大型郵輪薄板建造變形控制方法

孫建志，馮敏超，陳小雨

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

在造船行業(yè)，薄板變形普遍存在而且這種變形較難消除。大型郵輪所用板材主要以4～6 mm薄板為主，薄板在切割、焊接、吊裝和運(yùn)輸建造過程極易產(chǎn)生變形，薄板變形對船體結(jié)構(gòu)將引起結(jié)構(gòu)嚴(yán)重錯(cuò)位，需要進(jìn)行大量火工矯平和開刀修正；薄板變形對舾裝件將引起管件對接錯(cuò)位；因甲板變形基座無法完全貼合設(shè)備安裝會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)。薄板變形傳統(tǒng)的修正方法火工矯平，熱量很容易傳遞到鋼板內(nèi)，加熱區(qū)域內(nèi)的筋板也容易被加熱，筋板也會(huì)產(chǎn)生熱變形。當(dāng)矯平無法滿足要求時(shí)就需要使用更多的自流平產(chǎn)品，以補(bǔ)償甲板表面的平整度。這些補(bǔ)救措施會(huì)大幅增加空船重量導(dǎo)致罰款甚至棄船。為此，考慮對薄板材料特性及建造過程變形原因進(jìn)行分析，制定預(yù)防變形及后期糾正措施，以保證郵輪建造質(zhì)量。

1 大型郵輪薄板變形原因分析

1.1 薄板材料特性

國內(nèi)鋼廠薄板材料往往殘余應(yīng)力過大，因?yàn)殇搹S在薄鋼板軋制過程中，由于從加熱鍛造到空冷的溫差大而冷卻過快，缺乏相應(yīng)的溫控程序，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力無法釋放，積聚在薄板結(jié)構(gòu)內(nèi)部。鋼板到廠經(jīng)過預(yù)處理和切割后，原內(nèi)應(yīng)力平衡被破壞,產(chǎn)生變形。

1.2 熱輸入產(chǎn)生的變形

1.2.1 焊接熱輸入

現(xiàn)代大型鋼結(jié)構(gòu)都是由很多零件構(gòu)成的，這些零件大多數(shù)都是由熱切割獲得的或者通過焊接獲得的，焊接也是將這些零件連接到一起的主要方法。焊接過程中因加熱和冷卻產(chǎn)生的溫度梯度對熱應(yīng)力的影響最大，是形成焊接殘余應(yīng)力的主要原因，是整個(gè)薄板結(jié)構(gòu)變形的主要根源。在實(shí)際生產(chǎn)中多人同時(shí)焊接，不確定的焊接順序都會(huì)導(dǎo)致焊接應(yīng)力的增加。焊接過程焊接參數(shù)的不規(guī)范設(shè)置會(huì)引起焊接高度超標(biāo)，增加薄板焊接應(yīng)力。

1.2.2 焊接變形機(jī)理分析

焊接移動(dòng)熱源作用下，沿著焊縫方向，中心溫度最高，而遠(yuǎn)離熱源處的溫度逐漸降低，對接接頭的溫度場等溫線呈橢圓狀分布，有限元計(jì)算發(fā)現(xiàn)在焊接初始階段和結(jié)束時(shí)，溫度場的變化非常劇烈且不均勻，導(dǎo)致形成較大的溫度梯度。但隨著加工的進(jìn)行，焊件會(huì)受到已加工部分的預(yù)熱，溫度變化區(qū)域穩(wěn)定，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場逐漸在焊件上會(huì)形成，因而產(chǎn)生的熱應(yīng)力相對較小(見圖1)。

圖1 不同薄板尺寸表面溫度場分布(a)～c))和變形情況(d)～f))

由于薄板為對稱分布，沿著截面剖開，觀察溫度場的分布狀態(tài)，如圖2a)～c)所示，隨著焊接過程的進(jìn)行，上表面溫度由中心向四周發(fā)散，截面溫度由上向下傳遞，不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)位置，受熱應(yīng)力場的影響，都會(huì)引起薄板的瞬時(shí)變形，如圖2d)～f)所示，變形程度隨著焊接光源移動(dòng)有所減緩，這是由于下一節(jié)點(diǎn)受已加工段的溫度預(yù)熱影響，使焊接殘余應(yīng)力降低。而靠近薄板邊緣處的變形程度較明顯，推測是該位置處與空氣接觸，熱導(dǎo)率較快引起的。隨著薄板尺寸變大，其變形情況相比較于前兩種薄板尺寸的焊接結(jié)果更加集中，而薄板中心位置處無變形，說明該處的殘余應(yīng)力已得到有效釋放，證明中心部位的焊接質(zhì)量較高(見圖2)。

圖2 不同薄板尺寸縱截面溫度場分布((a)～c))和變形情況(d)～f))

沿著焊接方向上的起點(diǎn)、中間和終點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線分布見圖3。

圖3 不同薄板尺寸不同位置溫度隨時(shí)間變化

隨著焊接過程的進(jìn)行，前一節(jié)點(diǎn)熔化形成的溫度場會(huì)對后一節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生預(yù)熱作用，因此后一節(jié)點(diǎn)所能達(dá)到的溫度值要高于前一節(jié)點(diǎn)，即終點(diǎn)>中間>起點(diǎn)。當(dāng)某一位置達(dá)到最高溫度后，要以一定的冷卻速率下降，以中間位置為例，三種不同薄板尺寸所能達(dá)到的最高溫度值近乎相同，但薄板尺寸越大，下降至平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的溫度值越小。由于薄板尺寸越大，完成焊接過程所需的時(shí)間越長，因此能夠維持平穩(wěn)溫度的時(shí)間越長，使得薄板有足夠的時(shí)間對產(chǎn)生熱應(yīng)力進(jìn)行釋放，即中間位置的瞬時(shí)殘余應(yīng)力值逐漸降低，沒有變形的產(chǎn)生。而焊縫方向兩端，瞬時(shí)的熱輸入導(dǎo)致溫度急劇升高，在薄板內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度，因而殘余應(yīng)力升高明顯，導(dǎo)致大量變形。根據(jù)焊接變形機(jī)理分析得出，薄板焊接初始階段和結(jié)束時(shí)溫度場的變化非常劇烈且不均勻，這就導(dǎo)致薄板拼板板邊容易產(chǎn)生波浪變形。

1.3 塑性變形

1.3.1 外來加工件運(yùn)輸不規(guī)范導(dǎo)致的變形

重要的還有對供應(yīng)鏈流程的控制管理，應(yīng)特別重視生產(chǎn)方法，以及原材料與外加工件(如：T形梁和管道)從制造商場地到船廠之間的運(yùn)輸。事實(shí)上，可能相當(dāng)常見的情況經(jīng)常是運(yùn)輸引起的(見圖4)，或是外涉構(gòu)件與原材料在實(shí)施過程中管理不善造成的，或是部分結(jié)構(gòu)件事先就存在變形。

圖4 型鋼運(yùn)輸變形

1.3.2 吊裝堆放不規(guī)范導(dǎo)致薄板硬變形

對于吊裝作用引起的變形，特別需要指出的是起重操作，起重時(shí)會(huì)在構(gòu)件中產(chǎn)生很大的張力。如果不經(jīng)過專業(yè)評估，產(chǎn)生的張力就會(huì)引起構(gòu)件(如二級組件、片段、分段等)的塑性變形，另外不規(guī)范的運(yùn)輸、材料堆放都會(huì)導(dǎo)致二次變形。如型鋼運(yùn)輸和堆放變形，將變形的型鋼裝配主板導(dǎo)致一起變形。大量的薄板片體門架疊放相關(guān)作用導(dǎo)致硬變形。見圖5。

圖5 吊裝堆放不規(guī)范導(dǎo)致變形

1.4 精度不良引起的變形

引起變形的原因中需要考慮的另外一個(gè)方面是“裝配”質(zhì)量,以及零部件在安裝之前，就已經(jīng)存在的變形。如型鋼、T-BEAM直線度不良，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)行裝配(如采用液壓千斤頂產(chǎn)生相應(yīng)的施壓作用力)，主板直線度不良，會(huì)導(dǎo)致焊縫間隙大。零部件精度不良會(huì)遭受機(jī)械作用和熱作用的共同影響，這種情況下，產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力更大，會(huì)產(chǎn)生變形的后果風(fēng)險(xiǎn)。見圖6。

圖6 結(jié)構(gòu)精度不良引起的變形

1.5 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱引起的變形

郵輪波紋圍壁板厚在4～5 mm與板厚4 mm的L型折邊板構(gòu)成組合件。波紋圍壁作為房間隔斷屬于非結(jié)構(gòu)艙壁，因薄厚結(jié)構(gòu)弱，在熱輸入或外力作用下容易變形。如波紋圍壁上開穿艙孔、焊接舾裝支架、強(qiáng)行裝配、甲板不同步的矯平收縮都會(huì)引起波紋圍壁的變形。

1.6 預(yù)舾裝不規(guī)范引起變形

在甲板結(jié)構(gòu)變形的情況下安裝預(yù)舾裝，會(huì)增加后道甲板矯平難度。在變形的甲板上焊接穿艙管、支架直接與焊接甲板、電纜支架安裝在變形的型鋼位置、支柱墊板與甲板未貼合就焊接，都會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域甲板無法矯平。另外舾裝件直接與甲板焊接會(huì)二次增加甲板變形。見圖7。

圖7 預(yù)舾裝引起的變形

1.7 船塢階段的二次變形

1.7.1 矯平順序不規(guī)范

兩層甲板沒有同步進(jìn)行矯平收縮，會(huì)導(dǎo)致上下收縮力不一致，應(yīng)力會(huì)沿著圍壁進(jìn)行釋放引起變形。當(dāng)完成上層甲板矯平，應(yīng)力會(huì)向下傳遞到圍壁，使原本矯平的圍壁出現(xiàn)二次變形。因此不適當(dāng)?shù)某C平順序會(huì)導(dǎo)致圍壁產(chǎn)生二次變形。

1.7.2 臨時(shí)工藝孔

在搭載階段，臨時(shí)工藝孔的開孔與復(fù)孔會(huì)導(dǎo)致薄板變形。如郵輪船上許多單元艙室需要推艙，要將大量推艙路線上的圍壁與甲板斷開，影響甲板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，容易引起原矯平甲板二次變形，斷開的圍壁結(jié)構(gòu)變?nèi)跻矔?huì)產(chǎn)生變形。工藝孔復(fù)孔產(chǎn)生熱輸入導(dǎo)致薄板變形。

1.7.3 換板不規(guī)范

對甲板反面結(jié)構(gòu)換板，大量構(gòu)架同時(shí)換板，降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使原本通過矯平達(dá)到應(yīng)力平衡點(diǎn)甲板再次失衡，二次變形。

1.7.4 舾裝件不規(guī)范安裝

波形艙壁強(qiáng)度較弱，在波紋艙壁上反復(fù)裝拆舾裝墊板、墊板焊接量大，造成局部受熱鼓包。見圖8。

圖8 舾裝件反復(fù)拆裝導(dǎo)致波紋板二次變形

2 大型郵輪薄板變形控制措施

薄板的建造變形控制，目前是工藝技術(shù)難題，要控制薄板的建造變形，不能單從某一個(gè)方面去考慮，而應(yīng)該從原材料、設(shè)計(jì)、工藝流程、熱輸入、吊裝運(yùn)輸及堆放、精度控制、預(yù)舾裝安裝、矯平順序、工藝孔以及修正方案等多方面綜合考慮。

2.1 原材料應(yīng)力釋放

鋼廠薄板軋制由于控冷工藝問題導(dǎo)致生產(chǎn)出鋼板存在殘余應(yīng)力，鋼板切割后出現(xiàn)彎曲變形。為解決此問題可在熱軋鋼機(jī)組后增加高強(qiáng)度矯直機(jī)，對軋后熱軋鋼板進(jìn)行反復(fù)強(qiáng)行矯直形成塑性變形。塑性變形達(dá)到最大彈性變形的3～10倍，才能穩(wěn)定消除鋼板殘余應(yīng)力。

2.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

1)優(yōu)化分段劃分，分段結(jié)構(gòu)弱，影響建造/運(yùn)輸及精度控制的可以由全寬分段劃分為小分段，增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2)優(yōu)化板縫布置的四個(gè)原則為：盡量把焊縫布置成與中心軸相對稱；在滿足規(guī)范的前提下，把板縫設(shè)置在結(jié)構(gòu)件附近，借助結(jié)構(gòu)件的剛性來減少焊縫變形；在多板組成的壁板和平臺(tái)盡量使用大板，減少焊縫數(shù)量；在焊縫相交中盡量布置成“十”字接頭，避免“T”字接頭的出現(xiàn)。

3)減少端部余量加放，分段主板端部留有一定的余量，留待裝配時(shí)再進(jìn)行切割。這樣的施工方法，雖然能保證分段尺寸的精度，但由于在裝配過程中的二次切割，增加了受熱的變形和內(nèi)應(yīng)力，會(huì)對分段變形的控制和后續(xù)工序的施工帶來不利影響(切割變形)。減少端部余量加放，可減少加熱次數(shù)和加熱量，有效控制裝配過程薄板的變形。

4)合理設(shè)置分段預(yù)舾裝比重，減少薄板分段舾裝件安裝過多導(dǎo)致的變形，同時(shí)設(shè)計(jì)應(yīng)避免支架安裝在甲板。

5)保證強(qiáng)度的情況下，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用間斷焊接或單面角焊縫焊接的方式，特別是連接甲板縱向常規(guī)加強(qiáng)構(gòu)件時(shí)(如：球扁鋼)。

6)優(yōu)化有限元技術(shù)吊裝方法，薄板總段吊裝有限元計(jì)算不僅要考慮吊裝布局合理性，還應(yīng)考慮預(yù)埋基座和電器設(shè)備對結(jié)構(gòu)變形的影響。

2.3 薄板建造工藝流程

合理的薄板建造工藝流程能規(guī)范薄板建造順序，減少變形產(chǎn)生。在薄板預(yù)處理后和下料需要二次矯平平衡內(nèi)應(yīng)力，能有效減少薄板裝配焊接產(chǎn)生的變形。拼板階段，為了保證拼板平直度，可采用壓鐵或厚鋼板在焊縫的兩邊進(jìn)行剛性固定；在沒有激光焊接設(shè)備情況下可在薄板拼板焊縫端部應(yīng)裝好引弧板和熄弧板，尺寸應(yīng)不小于長×寬為400×250 mm，焊縫引出長度≥70 mm，較大的引弧板和熄弧板可有效控制焊接變形。拼板焊后應(yīng)采用木錘對焊縫進(jìn)行錘擊，如無木錘可采用鐵錘墊鐵板錘擊焊縫，以釋放焊縫的焊接應(yīng)力，減少變形。型材和T-BEAM制作后應(yīng)采用機(jī)械矯直或火工矯直，再上主板安裝避免強(qiáng)行裝配。各階段應(yīng)做低溫背燒，應(yīng)力在哪個(gè)階段產(chǎn)生，則就在那個(gè)階段消除。薄板建造工藝流程關(guān)鍵階段應(yīng)做好精度報(bào)驗(yàn)，保證合格產(chǎn)品流入后道。

2.4 熱輸入控制

2.4.1 生產(chǎn)車間的建筑與維護(hù)

包含在投資方案中的各種調(diào)整，如車間的建造與維護(hù)、系統(tǒng)與設(shè)備安裝或升級到更加先進(jìn)的技術(shù)、恢復(fù)建造加工區(qū)域的效率狀況等。船廠建筑的老化(特別是屋頂和遮蔽結(jié)構(gòu)的狀況)會(huì)使材料遭受環(huán)境侵蝕，因此，各工位會(huì)經(jīng)常接觸到空氣氣流，在大雨期間，滴下的雨水還會(huì)落到加工的構(gòu)件上。這些情況會(huì)引起焊接質(zhì)量差，有時(shí)還需要進(jìn)行修補(bǔ)/返工，從而造成額外的熱量輸入，引起相應(yīng)的變形。

2.4.2 技術(shù)與系統(tǒng)更新

激光復(fù)合焊接系統(tǒng)，該系統(tǒng)既可以用于鋼板對接焊接，也可以用于型材與鋼板的角焊縫焊接。T-BEAM焊接機(jī)器人能夠按程序設(shè)定的焊接順序執(zhí)行，代替人工規(guī)范焊接作業(yè)。應(yīng)用了高新技術(shù)的焊接設(shè)備可更好地減少焊接熱輸入。

2.4.3 規(guī)范焊接作業(yè)

遵守焊接工藝規(guī)程(WPS)中設(shè)定的焊接參數(shù)，使用合理的焊接順序，焊腳高度在控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍，這是必須采取的最佳預(yù)防措施之一。

2.5 吊裝運(yùn)輸及堆放工藝

分包商制作型材零件在運(yùn)輸?shù)酱瑥S的過程中容易變形，可使用型材插架防止運(yùn)輸變形。分段型鋼裝配完后使用吊排和轉(zhuǎn)運(yùn)托架運(yùn)輸減少吊運(yùn)變形。薄板分段長時(shí)擱置容易變形，應(yīng)合理設(shè)置圓柱擱墩，一般14 m×32 m分段應(yīng)設(shè)置12個(gè)以上，盡可能設(shè)計(jì)圓柱擱墩與薄板接觸面大，現(xiàn)場擺放擱墩應(yīng)調(diào)整水平滿足±5 mm再擺放分段。薄板分段平板車運(yùn)輸墊木應(yīng)該鋪滿，能有效避免間隔擺放的墊木頂在軟檔導(dǎo)致的硬變形。薄板分段如使用吊馬翻身因外力影響大結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生翻身變形，因此制作分段翻身工裝，降低外力的作用，有效減少薄板分段翻身變形。

2.6 精度控制

薄板建造過程甲板所有硬檔位置(型鋼、T-BEAM位置)水平必須滿足要求，(見圖9)硬檔位置無法矯平處理，后期會(huì)增加敷料厚度，因?yàn)榉罅鲜且詤^(qū)域最高點(diǎn)為基準(zhǔn)施工。敷料厚度增加就會(huì)影響內(nèi)裝高度，因此郵輪薄板精度控制中硬檔位置水平非常關(guān)鍵。

圖9 薄板水平控制

2.7 預(yù)舾裝安裝變形預(yù)防措施

大量的預(yù)舾裝件在分段安裝，預(yù)舾裝主要焊接在型鋼，因此型鋼位置的水平和垂直度必須滿足精度要求，再安裝預(yù)舾裝。穿艙管區(qū)域甲板應(yīng)平整再焊接穿艙管。墊板安裝必須與甲板貼合，不允許塞焊。

2.8 薄板總組搭載變形控制措施

2.8.1 薄板總組焊接預(yù)防變形措施

薄板總段為上下多層總組，為減少焊接變形和提升裝配效率，可采用上層裝配，下層焊接的方式，避免一層焊接一層裝配，容易導(dǎo)致端面不齊。薄板總段焊接應(yīng)采用從中心向舷側(cè)焊接，從總組縫向首尾焊接。在總組船寬方向加放一定反變形能減少焊后兩舷側(cè)上翹現(xiàn)象，在薄板總組縫兩側(cè)硬檔加放反變形能減少首尾焊接上翹現(xiàn)象。

2.8.2 薄板總組搭載矯平順序

在薄板總組焊后，采用電磁矯平設(shè)備對甲板圍壁從上往下做應(yīng)力釋放，合攏口在船塢搭載對接后再矯平。薄板總段電磁矯平后能夠防止總段轉(zhuǎn)運(yùn)、吊裝應(yīng)外力影響應(yīng)力釋放產(chǎn)生的二次變形。搭載階段，對船上剩余局部變形區(qū)域及合攏口位置進(jìn)行矯平，根據(jù)搭載順序，按總段為分界限，從船中向首尾，從下向上，逐層矯平。

2.8.3 換板預(yù)防變形措施

在搭載階段，薄板變形如無法用矯平補(bǔ)救需換板修正，應(yīng)避免大面積同時(shí)修正或換板，會(huì)產(chǎn)生更嚴(yán)重的二次變形。在修正前應(yīng)做好加強(qiáng)和支撐，再逐個(gè)對變形進(jìn)行修正，修正順序優(yōu)先考慮矯平，必要是借助外力工裝，如無法修正再考慮換板。因?yàn)猷]輪結(jié)構(gòu)特殊，換板有風(fēng)險(xiǎn)。

2.8.4 臨時(shí)工藝孔變形預(yù)防措施

在圍壁開臨時(shí)工藝孔應(yīng)做好有限元分析，確定開孔后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在分段階段，對推艙工藝孔定位焊避免船塢開孔增加熱輸入。在船塢推艙工藝孔開孔前，可做上下口臨時(shí)加強(qiáng)，防止焊縫打開圍壁強(qiáng)度變?nèi)醍a(chǎn)生的變形。復(fù)孔焊接應(yīng)遵守焊接順序，在確定薄圍壁平整度未受影響后再拆除臨時(shí)加強(qiáng)。

3 薄板變形后期糾正措施

郵輪建造薄板已全面使用電磁矯平代替火工做整體矯平，矯平效果好，質(zhì)量高，可實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)控制。根據(jù)實(shí)船應(yīng)用，應(yīng)在四周有結(jié)構(gòu)約束情況下施工，過程中不能中斷，必須延伸至圍壁結(jié)構(gòu)。薄板分段多為不帶外板，板邊自由狀態(tài)，如在分段階段矯平會(huì)增加板邊的波浪變形，再結(jié)構(gòu)后續(xù)運(yùn)輸翻身等會(huì)出現(xiàn)二次變形，因此薄板分段與外板總組形成強(qiáng)框架再矯平效果更好。見圖10。總段合攏口為自由邊，矯平甲板邊最近硬檔停止矯平，可留至船塢合攏后矯平。

圖10 薄板總段電磁矯平

電磁矯平作為薄板變形的補(bǔ)救措施，效果雖好，也要盡可能控制矯平次數(shù)，過度矯平會(huì)導(dǎo)致鋼板收縮引起二次變形，因此優(yōu)先考慮薄板建造過程的變形控制。