譚親兵

摘 要：本文針對(duì)深海采礦船大型水下采礦設(shè)備布放回收系統(tǒng)A架吊機(jī)高精度的安裝要求，通過(guò)對(duì)船舶結(jié)構(gòu)的受力、安裝精度、安裝方法及安裝過(guò)程質(zhì)量控制方法的研究，制定合理的安裝工藝，從而達(dá)到提高安裝精度，確保安裝質(zhì)量達(dá)到設(shè)備廠家的要求。

關(guān)鍵詞：有限元；安裝精度；變形控制；焊縫檢驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U662 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：In order to meet the high installation precision for A-Frame crane of large subsea mining equipment launching and recovery system for deep-sea mining vessel， a reasonable installation technology has been developed after the investigation and analysis on ship hull structure and reinforcement， requirement of installation precision， installation method and method of process quality control to improve the assembly precision and ensure that the installation quality can be accepted by the crane vendor.

Key words：FEA； Installation Precision； Deformation control； Weld inspection

1 概述

深海中蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，我國(guó)深海采礦裝備研究主要是結(jié)合國(guó)際海域礦產(chǎn)資源勘探工作開(kāi)展，在多金屬硫化物開(kāi)采技術(shù)方面的研究基本上還是空白。我司目前承建的世界首制深海采礦船可開(kāi)采1 500 m水深的多金屬硫化物，根據(jù)采礦作業(yè)特點(diǎn)，需要經(jīng)常使用大型A架吊對(duì)水下大型采礦設(shè)備進(jìn)行下放和回收，其兩側(cè)跨度長(zhǎng)，焊接量大，安裝定位精度要求高，對(duì)現(xiàn)行的安裝工藝方法帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文通過(guò)對(duì)A架吊焊接變形控制，安裝定位精度，過(guò)程質(zhì)量控制方法的研究，為設(shè)備的實(shí)船安裝制定了切實(shí)可行的工藝方案。

2 有限元分析

根據(jù)ABS相關(guān)規(guī)范，對(duì)該船310 t A架吊基座及其下結(jié)構(gòu)有限元建模計(jì)算。根據(jù)A架吊的安裝位置，建立從船舶尾封板至FR27橫艙壁、二甲板至主甲板的有限元艙段模型，該艙段采用板梁組合結(jié)構(gòu)模型。主甲板下3 m所有結(jié)構(gòu)為高強(qiáng)度鋼（355 Mpa），其余為普通碳素鋼。根據(jù)A架吊系統(tǒng)的實(shí)際使用要求對(duì)各工況進(jìn)行強(qiáng)度校核分析。

計(jì)算時(shí)是根據(jù)規(guī)范取1.25的安全系數(shù)，結(jié)果強(qiáng)度滿足規(guī)范和設(shè)備的使用要求。該結(jié)構(gòu)為強(qiáng)受力構(gòu)件，因而對(duì)設(shè)備的裝配和安裝精度要求高。

3 安裝工藝研究

3.1 安裝形式及要求

310 t A架吊散裝供貨，現(xiàn)場(chǎng)組合、安裝。如圖1所示，A架安裝精度要求兩側(cè)鉸鏈中心間距15.6 m，安裝誤差±3 mm，鉸鏈孔同軸度為±3 mm?；笥覂蓚?cè)高度近7 m，直接焊接在100 mm的EH36甲板面上，要求全焊透。左側(cè)基座帶連接絞車的滑輪及伸縮液壓油缸，重量為50 t，與甲板的焊接周長(zhǎng)約為19 m，其中壁厚40 mm的對(duì)角焊約3 m，120 mm的對(duì)角焊約16 m。右側(cè)基座重量為34 t，與甲板的焊接周長(zhǎng)約為15 m，其中壁厚40 mm的對(duì)角焊約6 m，120 mm的對(duì)角焊約9 m。

EH級(jí)鋼低溫沖擊性能好，但易產(chǎn)生冷裂紋。船廠根據(jù)AWS標(biāo)準(zhǔn)及ABS規(guī)范的要求，采用焊接新技術(shù)、新工藝和新材料對(duì)厚板EH級(jí)高強(qiáng)度鋼的焊接性能進(jìn)行了一系列試驗(yàn)和分析，最后確定為陶質(zhì)襯墊CO2氣體保護(hù)焊單面焊，并配合預(yù)熱工藝措施，制定了EH級(jí)高強(qiáng)度鋼焊接工藝規(guī)程WPS指導(dǎo)生產(chǎn)。

中心跨距15 m遠(yuǎn)的基座處的甲板分處在兩個(gè)分段上，CSQS標(biāo)準(zhǔn)每檔肋距變形允許極限值是6 mm，根據(jù)船舶建造經(jīng)驗(yàn)兩處大平面長(zhǎng)距離的平行度通常只能控制在10 mm以內(nèi)，難以滿足WPS的焊接間隙4～12 mm的要求。

綜上安裝同軸度及焊接工藝規(guī)程WPS的要求，需要對(duì)基座底部甲板面焊接區(qū)域進(jìn)行機(jī)加工。單側(cè)基座底部甲板面焊接區(qū)域機(jī)加工后的平面度為0.6 mm，兩側(cè)基座底部甲板面焊接區(qū)域機(jī)加工后的平行度為1 mm。

A架基座底部的焊接坡口已經(jīng)由設(shè)備供應(yīng)商按要求開(kāi)設(shè)好，焊接節(jié)點(diǎn)如圖2所示，裝焊鋼襯墊前要求在內(nèi)場(chǎng)清除坡口表面油漆。鋼襯墊與母材材質(zhì)一致，鋼襯墊斜坡口采用機(jī)加工設(shè)備加工，厚度20 mm，高度30 mm，鋼襯墊與底座接觸的下邊緣先點(diǎn)焊，上邊緣連續(xù)焊，鋼襯墊突出基座底部長(zhǎng)度為6±0.5 mm。

3.2 甲板面現(xiàn)場(chǎng)機(jī)加工的關(guān)鍵技術(shù)

甲板面機(jī)加工存在著超寬距離加工，現(xiàn)場(chǎng)加工精度要求相對(duì)較高，單個(gè)基座墊板加工面積大的難點(diǎn)。

為達(dá)到加工要求，設(shè)計(jì)考慮采用三維龍門式結(jié)構(gòu)銑床，加工效率高且能保證加工精度，確保兩側(cè)基座墊板的平行度達(dá)到要求。

3.3 吊裝定位

（1）準(zhǔn)備起吊前要檢查吊具質(zhì)量檢驗(yàn)的合格有效期內(nèi)，確保起吊過(guò)程的安全；

（2）基座翻轉(zhuǎn)過(guò)程，需要采用兩個(gè)吊鉤分別控制收放，小心翻至正裝位置；

（3）采用拉琴絲線的方式，建立兩側(cè)基座定位的理論中心線；

（4）調(diào)整測(cè)量定位；

（5）用鋼板尺測(cè)量鋼絲線到鉸鏈孔壁的上下左右四個(gè)方向的距離，配合使用千斤頂來(lái)調(diào)整兩側(cè)基座的位置；

（6）基座定位后，在基座的兩側(cè)安裝臨時(shí)支撐，將兩側(cè)基座與甲板臨時(shí)固定。endprint

3.4 焊接變形控制

高強(qiáng)度鋼中厚板焊接時(shí)要嚴(yán)格按照WPS逐步施焊，并派專人監(jiān)護(hù)，進(jìn)行變形測(cè)量監(jiān)控，及時(shí)采取措施，盡量減少焊接變形。

（1）A架的焊接為多層多道焊，分3部分完成。第1部分焊接3層，第 2部分焊接一半坡口深度，第3部分完成蓋面焊及光順過(guò)渡。每層每道焊縫分成多段焊接，后一道焊縫的接頭（熄弧處）應(yīng)與前一道焊縫的接頭錯(cuò)開(kāi)30 mm左右。

（2）第1部分前3層焊縫應(yīng)一次施焊完成。如圖3所示，前道焊縫焊完2段后就開(kāi)始焊下一道焊縫。其余部分焊縫，前一層焊完后再焊后一層焊縫。

（3）右側(cè)基座的焊縫分成4段，由4人同時(shí)施工。每個(gè)焊工分別從a、b、c、d 4個(gè)位置開(kāi)始焊接，到e或f位置結(jié)束，見(jiàn)表1及圖4。

（4）左側(cè)基座的焊縫分成11段，由5～6人同時(shí)施工。每個(gè)焊工焊接開(kāi)始和結(jié)束位置如表2及圖5。

（5）每段焊縫應(yīng)分段退焊，焊接起弧和熄弧應(yīng)避開(kāi)結(jié)構(gòu)端頭折角位置至少50 mm，焊接過(guò)程中應(yīng)測(cè)量并記錄鉸鏈孔內(nèi)壁上下左右到鋼絲線中心的四個(gè)徑向距離，實(shí)際可根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)適當(dāng)調(diào)整焊接順序。

3.5 焊縫質(zhì)量的監(jiān)控和檢驗(yàn)

在第1部分焊完冷卻后采用磁粉探傷及時(shí)檢查根部的焊接質(zhì)量，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)修補(bǔ)缺陷再焊接第2部分，隨后分別用超聲波在第2部分與第3部分焊完后進(jìn)行探傷并修補(bǔ)缺陷。

由于板厚，且只有一面可以接近的情況下，為確保無(wú)損探傷能全覆蓋被檢查的焊縫，以保證焊縫質(zhì)量100%全焊透，船廠進(jìn)行如下論證。

一般焊縫的晶粒較細(xì)，可選擇較高頻率；對(duì)厚板焊縫和材質(zhì)衰減明顯的焊縫，應(yīng)采用較低頻率探傷，以保證探傷靈敏度。該基座厚度達(dá)到120 mm，選擇2.5 MHZ的斜探頭，保證有足夠的探傷靈敏度。通過(guò)研究該基座采用70°和45°2種探頭進(jìn)行檢測(cè)。

因基座板材比較厚，選用多側(cè)一次波入射法，二次波不采用，具體方案為：如圖6探頭在1面檢測(cè)時(shí)O為入射點(diǎn)最大的檢測(cè)區(qū)域?yàn)锳BF，通過(guò)幾何計(jì)算，探頭采用70°角2.5 MHZ，移動(dòng)區(qū)域OD為102 mm，按垂直深度調(diào)節(jié)儀器時(shí)，因OC=43，H=80，所以顯示在超聲波儀器上的波形43～80之間的波形為缺陷波。如果在“1”面的甲板面上用二次波檢測(cè)時(shí)，如圖6所示最多只能檢測(cè)到REF區(qū)域，AER區(qū)域還是漏檢，而且用二次波檢測(cè)干擾波很多，不予考慮。通過(guò)“1”面的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)漏檢了AEB區(qū)域，需要在其它面對(duì)AEB區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。因“2”面有結(jié)構(gòu)不能檢測(cè)，只有到甲板下進(jìn)行補(bǔ)檢即“3”面進(jìn)行超聲波檢測(cè)。

在3面檢測(cè)示意圖如7，角∠EKX=arctan（EX/KX）=37°，選用45°角探頭大于37°符合要求。能夠檢測(cè)到E點(diǎn)探頭往后移動(dòng)，入射點(diǎn)到達(dá)N點(diǎn)時(shí)波形剛好能夠通過(guò)F點(diǎn)到達(dá)A點(diǎn)，采用45°探頭在“3”面檢測(cè)，因?yàn)榻恰螹NF=角∠AFE=45°。所以在“3”面探頭的移動(dòng)區(qū)域KN=EF=50 mm。其中第一次入射點(diǎn)到焊腳的距離KP為35。

通過(guò)上述計(jì)算，采用45°角探頭能夠?qū)EF區(qū)域全掃查，保證100%的超聲波檢測(cè)。因?yàn)锳Q=73，甲板厚為100，在不考慮其它波形影響的情況下在超聲波儀器上顯示的100～173之間的波形就為缺陷波（按垂直深度調(diào)節(jié)儀器）。因?yàn)樵凇?”面檢測(cè)時(shí)干擾波比較多比較難判斷，只能作為1面檢測(cè)的補(bǔ)充檢驗(yàn)。通過(guò)1面和3面的配合檢測(cè)可以看出，用超聲波可以對(duì)該基座的全焊透區(qū)域AEF進(jìn)行100%檢測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

各主要設(shè)備的定位安裝結(jié)束后，將根據(jù)設(shè)備廠家指導(dǎo)組裝A架、調(diào)試、上鋼纜及負(fù)荷試驗(yàn)。本文通過(guò)研究和大量實(shí)驗(yàn)，專門編制了大型A架吊基座的焊接和安裝工藝，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)加工設(shè)備加工船體甲板面，焊接變形控制，安裝精度控制等措施確保A架吊安裝達(dá)到設(shè)備廠家給定的精度要求，并且工藝通過(guò)了ABS船級(jí)社審核，為后續(xù)該類型船舶設(shè)備的安裝提供了參考。

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