馮小東，王維玉，馬向前，李虎請，賈寶春，張永杰

（1. 鄭州天時海洋石油裝備有限公司，河南 鄭州 450000；2. 大連船舶重工集團(tuán)海洋工程有限公司，遼寧 大連 116000）

0 引 言

隨著我國海洋油氣開發(fā)的進(jìn)程不斷加快，適應(yīng)更深水域油氣勘探和開采的移動式海洋工程平臺越來越重要。自升式平臺在各類工程平臺中占有很大的市場份額，主要由平臺主體、樁腿、升降機構(gòu)和其他專用設(shè)備組成。樁腿齒條是自升式平臺的核心組成部分，承載著平臺的全部重量和載荷，樁腿齒條的材料和性能決定著自升式平臺的承載能力和適用的海域[1-2]。隨著平臺承載能力的提高和作業(yè)水深的增加，樁腿齒條的厚度越來越大。為解決適用于深海域自升式平臺的超厚度樁腿齒條（厚度≥210mm）的材料和制作工藝等方面的問題，對產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝進(jìn)行研究是現(xiàn)階段海工裝備企業(yè)亟待重點關(guān)注、重點突破的項目。

1 超厚度齒條的材料性能和公差尺寸要求

所涉項目對自升式平臺樁腿齒條的設(shè)計技術(shù)要求及超厚度齒條的材料和加工技術(shù)要求為：

1) 210mm超厚齒條的材料為可焊高強度調(diào)制鋼，牌號為ASTM A517GrQ，屈服強度為690MPa，抗拉強度＞790MPa，-40℃溫度下CVN沖擊值＞69J；

2) 齒條的模數(shù)為95，采用火焰切割一次成型，不再進(jìn)行其他后續(xù)成型加工；

3) 齒條的尺寸公差要求見表1。

表1 齒條的尺寸公差要求

2 影響超厚度齒條切割的關(guān)鍵因素的分析

對于厚度≤177.8mm 的齒條板切割，目前國內(nèi)外的切割技術(shù)已較為成熟并已得到廣泛應(yīng)用；對于厚度＞200.0mm的超厚度齒條板的切割，國內(nèi)尚無明確的應(yīng)用實例。這主要是由于板厚增加對切割工藝的要求更高，工程項目盡量慎用超厚度齒條，本文所述的超厚度齒條為目標(biāo)平臺將要應(yīng)用的新型齒條。該齒條板應(yīng)用的鋼板牌號為ASTMA517GrQ，其熔煉化學(xué)成分見表2。

表2 ASTM A517GrQ熔煉化學(xué)成分

2.1 合金成分對鋼材切割的影響

鋼材中合金元素的成分和含量不同會改變鋼材的相變點溫度，改變共析點S的位置，改變Y相區(qū)的形狀、大小和位置[3]。此外，合金的結(jié)晶溫度區(qū)間越寬，合金的流動性越差。在熔煉大厚板時，適當(dāng)增加合金元素的含量有助于保證板材的綜合力學(xué)性能，但可能會使鋼材的流動性更差。

鋼板常用的切割下料方式有火焰切割、等離子切割、激光切割和水切割等。但對于超厚度的齒條鋼板而言等離子切割和激光切割無優(yōu)勢。經(jīng)濟(jì)環(huán)保的水切割同樣無明顯優(yōu)勢。因此，在目前的技術(shù)條件下，超厚鋼板的切割采用的還是操作相對復(fù)雜、技術(shù)要求較高的火焰切割方式。

鋼板中合金元素銅、鉻、鎳、錳等的含量過高會增加切割難度，不利于火焰切割。

2.2 厚度增加對切割的影響

當(dāng)利用火焰切割技術(shù)加工零件時，鋼板切口下部的氧氣流量越小、純度越低，氣流挺度越弱，工件越厚，上述現(xiàn)象越明顯，切割表面越易產(chǎn)生弧度。切割時上下燃燒不均勻會使切割質(zhì)量變差。另外，切割是對局部進(jìn)行快速加熱，在熱量傳遞過程中，溫度分布并不均勻，切割邊附近的冷卻收縮與其他部分的冷卻收縮不一致，這會使工件產(chǎn)生熱變形，對于超厚板來說引起熱變形的可能性會更大[4]。

3 超厚度齒條切割關(guān)鍵點及解決方法

齒條最后的精度尺寸是評定齒條切割成功與否最主要的條件之一，保證齒條一次性切割成型之后的尺寸符合要求尤為重要。影響切割質(zhì)量的因素有很多，大致可分為內(nèi)因和外因。內(nèi)因即鋼板的成分、厚度和表面狀態(tài)等；外因即氧氣含量、預(yù)熱溫度、切割速度和切割參數(shù)等。

為解決超厚齒條切割易出現(xiàn)的問題，采用以下措施：

1) 嚴(yán)格控制鋼板自身的平整度；對承載平臺進(jìn)行改進(jìn)，以便在平臺上放置鋼板后受力均勻，整體平整度符合要求。

2) 改進(jìn)鋼板固定約束工藝，結(jié)合定向約束法對鋼板四周進(jìn)行約束，防止鋼板飛邊彎曲變形影響成品齒條的精度。

3) 在切割完成之后，對成品齒條進(jìn)行保溫緩冷，起到防裂紋和防變形的作用。

4) 嚴(yán)格控制鋼板表面的狀態(tài)，清除表面的銹漬、油污等；適當(dāng)提高鋼板切割前的預(yù)熱溫度。

5) 嚴(yán)格控制氧氣和燃?xì)獾募兌龋辉谇懈钋皩υ性O(shè)備的氣路管道系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，保證硬件設(shè)施達(dá)到要求；在切割時保證氧氣壓力和燃?xì)鈮毫Φ姆€(wěn)定。

803 活化誘導(dǎo)胞嘧啶核苷脫氨酶在系統(tǒng)性紅斑狼瘡患者腎組織中的表達(dá)及臨床意義 李 楊，黃鄧高，曹 卉，鄭琳麟，高元慧，范忠誠

6) 優(yōu)化相應(yīng)規(guī)范，根據(jù)合理的切割工藝規(guī)范，對氧氣壓力、預(yù)熱溫度、切割速度和切割參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，獲取適合大厚度齒條的材質(zhì)和厚度。

4 超厚度齒條切割工藝

超厚度齒條的制作環(huán)節(jié)需具有技術(shù)積累、設(shè)備能力和管理能力，并按照合理的工藝程序完成。制定合理的工藝流程可減少切割工作的盲目性，提高工作效率。大厚齒條的工藝完全按照圖1所示的流程制定。

圖1 工藝制定流程圖

采用ASTM A517 GrQ的調(diào)制鋼板，鋼板中含有較多的合金元素，有些合金元素可能會提高鋼板的冷裂敏感性，在火焰切割齒條時可能會出現(xiàn)淬硬組織，因此必須在切割前進(jìn)行預(yù)熱，在切割后進(jìn)行保溫緩冷。根據(jù)合金鋼切割預(yù)熱溫度的計算式[5]進(jìn)行分析可知，工件的碳當(dāng)量越大、厚度越厚，切割時的預(yù)熱溫度就越高。對于本文所述超厚齒條來說，經(jīng)計算，碳當(dāng)量Cep= 0 .79，Tph=305℃。而在實際生產(chǎn)中，車間的環(huán)境溫度、工況條件和生產(chǎn)效率等對產(chǎn)品的預(yù)熱溫度設(shè)定都有一定的影響，結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗將切割前的預(yù)熱溫度確定為170～200℃。

采用火焰切割鋼板件時，若要獲得良好的切割表面質(zhì)量，必須有一個完善的切割工藝規(guī)范。特別是在切割超厚度鋼板件時，更需使氣割氧氣壓力、行走速度等工藝參數(shù)完美結(jié)合。在切割大厚度鋼件時，由于氧氣壓力較高，不但會使氧氣流變成圓錐形，而且會增大氧氣流的冷卻作用，進(jìn)而影響切割質(zhì)量和切割速度。實現(xiàn)大厚度鋼板氣割最重要的條件是向氣割區(qū)提供足夠的氧氣流量。鋼板中的銅、鉻、鎳、錳等合金元素的氧化物的熔點比合金元素本身的熔點高。若鋼板中合金元素的含量過高，會增加切割難度，不利于火焰切割的進(jìn)行。在生產(chǎn)中，切割速度過快會造成切割面出現(xiàn)波浪狀等缺陷，甚至導(dǎo)致切不透；而切割速度太慢會造成切割面上部被燒傷，出現(xiàn)過燒現(xiàn)象。

采用原成熟的齒條切割工藝對該210mm大厚度齒條進(jìn)行試切割，得到一個表面質(zhì)量，將其與177.8mm成品齒條的切割表面質(zhì)量相對比，結(jié)果見表3。

表3 切割表面質(zhì)量對比

造成表3中210mm切割面表面質(zhì)量較差的原因可能有氧氣壓力過小、切割速度過快和割嘴高度過高等。原成熟切割工藝規(guī)范已無法滿足210mm超厚度齒條的切割要求，必須進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)工藝規(guī)范制定流程，首先將切割機各項參數(shù)設(shè)定為原成熟切割工藝規(guī)范，然后對鋼板進(jìn)行直線試切割，檢測切割之后的表面質(zhì)量。觀察切割表面是否有缺陷，若有缺陷，記錄缺陷的類型并分析可能的原因，從而對切割機的切割氧壓力、預(yù)熱氧壓力、燃?xì)鈮毫?、行走速度和割嘴高度等進(jìn)行調(diào)整。在直線試切的表面質(zhì)量（粗糙度和垂直度）符合要求之后再進(jìn)行齒形試切割。齒形切割與直線切割最大的區(qū)別是在進(jìn)行齒形切割時，槍頭行走不平行或垂直于導(dǎo)軌切割行走過程中有圓角。行走軌跡不同會對工件的熱變形和切割表面的垂直度有一定影響，但對切割表面的粗糙度影響不大。一般情況下，直線試切的表面粗糙度完好，齒形試切割只需根據(jù)試切數(shù)據(jù)對變形量和表面垂直度進(jìn)行修正。

結(jié)合工藝規(guī)范和大量的試切數(shù)據(jù)，運用有限元分析法和極限法等方法，經(jīng)過多次調(diào)試，最終得到切割表面質(zhì)量較好、尺寸精度合格的齒條（見圖2）。由此制定一套合適的針對210mm超厚度齒條的切割工藝規(guī)范。

在制定該切割工藝規(guī)范時，首先考慮到鋼板厚度增加會提高對支撐平臺的剛性要求，工件變大使熱變形控制變得困難，因此須改進(jìn)對工件的固定約束裝置。在改進(jìn)切割工藝規(guī)范時，考慮到鋼板的厚度增加因素，在試驗時提高鋼板的預(yù)熱溫度并采取保溫處理，防止變形和冷裂；同時，為使鋼板充分燃燒，應(yīng)提高氧氣流量等參數(shù)值。當(dāng)然，最主要的還是各參數(shù)間要相互配合。

圖2 成品齒條切割

5 齒條結(jié)果檢測

成品齒條尺寸結(jié)果見表4。此次生產(chǎn)的6根齒條完全符合技術(shù)要求，樣品最終順利通過甲方驗收和美國船級社的認(rèn)證，甲方在后續(xù)項目制作過程中對該產(chǎn)品的評價較高。

表4 成品齒條尺寸

6 結(jié) 語

超厚度齒條由于板厚和合金成分的增加，使精度切割變得非常困難。運用制定的齒條火焰切割工藝規(guī)范能切割出高質(zhì)量的超厚度雙面齒條。雖然該切割工藝規(guī)范是依托原工藝制定的，但從工藝規(guī)范制定的角度來看，仍不失為一個全新的產(chǎn)品，可為以后新產(chǎn)品工藝規(guī)范的制定提供樣例。

應(yīng)用制定的超厚度齒條切割工藝規(guī)范完成國內(nèi)小批量的210mm大厚度齒條的切割，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到技術(shù)指標(biāo)的要求，獲得了美國船級社和甲方的認(rèn)可，為以后深水海域自升式平臺超厚度樁腿齒條的批量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。