貫線截取

規(guī)則的方管可直接在平面圖中截取相貫線，2根及以上不規(guī)則的方管交匯點(diǎn)需要通過模型的差集運(yùn)算來獲得相貫線，展開方管各表面合并于同一平面內(nèi)，最終完成放樣，具體步驟如下：

1）根據(jù)組立及焊接順序?qū)⑾刃泻附拥姆焦埽ㄟB續(xù)方管）合并為整體；

2）運(yùn)用差集運(yùn)算將待展開方管扣除之前合并的方管；

3）炸開待展開方管，刪除多余的模型及外表面，保留內(nèi)表面；

4）使用Z軸矢量建立沿方管軸線的坐標(biāo)系，連續(xù)旋轉(zhuǎn)其中3個(gè)表面，使4個(gè)面互相平行；

5）使用“3點(diǎn)”建立平行于展開面的坐標(biāo)系，并移動(dòng)其中3個(gè)面使總寬等于外表面周長(zhǎng)；

6）保證各面平行間距等于外表面折角的圓弧長(zhǎng)，并用直線相連；

7）繪制相貫線圖、標(biāo)注位置及坡口角度，1∶1打印。

相貫線展開如圖5所示。

圖5 相貫線展開圖（單位：mm）

要點(diǎn)：1）展開線起始端應(yīng)以方管表面中心線為準(zhǔn)，與建造要求保持一致；2）方管內(nèi)、外表面展開尺寸的區(qū)別，僅存在于折角圓弧長(zhǎng)；3）方管長(zhǎng)度取兩端各展開線中間距最長(zhǎng)值。

2.4 方管的定位

不規(guī)則的方管定位主要依靠軟件建模的特性，即相貫線同時(shí)位于相交的2個(gè)或多個(gè)構(gòu)件上。與得出相貫線的方法類似，但差集運(yùn)算對(duì)象相反。利用連續(xù)構(gòu)件上的相貫線，并展開其表面即為定位線，標(biāo)注尺寸后可為施工提供準(zhǔn)確的定位信息，節(jié)點(diǎn)圖如圖6所示。

圖6 方管定位節(jié)點(diǎn)圖（單位：mm）

3 施工前準(zhǔn)備

3.1 場(chǎng)地布置

建造場(chǎng)地分小組立和總組場(chǎng)地。場(chǎng)地選擇應(yīng)盡量提高場(chǎng)地利用率，同時(shí)要留有回旋余地，并適當(dāng)考慮供裝配用的零部件臨時(shí)堆放場(chǎng)地[1]。

建造場(chǎng)地要求平整，預(yù)埋鐵均勻布置，平面結(jié)構(gòu)“-CDKA”小組立場(chǎng)地應(yīng)與總組場(chǎng)地一致，以減少轉(zhuǎn)運(yùn)工作。

水平面結(jié)構(gòu)采用反造，與總組時(shí)的要求保持一致，減少翻身次數(shù)。其余兩個(gè)垂直結(jié)構(gòu)無基面要求。

3.2 胎架準(zhǔn)備

由于結(jié)構(gòu)為桁架形式，需要在平整場(chǎng)地上制作專用鋼支架進(jìn)行建造，也可在通用胎架上鋪設(shè)鋼板轉(zhuǎn)為平面，便于查找基面、繪制地樣線、固定管材及施工安全措施執(zhí)行等。鋼板鋪設(shè)厚度不小于20 mm，平整度為±3 mm/m，鋼板下方胎架牙板間距不能大于1 000 mm。鋼板與牙板應(yīng)焊接牢靠，焊角不小于5 mm。

鋼支架除方管端部加設(shè)外，中部應(yīng)2 m～3 m加設(shè)一處。鋼支架水平撐應(yīng)處于同一平面內(nèi)，誤差不大于±2 mm。鋼支架圖如圖7所示。

圖7 鋼支架圖（單位：mm）

為使建造后的方管組立能順利出胎，可將支架卡口間距加大10 mm～20 mm并用楔塊塞牢，楔塊放置位置應(yīng)統(tǒng)一，使方管整體可以在支架內(nèi)移動(dòng)。

3.3 材料準(zhǔn)備

所有方管應(yīng)該經(jīng)入廠檢驗(yàn)合格，組立前應(yīng)經(jīng)過矯直機(jī)調(diào)整平直，避免制作過程中的尺寸偏差。

4 施工步驟及相關(guān)要求

4.1 方管下料

方管下料根據(jù)難易度，分規(guī)則線型及相貫線兩部分。規(guī)則線型的方管直接采用手工切割，按照下料圖進(jìn)行長(zhǎng)度及端部坡口的開設(shè)，并標(biāo)明“上表面”、“方位”、“零件號(hào)”等信息。折角處的圓弧按照相鄰兩側(cè)中角度大的開設(shè)。

有相貫線的方管下料應(yīng)將相貫線 1∶1打印出來，貼于馬糞紙上進(jìn)行修剪，同時(shí)將“上表面”、“方位”、“零件號(hào)”及坡口角度寫于紙上，而后進(jìn)行劃線切割。相貫線劃線步驟如下：

1）使用模板，找出方管任意一個(gè)外表面的中心線。中心線不必連續(xù)至兩端，只需在方管兩端約1 m長(zhǎng)范圍內(nèi)畫出即可；

2）將修剪下的相貫線端口對(duì)齊中心線并包裹于管端部，注意校驗(yàn)圓弧切線是否對(duì)齊樣板紙內(nèi)部的圓弧檢驗(yàn)線；

3）檢查管兩端樣板紙間的平行距離，使其與展開圖中的數(shù)值相一致，若數(shù)值不一致則說明方管不直，應(yīng)校正后重新進(jìn)行劃線，否則會(huì)造成方管角接時(shí)相貫線貼合不均勻。若符合下料尺寸則可沿相貫線描線、標(biāo)注說明、切割、開坡口；

4）對(duì)于用樣板紙修割的方管，每根總長(zhǎng)加放5 mm余量防止修割誤差，總組時(shí)現(xiàn)場(chǎng)修割、打磨。

4.2 地樣線的標(biāo)識(shí)

標(biāo)識(shí)地樣線前應(yīng)確保鋼板鋪設(shè)完畢，與胎架焊接牢靠，平整度在要求范圍內(nèi)。若在平地上進(jìn)行組立，應(yīng)確保方管固定鋼支架都能與預(yù)埋鐵有效焊接。

根據(jù)裝配圖中的地樣線進(jìn)行方管中線的劃線，對(duì)角線誤差不應(yīng)大于±3 mm，檢查無誤后根據(jù)中心線進(jìn)行檢驗(yàn)線的劃線。檢驗(yàn)線以方管中心線向外偏移 400 mm（保證與方管外表面凈尺寸大于等于100 mm），可用于檢驗(yàn)管材是否裝配到位及焊后的變形。定位線及檢驗(yàn)線圖，以組立“-CDKB”為例，如圖8所示。

圖8 “-CDKB”組立定位線及檢驗(yàn)線圖（單位：mm）

4.3 方管小組

方管小組時(shí)應(yīng)按照由外到內(nèi)、由大到小、先連續(xù)后斷開的原則進(jìn)行裝配，同時(shí)做好臨時(shí)加強(qiáng)，典型節(jié)點(diǎn)如圖9所示。

圖9 典型節(jié)點(diǎn)圖

圖9中，如有3根及以上數(shù)量的方管接于一點(diǎn)時(shí)，考慮焊接因素，應(yīng)注意裝配及焊接順序。下面以“-CDKB”組立為例簡(jiǎn)單介紹制作流程。

裝配順序：S15～S17 → S22 → S23 → S24（焊接、檢驗(yàn)），裝配時(shí)應(yīng)按裝配圖10中要求進(jìn)行臨時(shí)加強(qiáng)及定位卡板，便于總組時(shí)的吊裝及部分管材重新定位。

圖10 “-CDKB”組立裝配圖（單位：mm）

注意：裝配前靠模的位置必須準(zhǔn)確標(biāo)明，便于查找基點(diǎn)。

1）按照裝配圖中要求加設(shè)卡板及點(diǎn)焊，未有卡板的交點(diǎn)可直接焊接；

2）按照裝配圖中要求進(jìn)行臨時(shí)加強(qiáng)，有卡板的地方用記號(hào)筆做出標(biāo)識(shí)便于重新定位；

3）裝配完畢檢驗(yàn)通過后，整體吊入總組場(chǎng)地。

圖10中加強(qiáng)數(shù)量為最低要求，加強(qiáng)材料不可小于20#槽鋼，現(xiàn)場(chǎng)可用其他材料多設(shè)幾道代替。

4.4 方管總組

方管小組完畢后，將“-CDKA”小組場(chǎng)地重復(fù)利用進(jìn)行總組?！?CDKA”小組結(jié)束并檢驗(yàn)、校正完畢后即可進(jìn)行靠模的定位。

4.4.1 安裝靠模

“-CDKA”定位完畢后，在其上豎立靠模，靠?？捎娩摪寤蚱渌Y(jié)構(gòu)方管進(jìn)行制作?？磕Ｑb配前應(yīng)校正平直，平直度控制在2 mm/m，總長(zhǎng)不能有旁彎。裝配前應(yīng)將相應(yīng)定位位置用油漆標(biāo)識(shí)出來。3處靠模必須能保證垂直，且有一定剛性，靠模之間用20#槽鋼進(jìn)行連接，對(duì)應(yīng)“-CDKB”處加設(shè)斜撐，頂部向下斜拉鋼索固定。

4.4.2 具體裝配順序

“-CDKB”小組前應(yīng)先按照?qǐng)D10進(jìn)行臨時(shí)支撐的設(shè)置，以便于放置小組立“-CDKB”。圖10中僅顯示支撐的節(jié)點(diǎn)及相關(guān)位置，定位加強(qiáng)時(shí)還應(yīng)加斜撐，斜撐至少在兩個(gè)互相垂直的方向加設(shè)。具體裝配順序如下：

1）將檢驗(yàn)完畢的小組立吊放于支撐上，對(duì)照地樣線、靠模進(jìn)行定位；

2）組立“-CFR13”及“-CLP9”進(jìn)行總組；

3）確定位置正確后，割除臨時(shí)焊接點(diǎn)，分別將S15、S16向結(jié)構(gòu)外部平移，將S24順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，為S23留足焊接空間；

4）安裝 S10散裝方管，按照結(jié)構(gòu)圖中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，檢查無誤后將S10與S17進(jìn)行焊接；

5）按照小組時(shí)做的定位肘板處的標(biāo)識(shí)恢復(fù)S15、S16，對(duì)照地樣線檢查后進(jìn)行焊接；

6）恢復(fù)S24，并進(jìn)行焊接；

7）拆除卡板及臨時(shí)加強(qiáng)，并進(jìn)行焊接。

4.4.3 散裝方管的裝配

散裝方管的裝配可分為4個(gè)步驟進(jìn)行，立體圖見圖11。

圖11 總組立體圖

1）先裝S27，焊接完畢后安裝S28；

2）分別在“-CFR13”及“-CLP9”裝配定位前先行將S30、S32裝配到定位點(diǎn)附近，待上述2個(gè)小組立裝配完成后，分別將這2根方管裝配到位；

3）待S30、S32焊接完畢后裝配S29、S33；

4）裝配S31、S34。

注意要點(diǎn)：安裝方管時(shí)，有方管覆蓋的焊縫處必須待上一構(gòu)件焊接、檢驗(yàn)、探傷完畢后方可進(jìn)行后續(xù)方管的安裝及焊接。

5 焊接要求

方管焊接均為全熔焊，由于焊接接頭眾多且形狀多樣，采用常規(guī)的襯墊焊無法滿足全熔的要求，檢驗(yàn)容易出現(xiàn)缺陷，還會(huì)影響施工效率。

鎢極氬弧焊，焊接工藝性能好，電弧燃燒穩(wěn)定，焊縫成形美觀，能進(jìn)行全位置焊接，是實(shí)現(xiàn)單面焊背面成形的理想焊接方法[2]。為進(jìn)一步提升焊接效率，焊接將采用氬弧焊打底，手工焊填充蓋面的方式進(jìn)行，具體坡口形式見圖12和圖13。

圖12 方管對(duì)接坡口圖（單位：mm）

圖13 方管角接坡口圖（單位：mm）

單面焊背面成形操作時(shí)，可以觀察焊接熔池狀態(tài)來判斷是否焊透。當(dāng)熔透時(shí)，重力會(huì)使熔池下沉，熔池的表面下降且面積有所擴(kuò)張。若不下沉，說明尚未熔透。若下沉過多，出現(xiàn)凹陷，則說明背面已焊漏[3]。焊接參數(shù)見表1。

6 檢驗(yàn)

1）所有焊接均為全熔焊，并按照相應(yīng)的無損探傷圖進(jìn)行UT、MT檢查；

2）裝配時(shí)嚴(yán)禁在坡口內(nèi)進(jìn)行定位焊；

3）焊前坡口必須打磨光滑，周邊不應(yīng)有油污、底漆及缺陷，有缺陷處應(yīng)提前進(jìn)行修補(bǔ)；

4）焊接如果出現(xiàn)過多不平整、明顯凸凹不均、端部裂紋或其他不符合標(biāo)準(zhǔn)的缺陷，則應(yīng)拒收并修補(bǔ)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求；

5）拆除馬板時(shí)盡量避免敲擊、掰拉現(xiàn)象，可用砂輪機(jī)打磨去除。若損傷方管母材應(yīng)進(jìn)行修補(bǔ)，并做UT檢查。

表1 焊接參數(shù)

7 結(jié)論

本文通過對(duì)方管支撐這種特殊結(jié)構(gòu)的分析、研究，介紹了此類結(jié)構(gòu)是如何設(shè)計(jì)與建造的?？此齐s亂無章的空間立體結(jié)構(gòu)通過合理拆分、化繁為簡(jiǎn)，最終順利建造完畢，為設(shè)計(jì)提供了思路，為生產(chǎn)建造提供了指導(dǎo)，同時(shí)也積累了經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)承接類似項(xiàng)目提供了基礎(chǔ)。

[1]黃浩. 船體工藝手冊(cè)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社,2013.

[2]陳祝年. 焊接工程師手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.

[3]中國(guó)船級(jí)社. 材料與焊接規(guī)范[S]. 2015.