自升式風(fēng)電安裝船多孔式固樁架建造變形控制技術(shù)

鄒紀(jì)祥 朱 鋒 季富強(qiáng) 施浩杰

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125

0 引言

風(fēng)電安裝船固樁架結(jié)構(gòu)形式為雙層結(jié)構(gòu)，組成結(jié)構(gòu)的板材較厚，板厚普遍為30～60 mm，中間設(shè)有12個(gè)圓形開孔，用于安裝減速裝置。因此，在制作過程中焊接變形較難控制，若控制不到位而達(dá)不到精度要求，不僅影響減速器的安裝，還對(duì)后續(xù)樁腿的升降有一定影響。本文主要研究通過改進(jìn)建造方法、改變裝配及焊接順序、預(yù)加反變形等手段有效控制固樁架建造過程中的變形，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低人工成本，得出一種最合理經(jīng)濟(jì)的建造模式，并已運(yùn)用于同類型產(chǎn)品的建造。

1 多孔式固樁架結(jié)構(gòu)建造

多孔式固樁架由上面板、中面板、下面板、側(cè)板及內(nèi)部加強(qiáng)筋等組成，一般分為上導(dǎo)向結(jié)構(gòu)和下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。在上導(dǎo)向結(jié)構(gòu)中，上、中、下面板均設(shè)有12個(gè)圓形開孔，主要用于安裝減速器。全船共有4根樁腿，每根樁腿周圍安裝有3個(gè)固樁架，固樁架下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)安裝在船體圍井內(nèi)，上導(dǎo)向結(jié)構(gòu)安裝在船甲板以上。固樁架主要通過其裝載的12臺(tái)減速器控制樁腿的升降，同時(shí)通過內(nèi)部安裝的導(dǎo)向塊防止并減小樁腿齒條升降時(shí)的碰撞摩擦。因此，對(duì)面板12個(gè)開孔處軸套以及內(nèi)部導(dǎo)向塊的安裝精度，有著非常高的要求。

在固樁架分段建造完成后，應(yīng)對(duì)固樁架進(jìn)行整體加工，主要是對(duì)鋼套孔、定位螺母、導(dǎo)向塊墊板等進(jìn)行加工，同時(shí)還要對(duì)導(dǎo)向塊進(jìn)行零件加工，待固樁架整體加工完成后再安裝導(dǎo)向塊，然后將固樁架上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)在地面合攏，結(jié)束后便可進(jìn)行總裝搭載。為保證安裝精度，搭載須最好具備2個(gè)條件，一是主船體貫通，上建1層、2層合攏結(jié)束；二是圍井結(jié)構(gòu)焊接結(jié)束。

固樁架在船體的搭載順序?yàn)橄仍诖装迳蟿澇龊蠑n基準(zhǔn)線，將固樁架進(jìn)行吊裝安裝，并調(diào)整定位，然后將固樁架之間的聯(lián)系梁進(jìn)行安裝，并調(diào)整到位。在完成焊前尺寸報(bào)驗(yàn)后，根據(jù)焊接工藝流程進(jìn)行焊接，最后完工尺寸報(bào)驗(yàn)后安裝減速器（見圖1）。

圖1 固樁架結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

2 固樁架主要建造流程優(yōu)化

2.1 結(jié)構(gòu)制作流程優(yōu)化

固樁架是一種雙層結(jié)構(gòu)，通常此類結(jié)構(gòu)的建造方式為先鋪下底板，然后逐層向上建造。這種建造方式在下層結(jié)構(gòu)蓋板后需要翻身焊接，然后再2次翻身，安裝上層結(jié)構(gòu)，非常不利于控制抬升結(jié)構(gòu)的整體變形。為了減少翻身，且有利于建造過程中變形的控制，變更后的抬升框架結(jié)構(gòu)建造的主要流程為先鋪中面板，然后安裝抗剪塊側(cè)結(jié)構(gòu)，蓋板翻身后安裝樁腿齒條側(cè)結(jié)構(gòu)，最后蓋板，整體結(jié)構(gòu)制作完成后，進(jìn)行3層鋼套的安裝（見圖2）。

圖2 結(jié)構(gòu)制作流程優(yōu)化示意圖

2.2 上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)預(yù)合攏

由于固樁架下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)安裝在船體圍井內(nèi)，上導(dǎo)向結(jié)構(gòu)安裝在船甲板上部，所以一般在圍井建造完成后就將下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)安裝在圍井里，然后吊裝固樁架上導(dǎo)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭載。但是，由于下導(dǎo)向已與圍井結(jié)構(gòu)焊接在一起，上導(dǎo)向搭載時(shí)的調(diào)節(jié)工作量較大，尺寸難以控制，上導(dǎo)向結(jié)構(gòu)焊接后更易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，且建造周期較長(zhǎng)。因此，將上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)在地面進(jìn)行預(yù)合攏，將合攏縫在地面完成，從而減少了高空作業(yè)，也可有效保證上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的整體尺寸，且提高了固樁架的安裝效率，縮短了建造周期（見圖3）。

圖3 上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)預(yù)合攏現(xiàn)場(chǎng)情況

3 合理化小組立制作

3.1 固樁架的制作難題

在固樁架制作過程中會(huì)遇到2大難題，一是由于組成固樁架板材較厚，且基本都為全熔透焊縫，較大的焊接量導(dǎo)致焊接變形無法控制；二是抬升框架制作，狹小空間比較多，現(xiàn)場(chǎng)施工人員焊接很困難。為了解決上述問題，采用增加小組立制作的模式，從而控制焊接變形，減少制作的人工成本。

3.2 原零件散裝分析

原振海系列鉆井平臺(tái)固樁架在制作時(shí)，中面板兩側(cè)零件均為散裝，所有人員都集中在中組場(chǎng)地作業(yè)，人員得不到有效利用，導(dǎo)致工期較長(zhǎng)，且零件散裝導(dǎo)致中面板焊接變形較大，火工矯正工作量較多。若采用這種建造模式，單個(gè)抬升框架建造周期較長(zhǎng)，所需人工較多，不利于控制建造成本（見圖4）。

圖4 固樁架結(jié)構(gòu)零件散裝示意圖

3.3 增加小組立制作分析

現(xiàn)將風(fēng)電平臺(tái)固樁架制作流程加以改進(jìn)，增加小組立制作，可將小組制作和結(jié)構(gòu)中組分2塊場(chǎng)地同時(shí)進(jìn)行，人員得到充分利用，且能縮短工期。同時(shí)，部分焊接工作可在小組階段完成。在中組過程中，基本只有下口平焊，因而減少了整體焊接變形。按照這種建造模式，可縮短建造周期，有效控制成本（見圖5）。

圖5 增加小組立制作示意圖

3.4 增加小組立制作優(yōu)點(diǎn)

在節(jié)省人工成本的同時(shí)，通過增加小組立制作還有2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是由于抬升結(jié)構(gòu)零件排布緊密，空間狹小，通過小組立制作能夠減少拼裝階段狹小空間施焊，提高焊接質(zhì)量；二是通過小組立制作能夠減少拼裝階段的焊接工作，更有效地控制焊接變形以及裝配尺寸精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

這種小組立建造模式的思路同樣適用其他同類產(chǎn)品的建造，也對(duì)以后的編制工藝提出了較高要求，即做好零件小組立與散裝的合理分配以減少制作成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。然而，在實(shí)施過程中需要注意的是，不能一味地追求更多的小組立制作，還應(yīng)考慮小組立安裝后是否影響其他結(jié)構(gòu)的焊接。如果有影響則部分零件應(yīng)選擇散裝，這就要求除在模型中模擬每個(gè)組件安裝后的施焊空間外，還應(yīng)考慮如何組合零件形成小組立，達(dá)到盡可能多的增加小組立也要滿足施焊空間的效果。

4 建造過程中反變形的整體控制

4.1 反變形控制的必要性

在固樁架建造過程中，由于焊接量大且多次翻身，結(jié)構(gòu)整體焊接結(jié)束后中部會(huì)有下?lián)?，如果不加以控制后期火工工作量很大，且不易調(diào)整到位。而且，根據(jù)工藝要求，同一部位不得火工超過2次，對(duì)后期火工調(diào)整難度極大。因此，在結(jié)構(gòu)建造過程中必須合理化控制拱度，進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，保留測(cè)量數(shù)據(jù)的過程文件，以更有利于固樁架的整體成型。

4.2 反變形數(shù)據(jù)的收集

為了初始鋪板的中面板找到合適的反變形加放量，減少后期火工矯正量，提高制作精度，現(xiàn)場(chǎng)通過對(duì)3個(gè)固樁架中面板分別加放+10 mm、+20 mm、+25 mm的反變形量，記錄施工過程中每階段的分段中部上拱及下?lián)蠑?shù)值，待最終整體成型時(shí)分段拱度值分別為+3 mm、+13 mm、+18 mm。此時(shí)，為了不影響結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，考慮到3層鋼套焊接后會(huì)有下?lián)?，故而統(tǒng)一將3個(gè)分段盡量火工矯正至上供+10 mm，待3層鋼套焊接完成后經(jīng)數(shù)據(jù)記錄，平面度均在±2 mm以內(nèi)，符合精度要求。反變形數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 反變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) mm

4.3 反變形量的確定

綜合現(xiàn)場(chǎng)反變形量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，通過反推計(jì)算可得10-22+7+13+9＝17 mm，在中面板加放+17 mm拱度值后，制作過程中無需再火工矯正，整體成型時(shí)配合局部火工，控制拱度+10 mm，然后安裝鋼套并完成焊接。以此方法可得出最合理的初始中面板反變形量值，即在中面板鋪板階段面板中部加放+17 mm拱度；在第1層結(jié)構(gòu)裝焊結(jié)束后，經(jīng)測(cè)量結(jié)構(gòu)中部仍會(huì)上拱+8 mm；在第1層結(jié)構(gòu)蓋板焊接后進(jìn)行翻身，翻身后再次測(cè)量，結(jié)構(gòu)中部下?lián)蠟?5 mm；隨后安裝另一側(cè)結(jié)構(gòu)，裝焊并蓋板結(jié)束后中部下?lián)蠟?12 mm；最后再次翻身，所有結(jié)構(gòu)焊接結(jié)束后中部會(huì)上拱+10 mm，在此狀態(tài)下進(jìn)行3層鋼套的安裝，鋼套焊接結(jié)束后配合局部火工矯正，可以基本保證固樁架結(jié)構(gòu)的整體平面度（見圖6）。

圖6 建造過程中結(jié)構(gòu)反變形的控制示意圖

通過上述實(shí)驗(yàn)，可得出反變形加放的最優(yōu)值，保證了產(chǎn)品建造的精度，也減少了后期大量的火工的工作量，大大降低了人工成本。該實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了過程控制的重要性，同時(shí)保留必要的過程數(shù)據(jù)，增加每個(gè)過程的精度檢測(cè)并在過程中控制，也是不可缺少的控制變形的手段。

5 抗剪塊焊接變形控制

5.1 抗剪塊加工

抗剪塊是固樁架與減速器之間連接的一種結(jié)構(gòu)，主要作用是為固樁架減速器增加剪切力，降低減速器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)。因此，抗剪塊通常為較厚的鍛件，抗剪塊兩側(cè)均為加工面，待安裝至固樁架結(jié)構(gòu)后再進(jìn)行整體加工，以保證后期減速器安裝的精度要求。雖然在鍛件制作階段抗剪塊兩側(cè)均已加放10 mm的加工余量，但在實(shí)際施工過程中抗剪塊與縱向腹板3面焊接，與蓋板一圈焊接，較大的焊接量會(huì)導(dǎo)致抗剪塊尺寸跑偏，使原有加工余量不夠，只能現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行堆焊處理，為了避免這種情況的發(fā)生，可通過加放定位余量和合理焊接順序去控制（見圖7）。

圖7 抗剪塊加工情況

5.2 加放定位收縮余量

為了避免焊后收縮，在抗剪塊與縱向腹板裝配定位時(shí)以中間抗剪塊為基準(zhǔn)，向兩側(cè)安裝定位時(shí)依次加放收縮余量+2 mm、+4 mm、+6 mm、+8 mm，在焊接完成后經(jīng)檢測(cè)基本可以達(dá)到理論尺寸；同時(shí)在鍛件制作階段抗剪塊高度方向加放5 mm補(bǔ)償余量，以避免焊接后抗剪塊高度下降，導(dǎo)致抗剪作用力不夠，從而影響結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。

5.3 加合理焊接順序

在焊接抗剪塊時(shí)，應(yīng)注意焊接的順序，以第3排鋼套中心線為基準(zhǔn)，3排抗剪塊均由中間抗剪塊開始按照?qǐng)D8所示1、2、3、4的順序進(jìn)行間斷跳焊，避免受熱集中。在單排抗剪塊焊接時(shí)，按照?qǐng)D8所示1、2的順序先焊接中間抗剪塊，再焊接兩側(cè)的抗剪塊。在單個(gè)抗剪塊焊接時(shí)，先進(jìn)行立角焊接，再進(jìn)行平角接。按照該焊接順序可大大減少焊接引起的變形，從而控制抗剪塊尺寸精度。

圖8 抗剪塊定位余量加放及焊接順序示意圖

6 鋼套安裝焊接變形控制

6.1 鋼套加工

風(fēng)電安裝船共有12個(gè)固樁架，每個(gè)固樁架有3層面板，每層面板需安裝12個(gè)鋼套，鋼套均為鍛件并與面板的一圈焊縫為全熔透焊縫。由于較大的焊接量會(huì)導(dǎo)致焊接變形，為更好地控制焊接變形，必須將3層鋼套在結(jié)構(gòu)整體焊接完成后再單獨(dú)安裝。3層鋼套的內(nèi)圈直徑均加放單邊10 mm的加工余量，確保后期減速器能順利安裝并與鋼套充分接觸，最上層鋼套上表面加放10 mm加工余量，以控制減速器落位后的水平。在實(shí)際焊接后，鋼套因焊接收縮會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)，內(nèi)徑單邊10 mm的加工余量可能不夠，為了避免這種情況的發(fā)生，可通過2種方式控制。

6.2 加放定位收縮余量

為了避免焊后收縮，在鋼套與3層面板定位時(shí)以中間鋼套為基準(zhǔn)，向長(zhǎng)度方向安裝定位時(shí)依次加放收縮余量為+1.5 mm、+3 mm、+4.5 mm；寬度方向以中心線為基準(zhǔn)，向兩側(cè)割加放收縮余量+0.5 mm，這樣在焊接結(jié)束后即可達(dá)到理論尺寸。另外，與3層鋼套相連的結(jié)構(gòu)除面板外還有部分筋板，而面板和筋板是在結(jié)構(gòu)制作成型階段已安裝好，焊接結(jié)束后尺寸會(huì)移動(dòng)。因此，在安裝鋼套前應(yīng)將所有與鋼套相連的面板開孔及筋板單邊加放15 mm的修割余量，待鋼套安裝前根據(jù)實(shí)際尺寸進(jìn)行劃線修割，打磨光順后安裝鋼套，這樣即可避免鋼套安裝后存在裝配間隙需要堆焊的問題（見圖9）。

圖9 斜3層鋼套定位余量加放情況

6.3 軸承座定位工裝的設(shè)計(jì)

為了有效控制軸承座焊接后的變形，提高軸承座定位安裝的精度很重要，風(fēng)電安裝船設(shè)有12個(gè)固樁架，單個(gè)固樁架設(shè)有10個(gè)軸承座，單個(gè)質(zhì)量為612 kg，通常安裝方式為在結(jié)構(gòu)上焊接固定擋塊，將軸承座吊裝落入。在定位時(shí)，高度方向用千斤頂調(diào)整，長(zhǎng)寬方向用鐵砧配合調(diào)整。由于軸承座自身較重，調(diào)整較復(fù)雜，且對(duì)設(shè)備的需求量較大，施工難度也較高。

考慮到軸承座吊裝后需要脫鉤，在結(jié)構(gòu)下部需要設(shè)置固定擋塊，但脫鉤后軸承座尺寸較大且精度高，必須要用布置在4個(gè)角的千斤頂進(jìn)行調(diào)整；為了現(xiàn)場(chǎng)施工的便利性，用M35螺母焊接在固定擋塊進(jìn)行上下調(diào)節(jié)，不用千斤頂即可將此改良后的固定擋塊安裝在軸承座下口的4個(gè)角，高度方向可用扳手靈活升降調(diào)節(jié)定位，再配合長(zhǎng)寬方向鐵砧調(diào)節(jié)，可迅速完成軸承座的定位，大大提高軸承座安裝定位的精準(zhǔn)度。

該軸承座定位工裝使用的鐵塊和M35螺栓均為常用材料，材料成本低，施工現(xiàn)場(chǎng)均可找到，可減少千斤頂?shù)氖褂?，使軸承座的調(diào)節(jié)更靈活，方便現(xiàn)場(chǎng)施工，提高施工效率，已投入使用，并得到推廣（見圖10）。

圖10 軸承座定位工裝情況

6.4 合理焊接順序

在焊接鋼套時(shí)，先焊接中間層鋼套，根據(jù)焊接變形情況校核基準(zhǔn)線，然后再焊接上層和下層鋼套；在單層鋼套焊接時(shí)，以第3排鋼套中心線為基準(zhǔn)，安排12人按照?qǐng)D11中1、2的順序同時(shí)焊接；在單個(gè)鋼套焊接時(shí)，2人同時(shí)按圖11中1、2的順序?qū)ΨQ焊接。按照這種方案焊接，可以減少局部受熱所產(chǎn)生的變形，提高鋼套焊后的尺寸精度。

圖11 3層鋼套安裝及焊接順序示意圖

7 結(jié)語

本文主要研究通過優(yōu)化建造流程、加放反變形、合理化小組立等手段控制固樁架結(jié)構(gòu)的整體焊接變形，并對(duì)抗剪塊及鋼套焊接變形提出了有效的控制方法。目前，該方案已運(yùn)用于風(fēng)電安裝船多孔式固樁架項(xiàng)目的建造，不僅有效地控制了焊接變形，提高了生產(chǎn)效率，縮短了建造周期，而且在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)提高了產(chǎn)品質(zhì)量。