海洋鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制階段建造精度控制

王永興，劉進(jìn)華，石守義，豆小艷，常小龍

(1.海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引 言

海洋鋼結(jié)構(gòu)的建造一般分為預(yù)制階段和總裝階段。預(yù)制階段的工作由兩部分組成：一是結(jié)構(gòu)桿件預(yù)制，如組合梁預(yù)制、節(jié)點(diǎn)預(yù)制、立柱拉筋卷制接長(zhǎng)等；二是甲板片預(yù)制，即根據(jù)車間的建造能力和吊裝運(yùn)輸設(shè)備的作業(yè)能力，將結(jié)構(gòu)桿件，如組合梁、型鋼、筋板、立柱拉筋等，組對(duì)焊接成甲板片?？傃b階段是將預(yù)制噴涂完成的甲板片運(yùn)輸?shù)綀?chǎng)地進(jìn)行吊裝合龍的過程。不論哪個(gè)階段都離不開焊接作業(yè)，而焊接作業(yè)帶來的固有的收縮變形則是影響海洋鋼結(jié)構(gòu)建造精度的關(guān)鍵因素。

隨著海洋鋼結(jié)構(gòu)建造行業(yè)的發(fā)展，建造精度越來越被人們所重視[1-2]，無余量施工的概念應(yīng)運(yùn)而生。一般來說，為保證鋼結(jié)構(gòu)總裝完成后能夠滿足規(guī)格書公差要求，甲板片在總裝合龍口位置都會(huì)保留余量，在甲板片吊裝合龍之前，根據(jù)實(shí)際情況將余量切除。所謂無余量施工，即將預(yù)制階段的桿件保留與焊接收縮量相匹配的余量，從而避免甲板片總裝之前的余量切除工作，這顯然對(duì)預(yù)制階段的精度控制提出了更高的要求。

海洋鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制階段的精度控制問題任重道遠(yuǎn)，本文結(jié)合近年工程項(xiàng)目中對(duì)總裝影響較大的預(yù)制階段尺寸超差問題，對(duì)施工過程中用于提高預(yù)制階段建造精度的措施進(jìn)行初步分析和總結(jié)，對(duì)后續(xù)項(xiàng)目的開展有一定的參考意義。

1 預(yù)制階段超差問題

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制階段的工作內(nèi)容，超差問題相應(yīng)地可以分為兩方面：一是結(jié)構(gòu)桿件的預(yù)制超差；二是甲板片預(yù)制過程中的超差。

1.1 結(jié)構(gòu)桿件預(yù)制超差

對(duì)甲板片預(yù)制過程影響較大的結(jié)構(gòu)桿件預(yù)制超差主要體現(xiàn)在組合梁的高度超差和立柱的橢圓度超差上。

(1)組合梁高度超差。一般來說，組合梁都由專門的預(yù)制廠家完成，考慮到筋板需要準(zhǔn)確定位，設(shè)計(jì)于組合梁上的筋板都是在后續(xù)甲板片預(yù)制階段中安裝的。根據(jù)國(guó)內(nèi)組塊建造規(guī)格書的要求，組合梁的高度公差為±4 mm，如果組合梁預(yù)制完成后高度公差為-4 mm，則后續(xù)焊接筋板，尤其是焊接厚筋板，必然會(huì)導(dǎo)致組合梁的高度進(jìn)一步減少，而造成超差。圖1為焊接收縮典型案例，此處組合梁理論高度H=1 500 mm，實(shí)際高度H=1 496 mm，上下翼緣鋼板厚度為80 mm，節(jié)點(diǎn)管壁厚為60 mm。從圖1的測(cè)量數(shù)據(jù)看出，在甲板片預(yù)制階段，節(jié)點(diǎn)管焊接完成后，組合梁高度H=1 494 mm，減少2 mm，因而最終高度超差。

圖1 焊接收縮典型案例

(2)立柱橢圓度超差。管徑大于406 mm的立柱或者拉筋一般都需要使用鋼板卷制，按照建造規(guī)格書的要求，卷制管的橢圓度公差為最大與最小內(nèi)徑的測(cè)量值之差，應(yīng)不超過6 mm。由立柱橢圓度超差引起的最大問題是因?yàn)橄噜徆芏螜E圓度偏差的方向不同，而在后續(xù)對(duì)接過程中引起環(huán)縫錯(cuò)皮超差。如圖2所示，立柱與其下方大小口由于橢圓度超差而出現(xiàn)的環(huán)縫錯(cuò)皮為29.5 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出規(guī)格書對(duì)環(huán)縫錯(cuò)皮的規(guī)定，即0.2t(t為壁厚)或6 mm中的較小值。

圖2 環(huán)縫錯(cuò)皮超差

1.2 甲板片預(yù)制超差

甲板片預(yù)制過程中的超差主要體現(xiàn)在甲板片預(yù)制完成后的整體尺寸和水平度超差問題上。

(1)甲板片整體尺寸超差。通常，受車間預(yù)制能力、場(chǎng)地吊裝運(yùn)輸設(shè)備作業(yè)能力的限制，大尺寸的甲板片在預(yù)制階段都被拆分為若干小甲板片，然后在總裝階段再焊接合龍。圖3所示的甲板片由于尺寸和質(zhì)量較大，在預(yù)制階段被分解為3個(gè)小片。此方法能夠降低甲板片預(yù)制的施工難度，但對(duì)甲板片的整體尺寸精度控制卻有不利影響。建造規(guī)格書只規(guī)定了甲板片預(yù)制完成的尺寸公差，具體要求為任意平面內(nèi)立柱之間的對(duì)角線最大允許誤差在±19 mm范圍內(nèi)。對(duì)于拆分后小片的預(yù)制公差并無明確要求，因此小片預(yù)制完成后的尺寸報(bào)檢也是依據(jù)±19 mm執(zhí)行的。這就導(dǎo)致所有的甲板片的尺寸在預(yù)制階段都是合格的，但是到了總裝階段則出現(xiàn)了無法正常合龍的問題。

圖3 分片預(yù)制

(2)甲板片水平度超差。設(shè)備的安裝一般是在組塊甲板片總裝完成之后進(jìn)行的，因此甲板片的水平度超差對(duì)設(shè)備安裝的影響很大。如圖4所示，甲板片局部標(biāo)高偏低，設(shè)備底座安裝后不能滿足設(shè)備的標(biāo)高要求，只能通過增加墊板來調(diào)整。甲板片主體由組合梁、型鋼組對(duì)焊接完成，甲板片預(yù)制完成后通常會(huì)出現(xiàn)中間低、四周高的變形。其根本原因是組合梁與型鋼的對(duì)接要求上表面平齊，所以組合梁上翼緣區(qū)域的焊接工作量遠(yuǎn)大于下翼緣區(qū)域，組合梁上翼緣區(qū)域的熱輸入也較大，因此焊后就出現(xiàn)了中間低、四周高的變形。

圖4 局部水平度超差

2 提高預(yù)制精度的措施

優(yōu)化焊接工藝可以減少焊接變形，提高預(yù)制精度[3-6]，但對(duì)于焊接工作量巨大、施工過程復(fù)雜的甲板片預(yù)制，還需要著重從以下3個(gè)方面對(duì)預(yù)制階段的精度進(jìn)行控制。

2.1 增加預(yù)制階段公差要求

增加預(yù)制階段的公差要求并作為甲板片報(bào)檢的依據(jù)是確保甲板片預(yù)制精度的根本措施。第1節(jié)的預(yù)制超差問題分析表明，預(yù)制階段對(duì)總裝階段影響較大的公差主要有組合梁高度公差、立柱橢圓度公差、甲板片尺寸公差和甲板片水平度公差。

國(guó)內(nèi)組塊建造規(guī)格書對(duì)組合梁高度的公差要求是±4 mm，即組合梁預(yù)制高度-4 mm也滿足規(guī)格書要求，但如果后續(xù)需要焊接筋板或半圓管，組合梁高度就會(huì)減少，從而出現(xiàn)超差問題。所以，如果能夠在組合梁預(yù)制階段考慮到后續(xù)焊接引起的收縮，將部分組合梁的預(yù)制高度改為正公差要求，就可以避免后續(xù)的超差問題。

一般鋼板卷制立柱或拉筋的最大與最小內(nèi)徑之差不超過6 mm，為使立柱或拉筋在甲板片預(yù)制階段或總裝階段能夠順利拼接，拼接口處的橢圓度可以從嚴(yán)要求，比如將最大與最小內(nèi)徑之差縮小到4 mm。

建造規(guī)格書只規(guī)定了甲板片預(yù)制完成的尺寸公差，具體要求為任意平面內(nèi)立柱之間的對(duì)角線最大允許誤差在±19 mm范圍內(nèi)，施工檢驗(yàn)一般都是以此公差要求對(duì)各分片進(jìn)行檢驗(yàn)，這顯然是不合理的。針對(duì)各分片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)各分片執(zhí)行更為嚴(yán)格的整體公差要求，才能保證各分片合龍后能夠滿足±19 mm的公差要求。與此類似，只有對(duì)各分片執(zhí)行更為嚴(yán)格的水平度公差要求才能保證分片合龍后整體水平度在13 mm以內(nèi)。

2.2 技術(shù)文件增加焊接收縮余量

焊接收縮是焊接過程的固有屬性，結(jié)構(gòu)件焊接工作量越大，焊接收縮量也越大。為使結(jié)構(gòu)件焊后能夠滿足公差要求，可以根據(jù)實(shí)際情況在加工設(shè)計(jì)方案中增加下料余量，以補(bǔ)償焊接收縮量。例如：總裝現(xiàn)場(chǎng)口處的組合梁在長(zhǎng)度方向上增加20 mm的余量；總裝現(xiàn)場(chǎng)口的立柱在高度方向上增加50 mm的余量；甲板片組對(duì)過程中，組合梁跨距比理論尺寸增大3～5 mm，以補(bǔ)償甲板片組合梁、型鋼及筋板焊接完成后的尺寸收縮。

技術(shù)文件中增加的下料余量只有立足于施工過程中關(guān)于焊接收縮的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累，才能保證此余量與焊接實(shí)際收縮量相當(dāng)，否則就會(huì)增加現(xiàn)場(chǎng)對(duì)多余的下料余量進(jìn)行切割的工作量。

2.3 反變形法控制甲板片水平度

根據(jù)第1.2節(jié)內(nèi)容，甲板片焊后最明顯的特點(diǎn)就是中間低、四周高，因此可以采取反變形法保證甲板片的預(yù)制精度。采用如圖5所示的高度可微調(diào)的甲板片預(yù)制墊墩，在甲板片預(yù)制的各個(gè)階段，如組合梁組對(duì)焊接、次梁型鋼組對(duì)焊接以及甲板板的焊接，可以方便地降低甲板片四周區(qū)域的墊墩高度，達(dá)到反變形的效果。同樣，反變形量也必須立足于施工過程中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累，才能保證預(yù)設(shè)的反變形量與焊接變形相當(dāng)，不至于出現(xiàn)反變形量過大或不足的問題。

圖5 高度可調(diào)的預(yù)制墊墩

3 結(jié) 論

提高結(jié)構(gòu)預(yù)制階段的建造精度可以著重從以下3個(gè)方面入手：

(1)增加預(yù)制階段的公差要求。增加桿件預(yù)制和甲板片預(yù)制的公差要求并作為報(bào)檢依據(jù)，對(duì)提高預(yù)制階段建造精度有關(guān)鍵性作用。

(2)在技術(shù)文件中增加焊接收縮余量。在技術(shù)文件中增加下料余量，補(bǔ)償施工過程中的焊接收縮，能有效地保證預(yù)制階段的結(jié)構(gòu)件和甲板片的公差要求。

(3)采取反變形法控制甲板片的水平度。針對(duì)甲板片焊后中間低、四周高的變形特點(diǎn)，在甲板片組對(duì)階段預(yù)先采取反變形措施，能夠有效保證甲板片焊后的水平度。