基于焊接反變形的20000TEU船艉 軸管圓度控制

鄭國棟，熊 濤

（南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005）

0 引 言

當(dāng)前國內(nèi)外各船廠已在縮短軸系工程安裝周期方面進(jìn)行一系列研究，主要有進(jìn)一步優(yōu)化傳統(tǒng)的鏜孔工藝[1]、采用整體艉管澆注環(huán)氧樹脂[2]的方法、主機(jī)先行搭載法[3]、在分段階段預(yù)鏜孔[4]和直接無鏜孔工藝的方法等。不管采用什么樣的工藝，必然會(huì)出現(xiàn)一些需研究和解決的新問題，其中如何在無鏜孔工藝下更好地控制艉軸管圓柱度（或簡單地說成圓度）就是一個(gè)重要的研究課題。但是，隨著船舶的主尺度越來越大，艉軸管的直徑也越來越大，進(jìn)而使得在無鏜孔工藝下對(duì)艉軸管圓柱度進(jìn)行控制的難度越來越大。本文以在建的20000TEU集裝箱船為例，進(jìn)行艉軸管圓度控制方案研究和優(yōu)化。

1 船型特點(diǎn)、變形原因、精度設(shè)定

1.1 船型特點(diǎn)

研究對(duì)象為20000TEU集裝箱船，該船的艉軸管參數(shù)為：艉軸管長度7852mm；艉軸管內(nèi)徑（鑄鋼件 處）φ1320mm；圓形復(fù)板（以下簡稱“延板”）直徑φ1900～2320mm。

圖1為艉軸管焊接位置結(jié)構(gòu)圖，在艉軸管制作廠家鏜孔前延板F.B.與艉軸管S.T.連接處已焊接完畢，即符號(hào)處；延板外側(cè)與船體分段AP1之間在船廠焊接，即符號(hào)處。焊接工藝參數(shù)為：焊接母材為低碳鋼“D”級(jí)；焊接材料DW-100，φ1.2mm；焊接電流120～300A；焊接電壓18～32V。

圖1 艉軸管焊接位置結(jié)構(gòu)圖

1.2 焊接變形和船體結(jié)構(gòu)對(duì)艉軸管的影響

焊接過程中的熱能引起的焊接應(yīng)力、焊接結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)形式和焊接工藝的不合理成分是影響焊接變形的主要因素[5]，需從這些方面分析如何降低焊接對(duì)艉軸管變形的影響。

設(shè)計(jì)部門的原始設(shè)計(jì)其實(shí)已考慮到焊接變形的影響，因此在艉軸管上增加了延板，如圖 1中的延板F.B.。在鏜孔前已完成延板與艉軸管之間焊縫的焊接，即圖1中符號(hào)位置。后期的變形則是由于上部分段搭載，分段與延板之間焊縫（即圖 1中符號(hào)位置）的焊接產(chǎn)生拉力而引起的。艉軸管的艉襯套位置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，延板主要集中在艏部，焊接的影響相對(duì)艏襯套位置要小很多，因此本文主要對(duì)艉軸管艏襯套部位圓度的影響進(jìn)行研究。

1.3 艉軸管失圓對(duì)軸系安裝的影響和失圓目標(biāo)值的設(shè)定

艉軸管失圓過大會(huì)帶來以下3個(gè)問題：

1) 影響襯套壓入時(shí)的壓入力，把握壓入力的難度增大；

2) 襯套壓入后，內(nèi)部的巴氏合金[6]存在開裂的風(fēng)險(xiǎn)；

3) 影響艉軸插入后與襯套之間的上、下、左、右間隙值。

通過查閱已有資料發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前對(duì)艉軸管圓度的要求還沒有明確的規(guī)定。這里根據(jù)日本川崎重工業(yè)坂出船廠的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，超大型船舶艉軸管直徑如果超過1m，其失圓極限值不宜超過40/100mm（即0.40mm）。保守起見，設(shè)定艉軸管的圓度目標(biāo)值為 0.30mm。由于焊接過程中艉軸管圓度一直在變化，以軸心找正時(shí)的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。這是因?yàn)檩S心找正后附近的焊接工作已全部結(jié)束，且艉部支撐盤木已全部拆除，在此之后圓度變化很小。

2 圓度控制方案

2.1 以往大型船舶圓度控制方案

由于艉軸管為對(duì)稱的圓形結(jié)構(gòu)，理論上可由成對(duì)的焊工同時(shí)對(duì)稱焊接，使各焊縫引起的變形相互抵消來減少艉軸管變形。圖2為艉軸管焊接順序圖，在理想的情況下需安排4人分兩組在T、B、P和S等4個(gè)方向上同時(shí)焊接（T、B、P、S分別表示上、下、左、右）。實(shí)際上受作業(yè)場(chǎng)所空間的限制，一般只能安排2人同時(shí)作業(yè)。分段在塢內(nèi)搭載焊接結(jié)束之后，從結(jié)構(gòu)上看，位于圖2a)中④和⑤處的延板焊接對(duì)艉軸管艏襯套失圓的影響最大。

圖2 艉軸管焊接順序圖

按以下步驟進(jìn)行焊接：

1) 分段對(duì)接縫（圖2中的APU分段和AP1分段）進(jìn)行焊接；

2) 測(cè)量艉軸管的內(nèi)徑，確認(rèn)焊接前艉軸管的狀態(tài)；

3) 對(duì)延板進(jìn)行八等分，并做標(biāo)記；

4) 按1→2→3→4的順序?qū)ρ影澧葸M(jìn)行單側(cè)打底焊接，2人對(duì)稱焊接；

5) 打底焊結(jié)束之后進(jìn)行測(cè)量，確定下一步焊接的方向；

6) 按步驟4)和步驟5)的要求進(jìn)行復(fù)板④的打底焊；

7) 延板⑤和延板④正式焊完成；

8) 按步驟4)和步驟5)的要求對(duì)復(fù)板③和復(fù)板②進(jìn)行焊接；

9) 分段搭載前測(cè)量；

10) 分段搭載并焊接完成之后進(jìn)行測(cè)量。

這種方式的基本原理就是通過對(duì)稱焊接來相互抵消焊接熱應(yīng)力的影響，從而使焊接變形最小，最終達(dá)到使失圓最小的目的。

2.2 按原有控制方案實(shí)施的案例

按照上述方案，對(duì)以往各船在各階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量并記錄。下面是對(duì)209BC船型和超大型油船（Very Large Crude Carrier, VLCC）各1艘船跟蹤測(cè)量的結(jié)果（這2種船型的延板數(shù)量都比20000TEU集裝箱船少，僅2塊延板）。

表1為209BC船型按以往大型船圓度控制方案實(shí)施焊接之后各階段艉軸管內(nèi)徑失圓情況。這里沒有考慮艉軸管的溫度變化，若艉軸管溫度是均勻的，則可忽略溫度的影響，因?yàn)樯舷隆⒆笥业臏囟仁峭瑯幼兓摹?/p>

表1 209BC船型按以往大型船舶圓度控制方案實(shí)施焊接之后 各階段艉軸管內(nèi)徑失圓情況 單位：mm

表1中：縱向第2列“階段名稱”表示分4個(gè)階段對(duì)艉軸管進(jìn)行測(cè)量；第4列“測(cè)量結(jié)果”是采用單體內(nèi)徑千分尺對(duì)艉軸管艏部某一位置上下（TB）、左右（PS）進(jìn)行測(cè)量得到的數(shù)據(jù)；第1階段是延板焊接前，此時(shí)艉管內(nèi)徑有變形，與出廠數(shù)據(jù)并不一致；第2階段和第3階段是延板焊接完成時(shí)測(cè)量的內(nèi)徑數(shù)據(jù)；第4階段是艉軸管上部關(guān)聯(lián)分段全部焊接完成之后測(cè)量的內(nèi)徑數(shù)據(jù)；“TB”表示艉軸管上下方向的測(cè)量值，“PS”表示艉軸管左右方向的測(cè)量值，“TB-PS”表示艉軸管上下方向測(cè)量值與左右方向測(cè)量值的差值，相對(duì)變化量表示“TB-PS”與前一個(gè)階段發(fā)生的變化。

表2為VLCC按以往大型船舶圓度控制方案實(shí)施焊接之后各階段艉軸管內(nèi)徑失圓情況。

表2 為VLCC按以往大型船舶圓度控制方案實(shí)施焊接之后 各階段艉軸管內(nèi)徑失圓情況 單位：mm

從表1和表2中可看出，在各階段焊接完畢之后，圓度不斷發(fā)生變化，但最終結(jié)果都能控制在目標(biāo)值0.30mm以內(nèi)，即這種方案是可行的。但是，最終失圓狀況基本上已接近設(shè)定目標(biāo)的上限值。

2.3 案例分析

通過仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，209BC船和VLCC焊接之后的變形規(guī)律有相似之處，即從第3階段到第4階段有一個(gè)共同的變化規(guī)律。第4階段在塢內(nèi)分段搭載焊接之后，艉軸管圓度繼續(xù)發(fā)生變化，且變化趨勢(shì)是一致的，即PS（左右）方向的內(nèi)徑總是比TB（上下）方向大。如表1和表2所示，雖然在延板焊接完畢時(shí)（第3階段）失圓還不是很大，但到塢內(nèi)分段焊接時(shí)（第4階段時(shí)）失圓進(jìn)一步加大。

從上面的結(jié)果來看，造成艉管失圓的因素不僅僅是延板焊接，上部分段的焊接也是不可忽略的重要因素。以往的做法是僅考慮延板焊接，忽略整個(gè)分段焊接的影響。上部分段搭載焊接對(duì)艉軸管存在向下的力，該力使TB方向內(nèi)徑進(jìn)一步縮小，PS方向內(nèi)徑進(jìn)一步加大。最初在制訂延板交叉對(duì)稱焊接順序時(shí)沒有考慮該因素。

3 方案改善

3.1 采取前期反變形的焊接順序

為使分段焊接完畢之后內(nèi)徑在TB方向和PS方向的差距縮小，可采取反變形方法，在延板焊接完成時(shí)先使艉軸管內(nèi)徑在TB方向的尺寸比PS方向大。這樣在分段焊接之后的應(yīng)力疊加后TB方向的內(nèi)徑會(huì)縮小，進(jìn)而朝著期望的方向發(fā)展。重新研究焊接順序，例如圖2中將延板焊接的順序由原來的1→2→3→4變?yōu)?→4→2→3，即先進(jìn)行TB方向的焊接，待充分冷卻之后再進(jìn)行PS方向的焊接。因?yàn)門B方向先焊接，熱力影響使TB方向的內(nèi)徑變大很多，再焊接PS方向，雖然會(huì)使內(nèi)徑減小一點(diǎn)，但減小量沒有增大量大。這樣，焊接完成之后TB方向的內(nèi)徑會(huì)大于PS方向的內(nèi)徑。

3.2 結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證第3.1節(jié)中修改后的方案，使第3階段完成時(shí)TB方向的內(nèi)徑明顯大于PS方向的內(nèi)徑，在正式焊接之前先對(duì)TB方向進(jìn)行焊接，各焊接約400mm長，觀察焊接變形情況。測(cè)量結(jié)果見表3。

表3 20000TEU 集裝箱船各階段內(nèi)徑測(cè)量結(jié)果（1） 單位：mm

從表3中可看出：

1) 在焊接過程中，先焊接的方向內(nèi)徑值變大，與之垂直方向的內(nèi)徑值變小，可理解為多焊接一層的方向被拉伸，內(nèi)徑變大。

2) 圖2中按1→2→3→4的焊接順序焊接的結(jié)果是TB方向的內(nèi)徑變小、PS方向的內(nèi)徑變大，與想要的變化趨勢(shì)是相反的。研究這種變化趨勢(shì)對(duì)艉軸管焊接失圓控制有一定的指導(dǎo)意義。

3) 改變焊接順序，按1→4→2→3的順序繼續(xù)焊接，并對(duì)TB方向進(jìn)行加焊，焊接完畢之后艉軸管測(cè)量結(jié)果見表4。

表4 20000TEU 船各階段內(nèi)徑測(cè)量結(jié)果（2） 單位：mm

通過改變焊接順序并對(duì)目標(biāo)方向進(jìn)行加焊處理，艉軸管“TB-PS”的尺寸按想要的趨勢(shì)在變化，兩處相比采取措施之前分別變化+0.21mm和+0.31mm（參考表4中序號(hào)4的最后一列）。最終在塢內(nèi)分段搭載焊接完畢之后（參考表4中序號(hào)5的最后一列），“TB-PS”相對(duì)前一階段分別變化-0.125mm和-0.075mm，而實(shí)際失圓僅為-0.035mm和0.015mm，遠(yuǎn)小于目標(biāo)值0.30mm。

4 結(jié) 語

對(duì)于大型船舶，在無鏜孔工藝下通過改變以往的交叉對(duì)稱焊接法，采取施加適當(dāng)?shù)姆醋冃魏附臃ú⒊掷m(xù)做好焊接過程中的跟蹤測(cè)量，可將艉軸管內(nèi)徑的圓度控制得更好。這樣做可降低后期艏襯套壓入風(fēng)險(xiǎn)，改善軸插入之后軸與襯套的間隙狀況，提高船東的滿意度。