(海洋石油工程(青島)有限公司， 山東 青島 266520)

0 引 言

伴隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，石油的消費(fèi)量和需求量都急劇增加。在陸地油氣資源被大量開采，儲量無法滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求的背景下，需大力開發(fā)海洋油氣資源。目前，在世界各地大陸架的不同工作海域，各種各樣的近海工程結(jié)構(gòu)物被應(yīng)用于海底油氣資源的勘探和開發(fā)，其中自升式鉆井船因其定位能力強(qiáng)和作業(yè)穩(wěn)定性好，應(yīng)用廣泛，是海洋油氣勘探開發(fā)的主力。

1 鉆井船升降系統(tǒng)

自升式鉆井船升降系統(tǒng)是控制鉆井船升降的關(guān)鍵核心部分。鉆井船共有3套升降系統(tǒng)分布在不同的船體位置上，其中艏部1套、艉部左右舷各1套，平面布置及編號如圖1所示。

升降系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)為齒輪箱及升降底座(見圖2)：齒輪箱位于上部，通過制動系統(tǒng)連接頂部齒條導(dǎo)向結(jié)構(gòu)運(yùn)行；升降底座位于下部，與樁腿圍井結(jié)構(gòu)安裝固定在一起，通過上部齒輪箱的作業(yè)帶動樁腿實(shí)現(xiàn)升降。本文主要就升降系統(tǒng)中的齒輪箱的制作展開論述。

圖1 升降系統(tǒng)平面布置 圖2 齒輪箱及其底座

2 齒輪箱制作流程

齒輪箱制作精度要求高，必須制作鋼制約束胎架，保證在齒輪箱制作時水平度偏差不超過±1 mm。為保證精度，胎架的布置(包括地樣線、齒輪箱中心線、結(jié)構(gòu)線及指定的施工基準(zhǔn)線的標(biāo)定)必須嚴(yán)格按照公差要求進(jìn)行。

第1步：將前面板放在胎架上，擺正位置后，與胎架支撐焊接固定。齒輪孔開坡口，軸套安放在齒輪孔位置后焊接，如圖3a)所示。

第2步：組對兩側(cè)板。組對時注意板的方向，如圖3b)所示。

第3步：組對內(nèi)部結(jié)構(gòu)并焊接。為減少焊接變形，采用對稱焊方式，先焊接兩側(cè)板，后焊接中間肋板，最后焊接加強(qiáng)筋板，如圖3c)所示。

第4步：組對并焊接后面板及后面板上的變速箱限位板條,如圖3d)所示。

第5步：翻身焊接未翻身前不易焊接的位置，按照理論尺寸切割加工裕量，并焊接頂板及前面板上的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，然后焊接前面板上的加強(qiáng)筋板，再次機(jī)加工軸套，使其精度滿足要求，如圖3e)所示。

圖3 齒輪箱制作步驟

齒輪箱制作完成后如圖4所示。

圖4 齒輪箱制作完成后的安裝圖

3 齒輪箱制作過程變形控制

3.1 下料尺寸控制

焊接冷卻后會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)體收縮。為保證焊接后的整體尺寸要求，下料時在前面板的下端及左右兩側(cè)均加有裕量(前面板下端預(yù)留50 mm，左右兩側(cè)預(yù)留5 mm)，在齒輪箱焊接完成后進(jìn)行尺寸檢驗(yàn)，劃線后切割裕量，最終使齒輪箱結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

齒輪箱的關(guān)鍵尺寸是齒輪孔之間的相對距離。對前面板4個齒輪軸套進(jìn)行大量焊接施工必然會因熱脹冷縮產(chǎn)生焊后變形，而齒輪間距只允許存在1 mm的尺寸公差，因此必須在下料時留出適當(dāng)?shù)氖湛s裕量。結(jié)構(gòu)預(yù)制期間確定的下料尺寸如圖5所示。建造完成后的測量結(jié)果顯示，該下料放樣尺寸完全滿足設(shè)計(jì)要求，如表1所示。

圖5 齒輪間距示例

表1 焊接后軸套間距 mm

為保證后面板開孔直徑的精度，在預(yù)制下料后面板時，開孔放樣的孔直徑比設(shè)計(jì)圖紙的孔直徑少10 mm，在齒輪箱焊接加工完成后再進(jìn)行機(jī)加工，使后面板開孔直徑滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 胎架制作

為保證齒輪箱建造精度，必須制作精準(zhǔn)且有剛性約束的胎架，如圖6所示。采用工字鋼制作胎架主體，為方便調(diào)平及剛性固定，在胎架的上表面焊接均勻分布的支撐板，如圖7所示。這既有利于施工，又能很好地調(diào)節(jié)胎架的水平度，進(jìn)而有效地控制齒輪箱的整體水平度。

圖6 胎架整體圖 圖7 胎架上表面支撐板

在胎架上固定前面板，考慮到前面板與軸套的焊接變形，在胎架調(diào)平時對其水平度做適當(dāng)反變形處理，使其中心比邊緣高3～4 mm，以抵消實(shí)際上翹的收縮裕量，并結(jié)合剛性固定，最終使齒輪箱整體水平度符合制作要求。

另外，為保證胎架的精準(zhǔn)性，要求布置胎架之前標(biāo)定的地樣線以及齒輪箱的地樣線或樣沖眼在施工周期內(nèi)清晰可見。

3.3 焊接變形控制

在焊接過程中隨著熱量的輸入，構(gòu)件金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生應(yīng)力及應(yīng)變，其表現(xiàn)形式就是焊接變形。焊接的接頭對接形式、坡口形式不同，造成焊接變形在表現(xiàn)形式上也各不相同，可分為縱橫向收縮變形、撓曲變形、角度變形等[1]。在鋼結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域，焊接變形是施工過程中的主要變形，并且極難控制，焊接變形控制是質(zhì)量控制方面的主要課題，下述3種方法能有效控制焊接變形在齒輪箱預(yù)制過程中的影響。

3.3.1 剛性固定法

焊接過程是一個不均勻受熱的過程，除遵循事先制定的焊接程序之外，還可借助外力作用抵消鋼結(jié)構(gòu)不均勻受熱產(chǎn)生的變形。剛性固定法是利用強(qiáng)制手段來減小焊后變形的方法。

在齒輪箱箱體的預(yù)制過程中，有很多不對稱焊縫，該類型的焊接變形控制非常困難。按照正常施工焊接完成后，受焊接熱影響，有的構(gòu)件會向焊縫多的一側(cè)發(fā)生偏移變形。為了更好地控制并減少此類變形，在組對時提前對部件進(jìn)行剛性固定，以減少整體變形，如圖8所示。

圖8 部件剛性固定步驟

3.3.2 反變形法

反變形法是指根據(jù)生產(chǎn)中已掌握的焊接變形規(guī)律，預(yù)先人為制造一個變形，使該變形與焊后發(fā)生的變形方向相反而數(shù)值相等[2]，即事先估計(jì)結(jié)構(gòu)變形的大小和方向，然后在裝配時給予一個相反方向的變形，與焊接變形相抵消。在一般的鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制施工中，反變形法的應(yīng)用非常廣泛。

在齒輪箱制作過程中，在前面板上胎架之前，由于齒輪箱上部焊接量比下部大，焊接完成后，齒輪箱整體向焊縫比較密集的上部變形，因此在胎架找平時，對其水平度做適當(dāng)反變形處理，使其中心比邊緣高出3～4 mm，然后再把前面板放到胎架上進(jìn)行多點(diǎn)剛性固定，保證整體達(dá)到反變形效果。主體焊接完畢，把胎架上的多點(diǎn)固定打開后，隨著主體焊接應(yīng)力的消除，整體產(chǎn)生上翹，從而抵消預(yù)留的反變形，最終滿足齒輪箱整體水平度要求。

在齒輪箱側(cè)板組對過程中，同樣考慮焊后整體上翹變形，將側(cè)板上部向外傾斜3 mm，在焊接完成后，側(cè)板在焊接應(yīng)力的作用下向內(nèi)收縮，有效確保側(cè)板的焊后尺寸。

3.3.3 合理安排組對及焊接順序

齒輪箱是一個復(fù)雜的構(gòu)件，制定合理的組對焊接工藝對防止變形非常重要。隨著各個部件的裝配，每個部件的應(yīng)力隨之變化，而且變化規(guī)律很難掌握，因此在施工過程中不同的裝配、焊接順序會產(chǎn)生不同的變形，這也是影響焊接結(jié)構(gòu)變形的主要因素之一。

在施工準(zhǔn)備階段，根據(jù)齒輪箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定裝配、焊接順序?？紤]到天氣原因，需采用電加熱和火焰加熱方式對構(gòu)件進(jìn)行焊前預(yù)熱工作。焊接時遵循以下原則：

(1) 焊接預(yù)熱。焊接時鋼板瞬間達(dá)到高溫，因熱脹冷縮作用，焊接處產(chǎn)生較大變形甚至裂紋，為保證焊接質(zhì)量，需對焊接處進(jìn)行預(yù)熱，采用電加熱和烤槍火焰加熱，如圖9所示。

圖10 兩焊工正在進(jìn)行對稱焊接

圖11 機(jī)械調(diào)直的兩種方法

(2) 盡量采用分段退焊及對稱焊接。對應(yīng)焊道較長的構(gòu)件采用分段退焊；焊縫對稱的構(gòu)件采用對稱焊接，由成對的焊工對稱進(jìn)行焊接，如圖10所示，這樣可使各焊縫引起的變形相互抵消一部分。

(3) 對某些焊縫布置不對稱的結(jié)構(gòu)，先焊接焊縫短的一側(cè)。

4 齒輪箱制作變形調(diào)直

在齒輪箱預(yù)制過程中，當(dāng)焊接產(chǎn)生的彎曲變形超出建造設(shè)計(jì)規(guī)格書要求的尺寸公差范圍時，需進(jìn)行變形調(diào)直工作，現(xiàn)場一般采用機(jī)械調(diào)直和熱調(diào)直兩種方案。

4.1 機(jī)械調(diào)直

現(xiàn)場施工過程中的機(jī)械調(diào)直主要利用外力的影響對構(gòu)件進(jìn)行尺寸調(diào)整，包括千斤頂頂升后增加臨時支撐約束以及增加配重壓力約束，如圖11所示。

(1) 在兩個桿件之間的相對距離小于公差要求的情況下，利用千斤頂頂升的力量使之達(dá)到理論尺寸后增加臨時支撐約束，配合后續(xù)的熱調(diào)直進(jìn)行尺寸調(diào)整。

(2) 配重壓力約束主要針對整個平面方向某一區(qū)域出現(xiàn)的隆起，當(dāng)該隆起明顯比其他部分高時，將配重放在該區(qū)域，通過配重的重力作用對隆起區(qū)域的變形進(jìn)行矯正。

4.2 熱調(diào)直

圖12 熱調(diào)制法調(diào)整變形

當(dāng)變形過大，或出現(xiàn)波浪形變形時，需采用熱調(diào)直工藝進(jìn)行調(diào)直。熱調(diào)直方法是利用熱脹冷縮原理，采用火焰對變形的地方進(jìn)行加熱，通過不同位置不同形狀的加熱達(dá)到調(diào)整變形的目的[3]，如圖12所示。用烤槍加熱前，先用粉筆在加熱區(qū)域或路徑上進(jìn)行標(biāo)記，避免在焊道處直接加熱，禁止用水加速冷卻，加熱火把采用多孔加熱型烤槍，熱調(diào)直溫度嚴(yán)禁超過600 ℃。

5 結(jié) 論

綜上所述，為保證齒輪箱的制作尺寸公差在允許范圍之內(nèi)，制作過程中需注意以下幾方面：

(1) 齒輪箱是鉆井船升降系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，精度要求很高，建造前必須準(zhǔn)備精準(zhǔn)的胎架，提供約束變形的剛度和水平建造平臺。

(2) 為滿足齒輪箱的總體尺寸和焊接后結(jié)構(gòu)相對尺寸的要求，下料尺寸必須精確，關(guān)鍵部位桿件需預(yù)留下料切割裕量。

(3) 為減小焊接變形，焊接前必須預(yù)熱焊接構(gòu)件，采取正確的焊接順序，盡量采用分段退焊和兩側(cè)對稱焊方法。

(4) 對于建造過程中不可避免產(chǎn)生的過大變形，采用機(jī)械調(diào)直和熱調(diào)直措施來矯正變形。

通過采取上述措施，可有效解決齒輪箱制作過程中產(chǎn)生的變形問題，為其他船體結(jié)構(gòu)和海洋平臺結(jié)構(gòu)的建造提供借鑒。