朱萬(wàn)林，李 季，孟祥婷，高濟(jì)寧

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

0 引 言

海洋工程中接地點(diǎn)的設(shè)置與連接工作需求量很大，比如一些平臺(tái)、撬塊和船舶的實(shí)體建造，許多設(shè)備都需要接地固定裝置。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已開(kāi)始研發(fā)、利用新技術(shù)，生產(chǎn)和投入使用一種在火藥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研發(fā)而成的接地螺絲釘。目前國(guó)內(nèi)仍在采用傳統(tǒng)的焊接手法，不僅工作效率很低，而且會(huì)在很大程度上破壞整體的建造結(jié)構(gòu)和已完成的防腐工作。

依照實(shí)際需要，傳統(tǒng)的接地螺柱固定方法是通過(guò)焊接將接地螺柱與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備或金屬固定設(shè)施直接相連。目前將安裝接地螺柱分為安裝在設(shè)備和安裝在平臺(tái)等實(shí)體結(jié)構(gòu)上2種。比如用電類(lèi)設(shè)施需安裝的接地柱，可在預(yù)先調(diào)制好之后直接焊接在需要的位置，并對(duì)整體設(shè)施進(jìn)行防腐處理。經(jīng)過(guò)提前預(yù)制和防腐處理的接地柱才可安裝在結(jié)構(gòu)上，安裝在相應(yīng)的位置之后對(duì)焊接點(diǎn)進(jìn)行打磨和二次防腐。

傳統(tǒng)安裝形式的優(yōu)點(diǎn)包括：生產(chǎn)要求低、工藝簡(jiǎn)單、材料價(jià)廉和成本低。傳統(tǒng)安裝形式的缺點(diǎn)包括：

1) 使涂層遭到破壞，影響表面的平整度和美觀，與涂裝施工之間存在矛盾，在完成涂裝之后，若有漏焊的問(wèn)題，就比較難處理。

2) 需首先對(duì)涂層進(jìn)行加工前的處理，然后進(jìn)行焊接工作，在完成焊接之后再對(duì)涂層進(jìn)行對(duì)應(yīng)的修補(bǔ)完善，工序復(fù)雜，耗時(shí)較長(zhǎng)。

3) 焊接工作需由專業(yè)的技術(shù)工人完成。

4) 對(duì)大部分焊接點(diǎn)的要求是精細(xì)化操作，而操作人員的操作結(jié)果具有不確定性。

5) 工程進(jìn)度緩慢，會(huì)增加成本。

6) 對(duì)環(huán)境要求較高，例如通風(fēng)不好不僅會(huì)傷害操作人員，而且會(huì)影響焊接質(zhì)量。

1 以火藥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的螺紋釘緊固系統(tǒng)

以當(dāng)前市場(chǎng)上的主要產(chǎn)品 X-BT（Hilti）為例，結(jié)合整個(gè)火藥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)接地螺紋釘固定情況展開(kāi)分析，可知目前該品牌的緊固系統(tǒng)已占據(jù)市場(chǎng)份額的90%以上。

1.1 直接緊固系統(tǒng)的原理

直接緊固系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。基于火藥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的接地螺絲釘安裝原理為：依靠火藥瞬間燃燒產(chǎn)生的巨大推力，推動(dòng)推桿引導(dǎo)裝置，向基材預(yù)鉆孔中釘入接地螺紋釘，該過(guò)程產(chǎn)生相當(dāng)大的熱量，小范圍的射釘區(qū)域會(huì)因受熱而發(fā)生變形，然后迅速凝固，以此在基材中牢固固定。與直接用火藥推動(dòng)螺紋釘?shù)姆绞讲煌菁y釘之所以能將速度控制在100m/s左右，是因?yàn)橥茥U裝置能吸收小部分動(dòng)能[1]。

螺紋釘是一種固定件，一般用于接地連接，在基材中，螺紋釘固定以后即可擰緊電纜接地柱。平頭螺紋釘樣式見(jiàn)圖2，射釘接地安裝示意見(jiàn)圖3。

圖1 直接緊固系統(tǒng)原理

圖2 平頭螺紋釘樣式

圖3 射釘接地安裝示意

1.2 直接緊固的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

相比傳統(tǒng)的焊接安裝方式，直接緊固系統(tǒng)有相當(dāng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，主要分為以下幾點(diǎn)：

1) 避免重復(fù)工作。傳統(tǒng)焊接的缺點(diǎn)是在焊接時(shí)會(huì)損壞涂層，在完工時(shí)需進(jìn)行二次加工維護(hù)；而直接緊固系統(tǒng)則直接進(jìn)行安裝。預(yù)先在需安裝螺紋柱的基材上打出一個(gè)直徑4mm、深6mm的小孔，利用具有火藥推動(dòng)系統(tǒng)的射釘槍推桿，由機(jī)械擠壓變形和摩擦產(chǎn)生高溫，在此情況下向預(yù)鉆孔內(nèi)打入平頭螺紋釘并牢固連接螺紋釘和基材，整個(gè)過(guò)程能保證螺紋釘自帶的橡膠圈嚴(yán)格密封結(jié)合面，不破壞基材本身的整體防腐性，不用增加其他任何防火裝置，由此避免重復(fù)工作，降低勞動(dòng)成本。

2) 靈活安裝。傳統(tǒng)的安裝方式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)工，而且需專業(yè)人員進(jìn)行操作。與之相比，在采用直接緊固方式時(shí)，操作人員只需使用專用射釘槍和充電式電鉆即可輕松完成工作，平均每人每小時(shí)能完成100處緊固工作，速度大大提高。

3) 螺紋釘具有高防腐性。應(yīng)用具有超強(qiáng)防腐性的A4不銹鋼加工螺紋釘，能滿足具有高度防腐要求的海洋工程的需要。

4) 使用范圍較為廣泛。從對(duì)金屬基材的材料種類(lèi)、等級(jí)和幾何尺寸等方面的要求來(lái)看，采用預(yù)鉆孔安裝方法的接地螺紋柱的適應(yīng)能力很強(qiáng)。

1.3 直接緊固系統(tǒng)的接地應(yīng)用相關(guān)技術(shù)參數(shù)

1.3.1 接地螺紋釘直接緊固抗拉力學(xué)特性

拉拔試驗(yàn)在厚度4～20mm、以EN S 235開(kāi)始的不同等級(jí)基材上進(jìn)行，得到的接地螺紋釘（以下以“X-BT”表示）的抗拉力學(xué)特性見(jiàn)圖4和圖5[2]。

圖4 不同基材的極限拉力

圖5 不同基材厚度下極限拉脫力

由圖4和圖5可知：當(dāng)基材的厚度超過(guò)8mm時(shí)，鋼基材的極限拉力與基材的等級(jí)沒(méi)有關(guān)系，這時(shí)X-BT能承受的5%的極限拉力就已超出6000N；X-BT具有承受極限拉力的能力隨著基材等級(jí)的提高而增強(qiáng)的性質(zhì)。由此推斷，要想保證X-BT具有強(qiáng)大的緊固力，推薦使用厚度超過(guò)8mm的基材。

1.3.2 接地螺紋釘能牢固連接的原理

圖6為X-BT與基材結(jié)合面的細(xì)節(jié)放大圖[3]。對(duì)圖6中的現(xiàn)象進(jìn)行分析，可得到以下結(jié)論：

摩擦力和金屬熔焊 2種力量致使X-BT與基材的連接十分牢固，集中熱顯影、晶粒細(xì)化和界面處的材料擴(kuò)散現(xiàn)象正是熔焊主要特征的表現(xiàn)形式。

1.3.3 接地螺紋釘?shù)木唧w參數(shù)

根據(jù)IEC 60947-7-2的要求，接地端須能通過(guò)短時(shí)電流[4]，例如，在表面已做好防腐處理的8mm基材條件下，X-BT過(guò)載電流特性見(jiàn)表1。

根據(jù)EN 50164-1的相關(guān)測(cè)試要求，X-BT防雷接地性能見(jiàn)表2。

表2 X-BT防雷接地性能

2 射釘緊固方式對(duì)基材的影響

平頭接地螺紋釘X-BT不同于一般的直接緊固系統(tǒng)，需預(yù)先在基材上鉆好孔之后再進(jìn)行緊固安裝。因此，為驗(yàn)證其對(duì)基材的抗疲勞特性的影響，設(shè)計(jì)加速疲勞測(cè)試試驗(yàn)。

2.1 測(cè)試條件

加速疲勞測(cè)試共用19個(gè)系列合計(jì)約180個(gè)金屬樣片，利用瑞士聯(lián)邦材料測(cè)試與研究實(shí)驗(yàn)室（EMPA）的測(cè)試裝置[5]。測(cè)試系列涉及：4種不同標(biāo)號(hào)的鋼基材（S235JR、S355J2、S460M和S460G4+M）；3種不同的鋼基材厚度（8mm、20mm和40mm）；3種不同的載荷比（R=+0.5，+0.1，-1.0）；3種不同的安裝方法（首先安裝接地螺紋釘，在完成以后拿出；不安裝螺紋釘，但預(yù)先打孔；正常安裝）。

按照EN 10025-2標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)結(jié)構(gòu)鋼采用標(biāo)號(hào)S235JR和S355J2的鋼基材；按照EN 10025-4和EN 10225標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)機(jī)械熱軋細(xì)粒鋼采用標(biāo)號(hào)S460M和S460G4+M的鋼基材。

X-BT接地螺紋釘?shù)幕静僮饕笫遣牧系暮穸葹?mm，考慮正常安裝情況之外的2種安裝情況：

1) 螺紋釘安裝地點(diǎn)錯(cuò)誤，需拔出；

2) 預(yù)鉆孔地點(diǎn)出現(xiàn)錯(cuò)誤，不安裝螺紋釘。

測(cè)試中的載荷是固定載荷與R的往復(fù)動(dòng)載荷的比值，其中測(cè)試中使用S460M標(biāo)號(hào)鋼基材，當(dāng)測(cè)試的時(shí)，載荷的變化強(qiáng)度高達(dá)240N/mm2（見(jiàn)圖7）。

圖7 測(cè)試施加載荷特性

2.2 測(cè)試完成得到結(jié)果

測(cè)試發(fā)現(xiàn)：鉆孔底部出現(xiàn)裂紋，隨后出現(xiàn)斷面。測(cè)試樣品均是如此，最后失去效果。失效的金屬樣片見(jiàn)圖8。

圖8 失效的金屬樣品

總結(jié)對(duì)基材疲勞特性的影響為：

1) 鋼基材等級(jí)對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響基本上可忽略，S235型鋼的表現(xiàn)基本上與高強(qiáng)度鋼類(lèi)似；

2) 鋼基材的厚度對(duì)疲勞強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響；

3) 安裝方式不同對(duì)鋼基材的疲勞強(qiáng)度不產(chǎn)生明顯影響，隨著載荷比的減小，疲勞強(qiáng)度上升，當(dāng) R=1時(shí)，疲勞失效在金屬片自身的截面寬度過(guò)渡處發(fā)生，而不是在X-BT螺紋釘?shù)奈恢?，說(shuō)明X-BT不會(huì)造成疲勞強(qiáng)度減小。

2.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析測(cè)試結(jié)果

在此次測(cè)試中，只有當(dāng)載荷比R=-1時(shí)，未在結(jié)果分析中考慮。

以Eurocode 3為依據(jù)，將EN 1993-1-9:2005抗疲勞特性Δcσ定義為：在統(tǒng)計(jì)方差75%的信賴區(qū)間內(nèi)，當(dāng)2×106次循環(huán)之后出現(xiàn)5%失效率載荷時(shí)，測(cè)試載荷循環(huán)次數(shù)的對(duì)數(shù)。圖9為依據(jù)Eurocode 3進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)學(xué)推論，以該推論為依據(jù)，分類(lèi)測(cè)試樣品，結(jié)果見(jiàn)表3。

圖9 依據(jù)Eurocode 3進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)學(xué)推論

表3 依據(jù)EN 1993-1-9:2005對(duì)疲勞測(cè)試樣品進(jìn)行分類(lèi)

由此得到圖10所示的測(cè)試數(shù)據(jù)分析，可以看到，平頭接地螺紋釘?shù)陌惭b對(duì)基材的抗疲勞載荷性能并不產(chǎn)生明顯影響，且滿足規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)疲勞壽命要求。

圖10 測(cè)試數(shù)據(jù)與Eurocode 3中推薦抗疲勞壽命比較

3 分析具體工程案例中的成本

在用料的成本價(jià)格方面，采用傳統(tǒng)接地螺柱的焊接方法確實(shí)具有較大的優(yōu)勢(shì)，但考慮到人工成本和技術(shù)成本，利用該緊固系統(tǒng)的性價(jià)比更高。

下面以在建的某海工現(xiàn)場(chǎng)的撬塊組塊為例進(jìn)行分析，應(yīng)用的數(shù)據(jù)為現(xiàn)場(chǎng)采集的真實(shí)數(shù)據(jù)。接地端子在350～450范圍內(nèi)，這里以400個(gè)接地端子來(lái)計(jì)算。

3.1 材料成本計(jì)算

焊接消耗的固定成本包括焊條成本、補(bǔ)漆成本和用電成本，三者的計(jì)算說(shuō)明如下。

1) 焊條：焊接采用白鋼氬弧，型號(hào)為309，焊接點(diǎn)共400個(gè)。每根焊絲長(zhǎng)1m，每根焊絲能焊接30～40個(gè)焊點(diǎn)。按照目前最普通的焊絲的市場(chǎng)價(jià)格（ER309不銹鋼焊絲約54000元/t）計(jì)算焊接焊絲成本約為1870元。

2) 涂層油漆：焊接會(huì)損壞表面的油漆，因此在焊接完成之后要對(duì)焊接點(diǎn)進(jìn)行噴砂補(bǔ)漆，至少破壞4～6cm2，按照工藝要求至少補(bǔ)3遍油漆。400個(gè)破壞點(diǎn)，按照經(jīng)驗(yàn)，油漆用量為1.2L/m2，油漆的成本為285元/L（天津燈塔油漆），成本約為6840元。

3) 用電消耗：每個(gè)焊點(diǎn)用時(shí)約為 50s，使用的電源為 180A×23V，本地工業(yè)用電約為 1元/(kW·h)，計(jì)算400點(diǎn)約耗電費(fèi)500元。

綜上所述：焊接材料成本約為9210元；直接緊固系統(tǒng)成本每套成本為33.6元，400個(gè)固定點(diǎn)總成本為13440元。

3.2 工時(shí)計(jì)算

3.2.1 焊接人工時(shí)

焊接工藝比較復(fù)雜，主要包括焊前處理、焊接、焊后打磨處理、補(bǔ)漆前打磨處理和補(bǔ)漆，具體用時(shí)如下。

1) 焊前處理：每個(gè)焊點(diǎn)用時(shí)約1min，400個(gè)焊點(diǎn)總用時(shí)為7h。

2) 焊接時(shí)間：每個(gè)焊點(diǎn)用時(shí)約3min，總用時(shí)為20h。

3) 焊后打磨處理：每個(gè)焊點(diǎn)用時(shí)約2min，總用時(shí)為14h。

4) 補(bǔ)漆前打磨處理：每個(gè)焊點(diǎn)用時(shí)約1min，總用時(shí)為7h。

5) 補(bǔ)漆干燥時(shí)間（底漆，中漆，面漆）：按照經(jīng)驗(yàn)約為1h/m2，總用時(shí)為80h。

6) 焊接安裝接地線工效：M6×35長(zhǎng)度，35mm擰螺母時(shí)間15～20s，400個(gè)點(diǎn)時(shí)間合計(jì)為3h。

由此可得焊接總用時(shí)為131h（不包括各工序間銜接等待時(shí)間和檢驗(yàn)時(shí)間）。

3.2.2 采用直接緊固系統(tǒng)工時(shí)

每個(gè)固定點(diǎn)用時(shí)1min，工序包括鉆孔、射釘，總用時(shí)約為6.6h。

綜上所述，采用直接緊固系統(tǒng)所用工時(shí)相比傳統(tǒng)方式節(jié)省124.4h。

3.3 人工成本

通過(guò)上述計(jì)算，按照至少2個(gè)電工、1個(gè)焊工、1個(gè)油漆工（怠工至少2d，油漆干燥時(shí)間，根據(jù)廠房?jī)?nèi)部溫度決定，冬季可能延長(zhǎng)，夏季可能縮短，取平均值），工人每天工作8h計(jì)算，完成固定點(diǎn)固定需4～5個(gè)工作日；每個(gè)焊工日工資為350～450元，4個(gè)人工的成本估算共計(jì)5600～7200元，平均6400元。采用射釘固定方式1個(gè)工作日就可完成，人工成本最多350元。

3.4 綜合成本

焊接固定費(fèi)用為15610元；射釘固定費(fèi)用為13790元；對(duì)比傳統(tǒng)焊接固定方式，直接緊固系統(tǒng)綜合成本共節(jié)約1820元，節(jié)約時(shí)間為124.4h。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)理論分析和具體試驗(yàn)可得出：火藥驅(qū)動(dòng)直接緊固系統(tǒng)不僅在操作性、耐久性和安全性等方面比傳統(tǒng)的焊接螺柱方式更高效，而且在工程工作量和工程成本方面分別比傳統(tǒng)方式節(jié)約90%和15%左右，極具優(yōu)勢(shì)，且廣泛適用于海洋工程項(xiàng)目。