大型鋼結(jié)構(gòu)起重臂制造技術(shù)研究

季圣國 楊 林

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 202150

大型浮式起重機(jī)(以下簡稱浮吊)在海洋石油開發(fā)、大型海上工程、沿海風(fēng)電設(shè)備安裝和海難救助等作業(yè)中應(yīng)用廣泛[1]，特別是海洋工程裝備必須依靠大型起重船在海面進(jìn)行吊裝[2]。起重臂是浮吊的主要受力結(jié)構(gòu)件，其制造質(zhì)量直接關(guān)系著起重機(jī)的整體安全性，輕重程度會對整機(jī)自重和穩(wěn)定性（非固定式）有一定影響[3]。小型浮吊的起重臂一般采用箱梁或圓管形式的主弦桿結(jié)合箱形聯(lián)系梁的結(jié)構(gòu)。由于浮吊起重能力不斷增大，鑒于減輕起重臂自身質(zhì)量及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素，大型浮吊的起重臂結(jié)構(gòu)形式將向穩(wěn)定性強(qiáng)的桁架式結(jié)構(gòu)傾斜。由于浮吊起重能力的增強(qiáng)，起重臂結(jié)構(gòu)自重將隨之增大。由于國內(nèi)生產(chǎn)車間受產(chǎn)能的限制，沒有類似的大型浮吊桁架式結(jié)構(gòu)起重臂的制造技術(shù)可以借鑒，故需進(jìn)行制造方法的研究。本文重點(diǎn)針對12 000 t全回轉(zhuǎn)浮吊的鋼結(jié)構(gòu)桁架式起重臂制造技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

1 起重臂結(jié)構(gòu)制造技術(shù)

1.1 起重臂結(jié)構(gòu)

矩形截面的吊臂是目前國內(nèi)外運(yùn)用最普遍的一種形式[4]，12 000 t浮吊的起重臂主要以矩形截面的桁架式結(jié)構(gòu)為主，由起重臂頭部、起重臂中部、起重臂根部3部分組成，如圖1所示。

圖1 桁架式起重臂總體結(jié)構(gòu)示意圖

浮吊起重臂頭部形狀似鷹嘴，主體為箱梁結(jié)構(gòu)，通過主吊鉤定滑輪架、副吊鉤定滑輪組、變幅滑輪架、擺輪支架和索具鉤改向滑輪等附屬結(jié)構(gòu)組成。

浮吊起重臂中部主體為桁架式結(jié)構(gòu)，由主弦桿、斜支管、水平撐管及左右對稱布置的工字梁連接而成，為改向滑輪定位安裝及各類纏繞系統(tǒng)的穿繩提供支撐空間。由于各關(guān)聯(lián)的支座之間跨距較大，對應(yīng)的相對形位尺寸要求也將提高，其中采用低合金高強(qiáng)鋼Q690E焊接而成狹長箱梁結(jié)構(gòu)的8根主弦桿。

起重臂根部主體為桁架式與變截面箱體相組合的結(jié)構(gòu)形式，兩側(cè)起重臂鉸點(diǎn)結(jié)構(gòu)采用的是呈多維空間角度結(jié)構(gòu)的變截面箱體，起重臂根部是起重臂實(shí)現(xiàn)俯仰功能的最重要的鉸點(diǎn)部分。

1.2 大型浮吊起重臂制造難點(diǎn)分析

1）浮吊起重臂的外形大，自重大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。起重臂頭部屬于起重臂結(jié)構(gòu)中最高的部分，高達(dá)15 m；起重臂中部屬于起重臂結(jié)構(gòu)中外形尺寸最大且最重的部分，長達(dá)92 m，重達(dá)1 170 t；起重臂根部屬于起重臂結(jié)構(gòu)中最寬的部分，寬度達(dá)40 m，超出了現(xiàn)有生產(chǎn)車間的制造和轉(zhuǎn)運(yùn)能力。

2）起重臂的主弦桿是狹長箱梁鋼結(jié)構(gòu)，狹長箱形梁的橫截面約為600 mmh700 mm，由板厚為40～70 mm的Q690E鋼板與隔板組合而成。由于箱梁截面小，長度長，隔板設(shè)計(jì)成三面與面底板焊接、一面不焊接的形式，焊接變形量較大，直接影響起重臂整體線型，制作時需采取措施減少焊接變形保證起重臂質(zhì)量。

3）為了減小起重臂的結(jié)構(gòu)質(zhì)量及外形尺寸，其主弦桿主要由Q690E高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼焊接而成。高強(qiáng)鋼焊接時易存在冷裂紋、未融合等缺陷，會影響起重臂的使用壽命，制作前應(yīng)制定專用的焊接工藝規(guī)程WPS。

1.3 工藝方案

1.3.1 化整為零、分組制作

1）起重臂頭部制作

起重臂頭部屬于起重臂結(jié)構(gòu)中最高部分（達(dá)15 m），為了降低制造難度和施工作業(yè)高度，根據(jù)起重臂頭部結(jié)構(gòu)分析，將各箱梁和連接支管分組預(yù)制成4組件，如圖2所示。將起重臂頭部4組件在水平胎架上分別制作成型，轉(zhuǎn)運(yùn)至外場分別拼裝組件a（包含組件101和組件102）、組件b（包含組件103和組件104）。按照標(biāo)準(zhǔn)對組件a、組件b進(jìn)行驗(yàn)收合格后，分別轉(zhuǎn)運(yùn)至外場起重臂拼裝場地。

圖2 起重臂頭部四組件

2）起重臂中部制作

起重臂中部屬于起重臂結(jié)構(gòu)中最重（達(dá)1 170 t）、外形尺寸最大（達(dá)92 m）的部分，為了能滿足車間的生產(chǎn)制造能力，將起重臂中部分成4大組件進(jìn)行單獨(dú)制作，如圖3所示。其中，起重臂作為纏繞系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)，在起重臂中部組件上安裝各類纏繞系統(tǒng)需要的過渡滑輪和改向滑輪支座。

圖3 起重臂中部4組件示意圖

①起重臂中部組件201合攏成型

如圖4所示，將上下主弦桿布置在水平胎架上，再安裝連接撐管形成整體側(cè)片；將側(cè)片整體翻身90e后拉好防傾覆鋼絲繩固定，安裝上下層水平撐管和中間斜撐管，復(fù)核裝配尺寸后燒焊成型為整個桁架結(jié)構(gòu)。

圖4 組件201合攏示意圖

②起重臂中部組件202合攏成型

分成上下片桁架在生產(chǎn)車間水平胎架上制作，中間連接支管待現(xiàn)場直接安裝，將可以更好地保證定位安裝在組件202上的過渡滑輪、改向滑輪支架的精度。

③起重臂中部組件3合攏成型

如圖5所示，在水平胎架上布置好主弦桿，再安裝連接2主弦桿的撐管及工字鋼，上下片桁架分別完成；在斜胎架上放置好下片桁架，配套將頂升胎架和滾道梁布置好，吊裝上片桁架至頂升胎架上，安裝垂直撐管、斜撐管和斜撐桿，復(fù)核裝配尺寸后燒焊成型。

圖5 組件3合攏示意圖

將起重臂中部合攏成型的組件201、組件202上下片桁架、組件203根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃安排分別轉(zhuǎn)運(yùn)至外場起重臂拼裝場地。

3）起重臂根部制作

如圖6所示，起重臂根部屬于起重臂結(jié)構(gòu)中最寬的部分（達(dá)40 m），將其分成3大組件進(jìn)行單獨(dú)制作，以確保變截面箱體相對空間角度的定位精度。

圖6 起重臂根部3組件示意圖

①起重臂根部組件301合攏成型

如圖7所示，在水平胎架上將起重臂根部組件301的底部組件燒焊成型后，將其吊至斜胎架上，并依次拼裝插板、垂直撐桿、上部桁架和斜撐管等其他部件。為保證起重臂根部組件301與起重臂中部組件201順利拼裝，開口部位的垂直撐管此時暫不安裝，待對接完成后再定位裝焊。

圖7 組件301合攏示意圖

②起重臂根部組件302合攏成型

分成上下片桁架在生產(chǎn)車間水平胎架上制作，中間連接支管待現(xiàn)場直接安裝，將可以更好地保證定位安裝在組件302上下片桁架與組件301拼裝角度的可調(diào)整性。將起重臂根部合攏成型的組件301、組件302上下片桁架，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃安排分別轉(zhuǎn)運(yùn)至外場起重臂拼裝場地。

1.3.2 制定主弦桿焊接順序、WPS

主弦桿為低合金高強(qiáng)鋼Q690E材質(zhì)，是狹長箱梁結(jié)構(gòu)，箱梁內(nèi)每個隔斷呈密封箱體。若主弦桿按常規(guī)方法裝焊，施工人員將無法在狹小空間作業(yè)。高強(qiáng)鋼狹長箱梁如采用普通鋼板焊接WPS進(jìn)行常溫施焊，焊縫質(zhì)量較差，易出現(xiàn)缺陷和扭曲變形，焊接質(zhì)量難以控制。為了減少焊接對此類主弦桿的直線度、開檔的影響，需要制定專用的焊接WPS、工裝和焊接順序。

在水平胎架上布置好主弦桿和工字鋼，并預(yù)制成組件。Q690E鋼強(qiáng)度高、韌性差，三面成型時采用焊接順序（見圖8）：①隔板兩側(cè)立焊—②隔板平焊—③—④2腹板與底板平縫（中間向兩端方向進(jìn)行多層多道焊接，2腹板向外側(cè)放適量的反變形量），按照專用高強(qiáng)鋼Q690E焊接工藝規(guī)程WPS 要求，采用超低氫型焊接材料、焊前預(yù)熱（溫度達(dá)到150℃）、焊后保溫（溫度控制在230℃左右）的不間斷焊接方進(jìn)行焊接。四面成型焊接時利用工裝（框架、卡馬等）將2根主弦桿箱梁采用背靠背疊加固定的方法增加剛性，對稱燒焊以減少焊接變形，達(dá)到直線度、平整度等質(zhì)量要求。

圖8 三面成型焊接順序示意圖

2 起重臂拼裝技術(shù)

起重臂整體質(zhì)量達(dá)2 100 t，外形尺寸（長h寬h高）為127 mh40 mh15 m。為了減少轉(zhuǎn)運(yùn)工作量，降低轉(zhuǎn)運(yùn)及吊裝難度，選擇碼頭臨岸區(qū)域?qū)ζ鹬乇圻M(jìn)行拼裝，便于起重臂整體拼裝結(jié)束后整體總裝作業(yè)。如圖9所示，為了精控起重臂形位尺寸及裝配公差，起重臂拼裝步驟為：

圖9 高胎架上拼裝起重臂示意圖

1）清理外場拼裝場地，在地面劃出起重臂定位線。

2）將起重臂拼裝胎架根據(jù)定位線布置到位，激光找平。

3）由于大型起重臂頭部尺寸很大，預(yù)留起重臂頭部組件b可先不拼裝，以減少高空拼裝作業(yè)，提高施工安全性，低胎架拼裝其他部件。

4）以起重臂中心線為基準(zhǔn)，將組件201、202、203進(jìn)行拼裝，復(fù)測調(diào)整各拼裝定位尺寸（如直線度、垂直度等），在驗(yàn)收合格后完成各對接端口余量修割，合攏成型焊接。

5）以起重臂中心線為基準(zhǔn)，將2個組件301分別向起重臂中部靠攏，復(fù)測調(diào)整各拼裝定位尺寸并進(jìn)行固定。待組件301與起重臂中部調(diào)整到位后，再調(diào)整定位組件302中間聯(lián)系桁架，矯正對接端口，修割端口余量，合攏裝焊。

6）以起重臂中心線為基準(zhǔn)，將起重臂頭部組件a向已拼好的起重臂中部靠攏，保證起重臂頭部開檔尺寸達(dá)到圖紙要求，校正構(gòu)件間的接口，再合攏成型焊接。

7）起重臂根部、中部和頭部組件a拼裝好后，為了確保軸孔機(jī)加工精度，可利用激光對其進(jìn)行整體劃線加工起重臂中部及頭部組件a上各滑輪孔及起重臂根部鉸點(diǎn)孔。

8）將起重臂根部、中部、頭部組件a整體抬高，重新調(diào)整整體的水平、垂直度合格后，在高拼裝胎架上進(jìn)行合攏對接。

9）起重臂頭部組件b采用反拼裝工藝拼裝完成后，翻身至總拼狀態(tài)。以起重臂中心線為基準(zhǔn)，將起重臂頭部組件b向起重臂頭部組件a靠攏，復(fù)測調(diào)整對接端口、各滑輪孔定位尺寸后施焊。

10）利用激光對起重臂進(jìn)行整體劃線，加工組件b上各滑輪軸孔。

11）安裝滑輪支架和滑輪（包括主吊鉤定滑輪支架、副吊鉤定滑輪組、各改向滑輪等）。

3 起重臂總裝技術(shù)

3.1 總裝難點(diǎn)分析

1）結(jié)構(gòu)尺寸大，質(zhì)量大，超出制造基地自有起重設(shè)備吊載能力。

2）起重臂主弦桿的箱形梁截面小，吊裝要求高，需防止吊裝變形和損壞。

3）附屬部件多，增加了起重臂總裝吊重（達(dá)3 100 t）。

4）起重臂根部的鉸軸孔大且多，精度也高，需嚴(yán)格控制總裝時的吊裝變形。

5）起重臂拼裝位置和總裝位置若不在同場地，將增加長距離運(yùn)輸成本和轉(zhuǎn)運(yùn)周期。

3.2 工藝方案

3.2.1 起重臂總裝吊點(diǎn)位置和吊裝形式選擇

針對起重臂外形大、附屬件多和自重大的問題，響應(yīng)高空作業(yè)低空化高效、安全的作業(yè)要求和制造基地自有的海洋起重設(shè)備最大吊載和吊高要求，同時確保起重臂吊裝時對稱布置的8組總裝吊耳均勻受力。

3.2.2 起重臂總裝有限元分析

利用Ansys軟件進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算，不僅可避免臂架設(shè)計(jì)中存在的盲目性，還可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理化和輕量化的目的[5]。為了防止大型鋼結(jié)構(gòu)起重臂吊裝變形以及吊裝而引起的結(jié)構(gòu)塑形變形，確保鉸點(diǎn)孔處變形可控以便于總裝時鉸軸安裝，故需提前利用Ansys軟件對起重臂總裝狀態(tài)吊裝的變形和應(yīng)力情況進(jìn)行模擬分析，如圖10所示。

圖10 起重臂吊裝Ansys模擬分析圖

經(jīng)過分析計(jì)算制定出安全可行方案：利用振浮4號1 600 t浮吊和舟山2 600 t浮吊的雙浮吊通過8組吊耳抬吊起重臂。這套吊裝方案不僅使起重臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形均處于可控狀態(tài)，而且不會對起重臂結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，可保證起重臂鉸點(diǎn)銷軸安裝需要。

4 結(jié)束語

通過對大型浮吊起重臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其存在外形大、自重大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，綜合各影響因素的考慮，采用合理分段、分組轉(zhuǎn)運(yùn)，然后外場拼裝的化繁為簡方法，有效地解決了生產(chǎn)車間制造能力不足、吊裝能力不夠等難題。采用專項(xiàng)焊接順序、專用的WPS、預(yù)防反變形工裝、背靠背對稱制作等方法，克服了以Q690E高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼為主要材料的狹長箱梁焊接變形大的難點(diǎn)，確保了2主弦桿箱體的直線度、平整度及焊接質(zhì)量。該大型浮吊起重臂制造技術(shù)的成功運(yùn)用，不僅大大提高了起重臂的制造效率，且對起重臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步成熟和開發(fā)具有很好的應(yīng)用價值。