郭 寧，閆清波，張 剛

(海洋石油工程股份有限公司建造事業(yè)部，山東 青島 266520)

大直徑筒體(椎體)結構作為海洋工程常見的基本結構單元，多見于單點系泊系統(tǒng)、圓筒形FPSO或半潛式平臺等海洋工程裝備上。由于徑厚比[1]非常大，因此結構柔性也比較大，在前期的預制建造階段，焊接的熱輸入極易導致結構的變形收縮，精度控制不嚴格容易導致尺寸超差；后期的運輸吊裝過程中外力的作用也會容易使結構物發(fā)生塑性變形。不同于船體上的板殼結構，筒體(椎體)結構的截面為標準圓形，受力狀態(tài)多以軸向力為主導，為了能有擁有足夠的穩(wěn)定性來防止整體和局部屈曲變形，該類型的結構的公差要求極為嚴格。因此，大直徑筒體(椎體)結構尺寸精度控制是建造階段的關鍵點和困難點。本文以某單點項目的某個大直徑椎體結構分段為案例，闡述了該結構從排板下料、焊接預制到吊裝運輸整個建造過程的尺寸精度控制方法，該方法已經成功應用于該單點項目，對大直徑筒體(椎體)結構尺寸精度控制具有良好的指導性和借鑒性。

1 概述

對于一個大直徑筒體(椎體)結構分段，其預制建造主要包含以下四個步驟：排板下料、畫地樣基準線、組對焊接、運輸吊裝合攏。排版下料及地樣基準線是尺寸控制的基礎，直接決定了結構預制精度的成敗；組對焊接是精度控制的核心關鍵點，組對焊接工作是否控制到位，決定了結構完工后是否超差；而運輸吊裝合攏階段的尺寸控制工作，主要對結構的保形控制，保證該過程外力不會破壞結構原有的尺寸精度。因此，上述四個步驟的施工過程，都需要進行嚴格的尺寸控制，才能保證結構最終的建造精度。

2 一般公差要求

除項目特殊要求外，筒體(椎體)結構的公差要求可參照規(guī)范《EEMUA 158 海上固定平臺建造施工規(guī)范》第六章建造公差的要求執(zhí)行。對于焊接錯皮的公差要求可以參照《DNVGL-OS-C401海上固定平臺建造和檢驗規(guī)范》執(zhí)行。部分具體公差要求如表1所示。

表1 筒體(椎體)結構的公差要求

說明：D為筒體外徑，tn為筒體壁厚。

3 排板下料

排板下料需要考慮以下因素來消除尺寸控制中的不利因素：

(1)考慮增加下料余量，來抵消焊接收縮量。下料余量分環(huán)縫收縮余量和縱縫收縮余量，原因是焊接環(huán)縫和縱縫時的熱量輸入會使結構沿著垂直于焊縫的方向收縮。

①環(huán)縫焊接收縮：會使筒體(椎體)在中心軸線方向發(fā)生收縮，收縮量為ΔL(如圖1所示)；如果下料尺寸等于理論值，筒體(椎體)焊接完一圈環(huán)縫后，焊接收縮后會導致該筒體的實際長度L′短于理論值L,即有：

L′=L-ΔL

因此需要在下料時，需要在軸向方向預留一定余量來抵消該收縮量，該余量可以粗略估算略長于焊接收縮量，待環(huán)縫焊接完，精確測量后，將多余的余量切除。

②縱縫焊接收縮：會使筒體(椎體)在切向發(fā)生收縮,每條縱縫的收縮量為ΔS(如圖1所示)；如果下料尺寸等于理論值，筒體(椎體)焊接完同一高度上的所有縱縫后，焊接收縮后會導致該筒體的周長S′小于理論值S，即有：

S′=S-n*ΔS

n為同一高度上的縱縫數量。

因此需要在下料時，在最后一塊拼板A的縱縫上增加一定的下料余量，保留該帶余量的拼板A不焊接，將其余拼板焊接完成后，測量未焊拼板A位置處的實際尺寸，然后根據實際尺寸修剪拼板A的余量，將拼板A組對就位焊接，來達到控制切向收縮目的。

圖1 焊接收縮示意圖

(2)盡可能的減少環(huán)縫和縱縫的數量，焊縫焊接收縮的積累是尺寸超差的主要原因之一，因此減少焊接工作量是削減焊接變形的最直接的辦法。

4 地樣基準線

結構在開始預制之前需要提前畫好地樣基準線(如圖2所示)，基準線包括基準原點，十字線(0～180°線&90～270°線)。地樣基準線作為預制分段的基礎參照線，必須保證足夠的精度(一般要求+/-1 mm)，該基準線需要在分段的加設圖紙上顯示。預制胎架的擺放需要以地樣基準線進行準確擺放，且不能遮擋覆蓋地樣線，如果有遮擋，需要將遮擋點反駁至胎架表面可見的區(qū)域。胎架一旦完成準確定位固定，不可再與地樣線發(fā)生任何相對移動。預制過程中的拼板定位組對，焊接調整、測量檢驗均以地樣基準線為參考。

圖2 地樣基準線示意圖

5 組對焊接

組對焊接是尺寸控制至關重要的環(huán)節(jié)，也是尺寸控制的核心關鍵點。組對焊接分焊前組對和焊接兩部分工作。焊前組對是指按照地樣基準線將每塊拼板進行精確組對，然后使用一定數量的馬排板進行固定。組對拼板時，應考慮焊接軸向(切向)收縮量ΔL(ΔS)的存在，并且在某些情況下，需要設置一定的組對間隙△G(2～4 mm)，最理想的狀態(tài)為組對間隙等于焊接收縮量，即有：

ΔG=ΔL，或ΔG=ΔS

這樣的話，焊接完成后的焊后尺寸幾乎接近理論尺寸。焊接收縮量ΔL(ΔS)可以按照常規(guī)經驗公式計算得到：

AH-焊縫的橫截面面積；

δ-板厚。

圖3馬排板控制示意圖圖

圖4 馬排長度示意圖

然而在大部分情況下，組對間隙很難與焊接收縮相互抵消，而此時，可以考慮使用馬排板來控制焊接變形(如圖3所示)。馬排板固定焊縫，不但可以控制焊接收縮，也可以控制圓弧板的焊接熱影響區(qū)域內的焊接變形。因此馬排板下料需要使用數控切割機按照對應加固位置的弧度大小進行切割下料，來保證馬排板有足夠的精度來控制該處的焊接變形。馬排板的長度K′應超過焊接熱影響區(qū)的長度K(如圖4所示)，來保證足夠的形變控制能力。

組對完成后，便可進行焊接作業(yè)。焊接中的過程控制十分關鍵，可采用分段退焊法(如圖5所示)、多焊工同步對稱焊、間歇焊間歇測量等焊接技巧來控制焊接變形。在焊接過程中控制好熱輸入量，在焊接變形可控的情況下，穩(wěn)步緩慢焊接，如果發(fā)現形變，采用反變形的焊接策略及時矯正。

圖5 分段退焊法

在焊接圓周一圈拼板時，需要保留一塊帶有余量的拼板最后組對焊接(如圖6所示)。焊接前需要測量最后一塊拼板板位尺寸B，根據B的大小對最后一塊拼板進行尺寸修剪,修剪完成后的尺寸為B′。 B′的大小可以按照如下公式計算：

B′=B-2ΔG+2ΔS

ΔG為組對間隙；

ΔS為切向焊接收縮量。

圖6 預留最后一塊帶余量拼板調整尺寸

圖7 上口尺寸控制點

每次完成一周圈的圓弧板焊接，在組對上一圈圓弧板之前，都要對上口進行尺寸控制，在上口均勻設置一定數量的尺寸控制點(24個或者36個，視直徑大小而定)，測量每個點的半徑公差及高度公差確保滿足要求(如圖7所示)，然后再進行上圈弧形拼板的組對焊接。

6 運輸吊裝保形

大直徑筒體結構完成預制后，一般需要進行運輸至噴涂車間進行打砂噴漆，然后再進行吊裝合攏。在此過程中，需要嚴格控制結構的外力作用，防止結構發(fā)生塑性變形。因此，運輸吊裝過程中的保形控制至關重要，常用的措施就是在筒體(椎體)內部焊接保形框架，多為一層兩層的米字架或者十字架的結構，見圖8所示，該種結構能夠抵抗筒體(椎體)受到的徑向作用力，保證結構橢圓度和不圓度發(fā)生破壞。

圖8 保形框架示意圖

吊裝作業(yè)所使用的吊耳應焊接至保形框架上，來避免避免筒體(椎體)受到較大吊裝力的作用，如圖9所示。

圖9 大直徑筒體吊裝保形示意圖

7 結論

(1)排版下料需要考慮組對間隙和焊接收縮量兩個關鍵因素；在筒體(椎體)軸向長度每塊拼板均要增加余量，在周向長度選擇最后組對焊接的一塊拼板增加余量。

(2)地樣基準線作為尺寸控制的基礎，必須保證足夠的精度，且在整個預制過程保持靜止不變和良好的可見性。

(3)組對時需要使用尺寸足夠大，精度足夠高的馬排板對焊縫進行固定。組對尺寸需要考慮焊接收縮對焊后尺寸的影響，組對間隙在容許的條件下盡量設置到最小。

(4)焊接時采用分段退焊法，多焊工同步對稱焊，間歇焊間歇測量，控制熱輸入量，在焊接變形可控的情況下，穩(wěn)步緩慢焊接，如果發(fā)現形變，采用反變形的焊接策略及時矯正。

(5)周向拼板焊接時，預留最后一塊拼版，根據焊后最后一塊拼板板位尺寸，修剪最后一塊拼板，保證最后的焊接成形精度。

(6)筒體(椎體)高度上的每一層的組對焊接必須建立在前一層尺寸過檢的基礎之上。

(7)吊裝運輸之前需要焊接保形框架，且吊點不宜直接生根在筒體(椎體)殼壁上。