豪華郵輪薄板建造控制變形措施研究

王永強(qiáng)

(招商局重工(江蘇)有限公司,江蘇 南通 226100)

0 引言

目前薄板變形已成為船舶建造行業(yè)必須要面對的難題。豪華郵輪客房區(qū)、客滾船汽車滾裝甲板與跳板均采用超薄板來達(dá)到減輕空船重量、降低重心、提高穩(wěn)性的目的,但薄板變形難以控制。船舶分段建造過程中,船廠常用的變形控制措施主要為火工校正,此方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力且效果欠佳[1]。

本文在分析薄板變形原因的基礎(chǔ)上,對豪華郵輪建造過程中片體、分段、合龍階段引起薄板變形控制措施進(jìn)行研究,同時(shí)結(jié)合世界郵輪建造發(fā)展現(xiàn)狀,指出用先進(jìn)設(shè)備和流水線來解決薄板變形的趨勢。

1 豪華郵輪薄板使用要求

(1)優(yōu)先考慮船舶的安全性。豪華郵輪甲板以上客房區(qū)高達(dá)十幾層樓高,橫向受風(fēng)面積巨大,因此降低主甲板以上客房區(qū)的重量是保證船舶穩(wěn)性最有效的措施。目前郵輪甲板或壁板的板材厚度、管材壁厚都很薄,鋼板厚度為3～6 mm,管子多用薄壁(1.5～3.0 mm)合金管代替普通厚壁碳鋼管。

(2)追求舒適性。為提高郵輪乘客居住和娛樂空間,客觀上就要求橫向跨度大、縱橫向骨材高度小。同時(shí),為保持安靜,客房區(qū)實(shí)行柔性化設(shè)計(jì),以減少剛性傳導(dǎo)和振動(dòng)、噪聲等。

(3)追求郵輪外表的美觀性。豪華郵輪是一座移動(dòng)的小鎮(zhèn),供游客居住和享受,內(nèi)部裝修美輪美奐,免稅店、酒吧、娛樂城、游泳沖浪等應(yīng)有盡有[2]。這就要求船殼光順無瘦馬現(xiàn)象,每層客房甲板和房間內(nèi)外走廊甲板都要達(dá)到很高的預(yù)制平整度,郵輪頂部露天的休閑娛樂區(qū)甲板平整度要求更高,而這些區(qū)域都使用超薄鋼板制造。為滿足超薄鋼板超高平整度要求,大量薄板集中使用時(shí)勢必產(chǎn)生較大的焊接變形[3]。

2 薄板變形原因分析

薄板在卸貨進(jìn)庫、打砂油漆、切割下料、鋼板拼板、骨材安裝、焊接、火攻校正、翻身吊運(yùn)等工序均會(huì)受到外力或熱量輸入的影響,這些工序都會(huì)在板內(nèi)產(chǎn)生殘存應(yīng)力。變形的片體用強(qiáng)制外力矯正,雖然解決了平整度問題,但內(nèi)應(yīng)力一直聚集在片體里,這個(gè)力會(huì)不斷尋找板片結(jié)構(gòu)相對薄弱的區(qū)域釋放出來。這種情況下,即使是很少一點(diǎn)切割、焊接或外力擠壓都會(huì)造成板片無規(guī)則的嚴(yán)重變形。

3 片體小組立階段的控制變形措施

3.1 薄板使用前校平釋放內(nèi)應(yīng)力

薄板軋制的成材率很低,因規(guī)范對超薄板平均厚度和厚度公差要求遠(yuǎn)高于中厚板。為保證鋼板厚度均勻,會(huì)增多碾壓次數(shù),而多次碾壓會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,因而這種鋼材使用前要校平釋放應(yīng)力。

3.2 選擇適當(dāng)?shù)难b卸貨和運(yùn)輸工具

薄板極易發(fā)生角變形折彎,一般選擇多點(diǎn)磁力吊來裝卸,這樣薄板起吊時(shí)整個(gè)板面受力均勻,也可使用先進(jìn)的多點(diǎn)式真空吸盤吊裝。嚴(yán)禁在薄板上焊接吊耳起吊和使用鋼板鐵鉤起吊。

要使用特制“門”字型平板托架存放和運(yùn)輸薄板,避免轉(zhuǎn)運(yùn)擠壓產(chǎn)生變形。也可以斜靠在“立柱”托架上運(yùn)輸(使用鋼質(zhì)平托盤效果更好)。

3.3 薄板預(yù)處理和下料后校平

薄板打砂預(yù)處理和數(shù)控下料一樣是一個(gè)熱加工過程。為防止薄板下垂,薄板通常被放在簡易圓鋼制作的網(wǎng)狀托架上進(jìn)入預(yù)處理流水線的。預(yù)處理和下料后均需要對薄板進(jìn)行1～2次的校平,以釋放薄板加工產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

下料開孔采用套料過橋方式,板材開孔下料切割時(shí)預(yù)留搭橋,保留開孔區(qū)局部強(qiáng)度,防止后續(xù)施工過程中產(chǎn)生變形。采用手工、半自動(dòng)或自動(dòng)割刀切割時(shí)均需用小號(hào)割嘴進(jìn)行切割,同時(shí)保持穩(wěn)定的速度,從而防止邊緣切割變形。

3.4 鋼板拼板后校平

拼板作業(yè)需在表面平整且剛度好的鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上進(jìn)行,拼板間隙應(yīng)控制在0～0.5 mm范圍內(nèi)。為保證拼板平直度,一般用厚鋼板或者壓鐵在焊縫間隙處采用剛性固定,且距焊縫間距達(dá)到埋弧焊機(jī)行程即可[4]。拼焊好后的板可以放在多滾矯平機(jī)上釋放應(yīng)力,太寬的板片可以采用震動(dòng)壓路機(jī)2次碾壓焊縫釋放焊接應(yīng)力[5],或使用薄板拼板流水線,焊縫實(shí)行反變形FCB焊接。也可以使用線能量輸入更小的激光焊接拼板流水線(TWP)。激光焊接不用考慮焊接變形,但激光流水線造價(jià)很高。

3.5 型材安裝注意事項(xiàng)和使用先進(jìn)的工裝

型材在預(yù)制裝配前必須矯正,變形的型材禁止直接流到下個(gè)安裝工序。所有拼板和型材的安裝都拒絕使用傳統(tǒng)的焊接碼板或門子架,建議采用磁力或真空無碼工裝裝配。型材安裝或焊接若有缺陷需返工,用打磨或鏟邊的方法來校正。

3.6 選擇合適的焊接方法及焊接順序

所有焊材應(yīng)與母材相匹配,嚴(yán)禁用大直徑焊絲(焊絲直徑不大于1.0 mm)和大電流施焊。上建扶強(qiáng)材盡量多使用間段焊和單面焊代替雙面全焊接,以減少焊接量和焊接變形。實(shí)踐證明：控制焊腳高度是控制片體變形的最有效措施之一;厚度6 mm以下薄板結(jié)構(gòu)角焊縫焊腳控制在2.5～3.5 mm,需由業(yè)務(wù)能力高的二氧化碳焊工作業(yè)。平直片體上結(jié)構(gòu)和甲板縱骨的角焊接應(yīng)用雙數(shù)半自動(dòng)角焊機(jī),采用對稱、交替和間隔中間到兩端焊接。若片體上型材焊接后產(chǎn)生角變形,則在板片翻身后采用雙頭半自動(dòng)烘槍,對型材反面左右兩側(cè)進(jìn)行背燒處理,釋放裝焊過程中的焊接應(yīng)力。

嚴(yán)格控制施焊順序,按照從中間到四周、先對焊后角焊、先立焊后平焊、先焊結(jié)構(gòu)焊縫后焊收縮量小的鋼板對接焊縫的順序施焊。對板片面積相對較大且扶強(qiáng)材較長的構(gòu)件,用分步退焊法焊接,從中間向四周焊接,用跳焊法分散焊接量,避免在一個(gè)區(qū)域集中施焊。整個(gè)片體焊接完成后,翻身、自由狀態(tài)下校平,以消除片體上的焊接角變形[5]。

3.7 提高片體鐵舾裝率

舾裝安裝工序前移,減少分段階段預(yù)舾裝,在片體階段盡量安裝一些不影響翻身、運(yùn)輸?shù)聂秆b件。長的舾裝可在片體上先校平,進(jìn)入組立階段再接長,盡量減少在薄板上熱工的次數(shù)以減小焊接變形[6]。貫穿件如電纜或管材穿過薄板,需要一次性在薄板上開好孔并做相應(yīng)的加強(qiáng)補(bǔ)償和校平應(yīng)力釋放,確保后續(xù)構(gòu)件穿艙時(shí)不會(huì)引起這個(gè)區(qū)域變形。

4 分段建造階段的控制變形措施

4.1 薄板分段建造的胎架要求

胎架基座需要有非常強(qiáng)的剛性,橫、縱向胎板的間距小于500 mm;橫縱方向的連接模板高度為250 mm,模板厚度大于10 mm,保證分段胎架板具有足夠強(qiáng)度,并采取固定措施,不得使胎架處于自由狀態(tài)。曲面胎架要求嚴(yán)格按照外板形值表中的數(shù)據(jù)制作,并報(bào)精度管理部測量檢驗(yàn),確保曲面上胎板的精度滿足要求后才能使用。

4.2 分段裝焊變形控制措施

為控制裝焊變形,胎架板需使用“7”字形胎架與卡板進(jìn)行拉靠固定;卡板拉靠需根據(jù)分段實(shí)際情況進(jìn)行增設(shè),禁止用耳板、胎架板和胎架直接施焊。型材、構(gòu)件應(yīng)按照圖樣核對形狀、尺寸和數(shù)量,扭曲或變形的型材修整或更換后才能安裝。

分段焊接完畢后進(jìn)行火攻校正以滿足精度要求,經(jīng)船東、船檢外檢全部通過后方可下胎。下胎后的分段除了分段合龍口外盡量不要再有熱工發(fā)生[6]。脫胎吊運(yùn)前評估分段的局部強(qiáng)度,強(qiáng)度不足的地方增加輔助小型材,防止吊運(yùn)時(shí)發(fā)生變形。

為減少結(jié)構(gòu)的變形和保證光面的美觀,因吊運(yùn)或合龍要求設(shè)置的分段吊碼及其加強(qiáng)材應(yīng)設(shè)置在分段的結(jié)構(gòu)面,杜絕設(shè)置在分段的光面。這些吊碼或加強(qiáng)材在不影響內(nèi)部其他結(jié)構(gòu)的情況下,切割留根后要進(jìn)行打磨處理,以減少切割引起的變形。

4.3 減少分段預(yù)舾裝階段變形

分段下胎后進(jìn)入預(yù)舾裝階段,該階段是引發(fā)分段薄板變形最主要的時(shí)期。為防止薄板變形,禁止一切舾裝件直接焊接在薄板上。除連接在片體階段已經(jīng)預(yù)埋“短根”上的舾裝件,其他所有舾裝件都要生根在臨近的骨材上,用橋接或轉(zhuǎn)角連接等方式把舾裝件的根連接到骨材上。

4.4 減少分段臨時(shí)加裝舾裝件措施

根據(jù)舾裝件承載的大小,臨時(shí)增加的小電纜托架或通風(fēng)小舾裝件應(yīng)盡量避免設(shè)計(jì)為全焊。承載力小的舾裝就點(diǎn)焊,不得不焊在薄板上的舾裝件要采用線能量輸入很小的特殊焊接方法(如電阻焊)來減少薄板的變形。

5 分段總組和大合龍階段控制變形措施

5.1 保留加強(qiáng)綁材

為減小成形分段翻身吊運(yùn)及合龍口焊接變形,合龍前保留分段和結(jié)構(gòu)風(fēng)道合龍口處的加強(qiáng)綁材,一直留到合龍焊縫及結(jié)構(gòu)焊接完成后方可拆除。

5.2 客房區(qū)合龍后的變形校正

客房區(qū)合龍校正工作在焊接工作結(jié)束后方可進(jìn)行,并時(shí)時(shí)測量每層客房層高,防止校正收縮影響精度。校正順序如下：先上層后下層,先甲板后圍壁,先室內(nèi)后室外,先扶材后板材,先遠(yuǎn)后近,先輕后重,先疏后密;應(yīng)力太過集中而形成凸起的部位,可采取開刀或挖換板材處理后再校正;對嚴(yán)重折角的板縫部位,則切開板縫釋放應(yīng)力,重新調(diào)平后施焊,焊后火攻消除焊接應(yīng)力并調(diào)平。

5.3 添加永久加強(qiáng)筋

結(jié)構(gòu)薄弱的客房區(qū)壁板合龍口是最容易變形的,這些區(qū)域增加些直徑小的加強(qiáng)筋板作為永久加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。新增加強(qiáng)筋板采用間斷焊,從而補(bǔ)償這些區(qū)域的強(qiáng)度以達(dá)到永久抵御外力變形的目的。

5.4 合龍后甲板校平

合龍后甲板凹凸不平是很常見的,這時(shí)應(yīng)加外力將凹陷部位頂住后在反面斑點(diǎn)狀干烘矯正,切不可用拉條狀直接烘甲板下橫梁,以免甲板整體凹陷或拱起。高效中頻矯平機(jī)EFD作校平設(shè)備效果很好,尤其對起伏波浪變形和“瘦馬”變形最為有效。其原理是利用中頻加熱“抽出”加熱部位的薄板金屬形成條狀隆起,釋放應(yīng)力并拉平變形區(qū)域[7]。

6 結(jié)語

本文按照建造工藝流程闡述了豪華郵輪薄板變形的原因及控制措施,重點(diǎn)概述了各工序?qū)Ρ“遄冃蔚挠绊?。豪華郵輪和豪華客滾船超薄板變形的防控,在未來很長一段時(shí)間仍將是業(yè)界難題。隨著先進(jìn)設(shè)備設(shè)施的投入使用,特別是激光切割和焊接設(shè)備應(yīng)用,平直分段薄板變形將得到很好控制,未來超薄板變形控制將放在曲面分段外板上。