谷德虎

(海洋石油工程(青島)有限公司,山東 青島 266520)

在模塊節(jié)點(diǎn)預(yù)制作業(yè)中難點(diǎn)在于變形控制和精度控制,因?yàn)楣?jié)點(diǎn)和組合梁、拉筋、立柱均存在連接關(guān)系,控制好節(jié)點(diǎn)的尺寸公差是控制甲板尺寸的關(guān)鍵。根據(jù)模塊的技術(shù)要求,結(jié)合以往建造施工經(jīng)驗(yàn),確定圓管、橢圓管、大小口預(yù)制時(shí),高度方向均采用負(fù)公差,即0～2 mm;節(jié)點(diǎn)預(yù)制翼緣板水平度誤差不超過(guò)±3 mm。本文將通過(guò)過(guò)程控制,對(duì)車(chē)間模塊節(jié)點(diǎn)預(yù)制過(guò)程中翼緣板、腹板尺寸,圓管卷制焊接、焊后清根,及節(jié)點(diǎn)在焊接過(guò)程中變形進(jìn)行分析,結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)以及國(guó)內(nèi)外新技術(shù)、新工藝,提出了節(jié)點(diǎn)板材下料尺寸控制措施,圓管壓頭胎具改進(jìn)、卷制合口數(shù)標(biāo)定措施,盤(pán)式清根法工裝設(shè)計(jì),以及節(jié)點(diǎn)焊接變形的控制措施[1-3]。

1 預(yù)制中的過(guò)程控制

1.1 下料卷制尺寸的過(guò)程控制

1.1.1 節(jié)點(diǎn)板下料存在的問(wèn)題

節(jié)點(diǎn)板材的下料作為節(jié)點(diǎn)預(yù)制的第一道工序,做好節(jié)點(diǎn)板材下料的尺寸公差控制至關(guān)重要,節(jié)點(diǎn)翼緣板、腹板下料是通過(guò)數(shù)控機(jī)床完成,如圖1。

圖1 節(jié)點(diǎn)板材下料

經(jīng)過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)板數(shù)控下料發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)板下料尺寸易出現(xiàn)問(wèn)題如下:

(1)翼緣板、腹板截面偏離公差超過(guò)3 mm的公差要求;

(2)腹板對(duì)角線尺寸相差3～5 mm;

(3)所下板材截面過(guò)渡粗糙;

(4)翼緣板、腹板寬度與長(zhǎng)度尺寸公差超出-3～3 mm的公差要求。

1.1.2 節(jié)點(diǎn)板下料問(wèn)題的原因

(1)數(shù)控切割嘴子與板面不垂直;

(2)切割胎架老化造成胎架水平面不平整,及胎架不穩(wěn)定肋條存在晃動(dòng)現(xiàn)象,影響切割下料的尺寸公差;

(3)機(jī)床對(duì)角線值未定期檢查;

(4)未及時(shí)更換割嘴,由于割嘴型號(hào)不同,切割割縫的寬度也不同,切割前應(yīng)根據(jù)不同的板厚選擇不同型號(hào)的割嘴來(lái)保證桿件的下料公差及切割質(zhì)量;

(5)切割速度影響,切割速度過(guò)慢對(duì)桿件產(chǎn)生氧化現(xiàn)象,切割速度過(guò)會(huì)產(chǎn)生后拖或切透,選擇合適的切割速度尤為重要;

(6)數(shù)控切割機(jī)橫向、縱向齒條及齒輪有氧化鐵或潤(rùn)滑不到位,切割機(jī)在切割過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)間歇式抖動(dòng),影響切割質(zhì)量;

(7)選擇合適的切割路徑,切割過(guò)程也是桿件的不均勻的受熱過(guò)程,桿件易產(chǎn)生變形。切割時(shí)合適的切割路徑可以有效地降低切割中的變形。

1.1.3 節(jié)點(diǎn)板下料的解決措施

通過(guò)原因分析,確定以下解決措施:

(1)編制板材下料尺寸記錄跟蹤表,操作人員及時(shí)填寫(xiě)下料尺寸并核對(duì)排版圖,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)整改;

(2)根據(jù)板厚確定切割嘴型號(hào),禁止低代高或者高代低;

(3)每周兩次測(cè)量數(shù)控切割機(jī)對(duì)角線,若發(fā)現(xiàn)對(duì)角線超出切割誤差,及時(shí)對(duì)機(jī)床對(duì)角線進(jìn)行調(diào)整;

(4)按照?qǐng)D紙理論尺寸切割時(shí),由于有切割割縫,造成桿件偏小,不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的,我們從切割指令進(jìn)行控制,根據(jù)不同的板厚預(yù)留切割風(fēng)線尺寸;

(5)定期對(duì)切割胎架進(jìn)行清理和維護(hù),防止板材切割面與割嘴不垂直;

(6)定期對(duì)數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng),清除齒輪齒條內(nèi)異物并潤(rùn)滑;

(7)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)編制切割速度表,并嚴(yán)格控制切割速度。

1.2 圓管預(yù)制的過(guò)程控制

在節(jié)點(diǎn)圓管預(yù)制過(guò)程中,板材在卷管機(jī)上卷制時(shí),兩端邊緣總有卷不到的直邊,即直線段(如圖2A)。此直線段在卷制時(shí)難以完全消除,導(dǎo)致成形后的管筒呈尖咀“桃形”,這就必須采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┻M(jìn)行板邊預(yù)彎,使邊緣兩端先彎曲到所需的曲率半徑后再卷曲,才能保證圓管的橢圓度要求。因此,在卷圓前先要經(jīng)過(guò)的一道預(yù)彎工序叫做壓頭,如圖2所示為制管車(chē)間在卷管前對(duì)板材進(jìn)行預(yù)彎。

圖2 圓管卷制

車(chē)間現(xiàn)有4 000 t壓力機(jī)胎具如圖3A所示,現(xiàn)有的胎具使用楔子、鋼條等零時(shí)構(gòu)件進(jìn)行尺寸定位,尺寸精度不足,容易查收誤差,增加了后期的調(diào)圓處理工作量。通過(guò)改進(jìn)增加壓頭定位測(cè)量工裝如圖3B所示,在胎具兩側(cè)增加標(biāo)定尺,根據(jù)板材厚度,管徑要求對(duì)胎具跨距、壓頭壓力進(jìn)行標(biāo)定,并設(shè)置自鎖工具,來(lái)達(dá)到精度控制。

圖3 壓頭處理

2 焊接過(guò)程中的過(guò)程控制

節(jié)點(diǎn)焊接的難點(diǎn)主要是焊接變形控制及精度控制,因?yàn)楣?jié)點(diǎn)和組合梁、拉筋、立柱均存在連接關(guān)系,控制好節(jié)點(diǎn)的尺寸公差是控制甲板尺寸的關(guān)鍵,為了保證焊接完成后節(jié)點(diǎn)的整體尺寸符合項(xiàng)目公差要求,必須對(duì)焊接變形進(jìn)行研究和控制。

2.1 焊接變形的原因及形式

節(jié)點(diǎn)的焊接變形就是節(jié)點(diǎn)在焊接過(guò)程中局部不均勻加熱、冷卻的過(guò)程,使節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生不均勻的熱脹冷縮,導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而引起變形。為了保證焊接完成后節(jié)點(diǎn)符合項(xiàng)目公差要求,預(yù)制過(guò)程中必須嚴(yán)格控制焊接變形。

常見(jiàn)的焊接變形基本形式有縱向收縮、橫向收縮、角變形、撓曲變形、扭曲變形、波浪變形、錯(cuò)邊變形等形式(如圖4)。

圖4 常見(jiàn)的焊接變形基本形式

2.2 預(yù)制中焊接變形的控制措施

通過(guò)對(duì)實(shí)際節(jié)點(diǎn)預(yù)制的跟蹤,生產(chǎn)中控制焊接變形的措施如下。

2.2.1 預(yù)留焊接收縮量

在組對(duì)時(shí),預(yù)留組對(duì)間隙一般控制在2～4 mm。

2.2.2 利用筋板和剛性?shī)A具固定節(jié)點(diǎn)

為了防止焊接過(guò)程中的變形,在組對(duì)點(diǎn)焊完成后利用筋板和工裝夾具進(jìn)行固定(如圖5),直到焊接完成焊縫冷卻后,去除筋板和工裝夾具。

圖5 利用筋板和剛性?shī)A具固定節(jié)點(diǎn)

2.2.3 焊前預(yù)熱處理

焊前預(yù)熱可以延緩焊后的冷卻速度,降低焊接應(yīng)力;防止焊接件使用筋板和工裝夾具產(chǎn)生的冷裂紋,因此預(yù)熱時(shí)應(yīng)選擇合適的溫度。

由于預(yù)熱溫度與施工環(huán)境溫度、坡口樣式、鋼材材質(zhì)及桿件的厚度等因素有關(guān),因此預(yù)熱時(shí)嚴(yán)格按照項(xiàng)目《焊接工藝規(guī)程》施工。

2.2.4 焊接工藝參數(shù)優(yōu)化

焊接工藝參數(shù)主要包括焊接電流、電壓、氣體流速、焊材的選擇、焊接速度等?，F(xiàn)場(chǎng)在施工過(guò)程中,根據(jù)節(jié)點(diǎn)的焊接位置、坡口形式、板材等級(jí)、板材厚度等不同情況,及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和施工經(jīng)驗(yàn),最終確定了最優(yōu)的焊材及焊接參數(shù)(如圖6)。

圖6 焊接工藝參數(shù)

采用新的工藝參數(shù)后有效地避免了焊接變形、減少了焊后熱調(diào)直工作量,對(duì)項(xiàng)目的整體施工效率顯著提高。

2.2.5 焊接順序優(yōu)化

在焊接過(guò)程中采用合理的焊接順序,可以減少節(jié)點(diǎn)在焊接過(guò)程中的變形,同時(shí)可以防止出現(xiàn)焊接裂紋。合理的焊接順序應(yīng)遵循以下原則:優(yōu)先焊接變形量大的焊縫,然后焊接變形量小的。較長(zhǎng)焊縫可以使用逐步退焊、對(duì)稱(chēng)焊或者由兩人從中間向兩端同時(shí)焊接等。節(jié)點(diǎn)焊接過(guò)程中的焊縫打底、填充及蓋面應(yīng)嚴(yán)格遵循焊接順序,同時(shí)焊縫打底要保證雙面成型,減小清根深度。

2.2.6 焊后熱調(diào)直處理

熱調(diào)直是通過(guò)加熱作用然后冷卻收縮,使桿件中的纖維伸長(zhǎng)或縮短,最后保證各層纖維長(zhǎng)度趨于相等,這樣就完成了焊后熱調(diào)直作業(yè)。熱調(diào)直加熱區(qū)的形狀有點(diǎn)狀加熱、線狀加熱、三角形加熱(如圖7)。

圖7 焊后熱調(diào)直處理加熱方法

(1)熱調(diào)直的注意事項(xiàng):

① 加熱溫度不得超過(guò)550 ℃;

② 盡量避免在同一點(diǎn)上再次加熱;

③ 禁止在結(jié)構(gòu)的變形部位直接進(jìn)行火工調(diào)直作業(yè);

④ 焊接變形存在多種形時(shí),首先應(yīng)調(diào)整焊接變形較大的部位;

⑤ 熱調(diào)直時(shí),應(yīng)盡量對(duì)稱(chēng)進(jìn)行,避免引起節(jié)點(diǎn)的其他變形;

⑥ 厚板需要熱調(diào)直時(shí),火焰宜采用中性焰,薄板應(yīng)采用碳化焰,防止桿件氧化。

(2)熱調(diào)直的施工步驟:

① 根據(jù)節(jié)點(diǎn)實(shí)際焊后變形情況,確定熱調(diào)直形式;

② 加熱過(guò)程中應(yīng)避免節(jié)點(diǎn)局部氧化,檢測(cè)調(diào)直處溫度,做好溫度跟蹤記錄;

③ 加熱中應(yīng)采用計(jì)量工具適時(shí)測(cè)量,防止節(jié)點(diǎn)調(diào)整過(guò)大,避免回調(diào)。

3 總結(jié)

通過(guò)對(duì)模塊節(jié)點(diǎn)從下料到焊接過(guò)程的分析和控制,結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)以及國(guó)內(nèi)外新技術(shù)、新工藝等措施,提出了合理的焊接工藝、下料控制尺寸、變形控制方法,達(dá)到了控制變形的目的,提高了焊接質(zhì)量,保證了節(jié)點(diǎn)的預(yù)制精度要求,同時(shí)降低了施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度及安全風(fēng)險(xiǎn),為以后生產(chǎn)中節(jié)點(diǎn)的預(yù)制積累了寶貴經(jīng)驗(yàn),并為后續(xù)項(xiàng)目的施工提供指導(dǎo)。