曲延濤,趙江達(dá),楊風(fēng)艷

(海洋石油工程(青島)有限公司,山東 青島266520)

導(dǎo)管架主要是由導(dǎo)管和拉筋連接形成的空間桁架結(jié)構(gòu),是淺海結(jié)構(gòu)物最為普遍的基礎(chǔ)形式,普遍應(yīng)用于石油開發(fā)、風(fēng)電等海洋工程;作為水下結(jié)構(gòu)其具有不可修復(fù)或較難修復(fù)的特點(diǎn),所以有較高的可靠性要求,在施工過程中控制建造精度和焊接質(zhì)量尤為重要。主要針對(duì)導(dǎo)管架中的拉筋在預(yù)制過程中的精度控制進(jìn)行分析、研究并提出了相應(yīng)的解決方案。

1 傳統(tǒng)施工方法及產(chǎn)生的問題

由鋼板變?yōu)閷?dǎo)管架要經(jīng)過拉筋卷制、結(jié)構(gòu)片預(yù)制、結(jié)構(gòu)片安裝等主要步驟,主要以拉筋為載體進(jìn)行研究,重點(diǎn)介紹拉筋卷制過程和結(jié)構(gòu)片預(yù)制過程:

拉筋卷制:下料、鋼管卷制、縱縫組對(duì)焊接、鋼管接長(zhǎng)、環(huán)縫焊接、馬鞍口切割;

結(jié)構(gòu)片預(yù)制:墊墩布置、主桿擺放、支桿組對(duì)、支桿對(duì)接口修口、對(duì)接口焊接。

按照傳統(tǒng)施工方法,在導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)片組對(duì)過程中發(fā)現(xiàn)拉筋普遍存在偏長(zhǎng)現(xiàn)象,對(duì)運(yùn)行中的3個(gè)導(dǎo)管架的拉筋修口情況進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)約80%的拉筋需要切割,修口最大修口量達(dá)50 mm,造成吊裝、修口、打磨等工作反復(fù)進(jìn)行,嚴(yán)重制約施工效率和組對(duì)質(zhì)量。

2 影響因素分析

由于先前每步工作均執(zhí)行對(duì)應(yīng)的的尺寸控制程序,理論上結(jié)構(gòu)片組對(duì)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生如此大的修口量,針對(duì)此“反常現(xiàn)象”從拉筋卷制到花片預(yù)制全過程進(jìn)行分析研究。在API規(guī)范、詳細(xì)設(shè)計(jì)規(guī)格書中對(duì)拉筋的長(zhǎng)度公差并沒有直接要求,而是通過拉筋兩端節(jié)點(diǎn)定位控制拉筋長(zhǎng)度,且為保證打樁和防止拉筋過短無法修復(fù),鋼管卷制過程通常采用正公差預(yù)制,導(dǎo)致后續(xù)拉筋在組對(duì)過程中誤差積累過大,只能通過修整對(duì)接口的方式解決,通過測(cè)量、統(tǒng)計(jì)、誤差產(chǎn)生原因如下:

2.1 拉筋切割公差

加厚段與節(jié)點(diǎn)段端部沿著垂直于鋼管長(zhǎng)度方向的切割偏差必須在±5 mm以內(nèi),可理解為拉筋在長(zhǎng)度方向每端的公差在±5 mm之內(nèi)。

2.2 導(dǎo)管腿預(yù)制公差

2.2.1 周長(zhǎng)公差

(1)外徑小于等于650 mm的鋼管公差為±10 mm轉(zhuǎn)換成徑向?yàn)椤? mm。

(2) 外徑大于650 mm的鋼管公差為±12.7 mm轉(zhuǎn)換成徑向?yàn)椤? mm。

2.2.2 橢圓度公差

鋼板卷制管的最大與最小內(nèi)徑之差不應(yīng)超過6 mm轉(zhuǎn)換成徑向?yàn)? mm。

2.2.3 導(dǎo)管腿的定位公差:

立柱或?qū)Ч艿闹行木€公差在±10 mm以內(nèi)。

2.2.4 拉筋組對(duì)間隙:

常規(guī)按照2～6 mm控制。

2.2.5 焊接收縮值

按照現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)一般存在3～4 mm收縮量。

2.2.6 測(cè)量誤差(包括溫度的影響)

桿件(導(dǎo)管、拉筋)長(zhǎng)度越長(zhǎng),影響越大。

2.2.7 馬鞍口變形

馬鞍口切割時(shí)應(yīng)力釋放不均勻造成變形(見圖1所示)

當(dāng)所有因素向不利方向發(fā)展時(shí)即拉筋兩端的導(dǎo)管預(yù)制周長(zhǎng)和橢圓度公差均取正偏大值便可累積11 mm誤差,拉筋兩端導(dǎo)管定位公差取負(fù)偏大值便可累積-20 mm誤差,拉筋兩端均取正偏大值便可累積10 mm誤差,預(yù)制、總裝公差全部滿足規(guī)范要求的前提下,僅這3個(gè)規(guī)范范圍內(nèi)的公差累積就有41 mm的長(zhǎng)度需要修口,這并未考慮組對(duì)間隙等其他因素的影響,所以出現(xiàn)拉筋偏長(zhǎng)的現(xiàn)象并不是真的變長(zhǎng),而是眾多先前工作誤差累計(jì)導(dǎo)致的。

圖1 馬鞍口切割變形

3 解決措施

3.1 更新管端相貫線、切割角等計(jì)算方法

3.1.1 相貫線

管管形式:如圖2所示的搭接形式,以圖中所示的坐標(biāo)系建立空間模型。利用空間解析幾何的原理、坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)和平移的變換對(duì)相貫線進(jìn)行計(jì)算。

切割時(shí)旋轉(zhuǎn)角α對(duì)著z軸往下看沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn),其中,θ為旋轉(zhuǎn)角。得出相貫線在圓柱坐標(biāo)系下的方程為:

管板形式:支管與板相貫,可認(rèn)為板是直徑和偏心均為無窮大的主管,故相貫線方程為:

圖2 參數(shù)示意圖

3.1.2 理論切割角、弧擺旋轉(zhuǎn)角

兩面角的定義:根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范,管狀結(jié)構(gòu)物局部?jī)擅娼侵冈诖怪庇谙嘭灳€、焊縫中心線的平面內(nèi)量得的,兩相貫管(或板與管)表面的切線間的夾角。

坡口角度是指兩個(gè)焊接面的夾角,其大小取決于相貫線上任意點(diǎn)處兩面角的大小,它們之間的關(guān)系是由焊接規(guī)范規(guī)定。根據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(API)或AWS標(biāo)準(zhǔn)確定坡口角(圖3)。按API標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)ψ≤90°,則φ=/2;當(dāng)ψ>90°,則φ=45°。

管管形式:根據(jù)解析幾何,得出二面角為:

管板形式:由于相貫線上任選點(diǎn)在主管上的圓周角φ為無窮小量,即為0,所以cosψ=cos(θ-βi)cosαi:

理論切割角由二面角和坡口角確定。理論切割角C=π/2-ψ+φ。

圖3 兩面角、坡口角和理論切割角的關(guān)系示意圖

5軸機(jī)中,弧擺旋轉(zhuǎn)角A(被切割管通過軸線的垂直平面與局部?jī)擅娼撬谄矫娴膴A角)的值為:A=atan(γ)

式中為過支管軸線的垂直平面與局部?jī)擅娼撬谄矫娴膴A角的正切值。

管管形式:

管板形式:

實(shí)際切割過程是沿支管外表面進(jìn)行的,要完成相貫線和坡口的切割。坡口角是由理論切割角來保證,切割角是在割炬繞支管外表面進(jìn)行的,割炬需沿支管外表面縱向偏移補(bǔ)(圖4)。

縱向補(bǔ)償量為△=t·tanC/cosA,則被切管外表面的切割線方程為:Z外=z+t·tanC/cosA。

圖4 縱向補(bǔ)償示意圖

管環(huán)相貫如圖5。

圖5 管環(huán)相貫示意圖

式中:R:環(huán)的旋轉(zhuǎn)半徑;D:環(huán)橫截面圓直徑;φ為環(huán)橫截面圓圓周角;α為環(huán)的旋轉(zhuǎn)角;z:管端相貫線沿管軸線方向的坐標(biāo),也是θ的參量方程。

由空間解析幾何的原理求得局部?jī)擅娼铅?

理論切割角計(jì)算方法同管管形式。

法剖面與軸剖面之間的夾角(割炬傾角旋轉(zhuǎn)角)為:

錐管相貫如圖6。

相貫線:z=Rcosφsinα-Rtanβcosα

圖6 錐管相貫示意圖

兩面角ψ:

理論切割角計(jì)算方法同管管形式。

割炬傾角旋轉(zhuǎn)角為γ:

3.2 提高馬鞍口切割精度

在馬鞍口切割機(jī)切割前,增加對(duì)心和示教過程,在實(shí)際切割時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償來提高切割精度。

3.2.1 對(duì)心

為了保證切割精度應(yīng)使待切管的圓心與新切割機(jī)的旋轉(zhuǎn)中心重合,但是由于待切管的安放位置不精確使管子圓心與新切割機(jī)中心偏差較大。對(duì)心即是對(duì)此偏差進(jìn)行調(diào)整。開始對(duì)心后新切割機(jī)從待切管的最高點(diǎn)(即0°)開始繞其運(yùn)動(dòng)一周,同時(shí)利用傳感器自動(dòng)探測(cè)90°,180°及270°時(shí)相對(duì)于0°的距離,根據(jù)得到的數(shù)據(jù)計(jì)算出管子圓心與新切割機(jī)旋轉(zhuǎn)中心的橫向偏差及縱向偏差,系統(tǒng)將顯示兩偏差。對(duì)心完成后整體升降軸自動(dòng)運(yùn)行,調(diào)整縱向偏差。橫向偏差可根據(jù)顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行人工調(diào)整。

3.2.2 示教

由于待切管端口不是標(biāo)準(zhǔn)的圓形,而系統(tǒng)在未經(jīng)示教時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)是按照標(biāo)準(zhǔn)圓進(jìn)行計(jì)算的,這時(shí)就會(huì)使切割誤差增大。經(jīng)過示教操作后,系統(tǒng)能在很大程度上減小因管子形狀偏差而引起的切割誤差。示教時(shí)旋轉(zhuǎn)軸繞管子旋轉(zhuǎn)一周,運(yùn)行起始點(diǎn)為切割起始點(diǎn)。伸縮軸所走曲線與正式切割時(shí)相同,半徑軸則利用傳感器測(cè)量特定角度相對(duì)于0°起始點(diǎn)的距離。根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行算法補(bǔ)償后,將得到的數(shù)據(jù)再次下發(fā)給運(yùn)動(dòng)軸,完成示教操作,結(jié)果如圖7所示。

圖7 示教結(jié)果

管材的切割是由氧氣和燃?xì)馊紵a(chǎn)生的火焰使鋼材熔化而達(dá)到切割效果的,火焰有一定的寬度,而且隨著風(fēng)線的長(zhǎng)度變長(zhǎng),火焰的寬度也會(huì)發(fā)生變化。在程序中可以對(duì)風(fēng)線進(jìn)行補(bǔ)償,但是補(bǔ)償?shù)氖且粋€(gè)定值,當(dāng)風(fēng)線比較長(zhǎng)時(shí),風(fēng)線就會(huì)呈現(xiàn)逐步變寬的趨勢(shì),實(shí)際寬度就會(huì)超過實(shí)際補(bǔ)償?shù)闹?切割出來的效果就會(huì)引起誤差。隨著被切割管材的厚度的變化,風(fēng)線寬度引起的誤差就會(huì)不同,厚度越大引起的誤差也會(huì)越大。

為了保證相貫線長(zhǎng)度這一重要技術(shù)指標(biāo)就要求槍擺在擺動(dòng)的過程中槍頭應(yīng)該始終指向管材表面的同一點(diǎn)上,也就是弧板的圓心應(yīng)該在管材的表面上。如果補(bǔ)償不及時(shí),就會(huì)出現(xiàn)如圖8所示的情況,由于不圓度的影響造成弧板距離管材表面太近,造成實(shí)際切割軌跡距測(cè)量點(diǎn)的距離大于要求軌跡距測(cè)量點(diǎn)的距離,產(chǎn)生正誤差,如果弧板距離管材表面太遠(yuǎn)就會(huì)出現(xiàn)相反的情況。

圖8 切割軌跡

3.3 調(diào)整拉筋長(zhǎng)度公差

通過對(duì)影響因素的分析,測(cè)量、統(tǒng)計(jì)、總結(jié)歷史相關(guān)數(shù)據(jù),針對(duì)不同的拉筋類型,在拉筋切割馬鞍口環(huán)節(jié)進(jìn)行誤差修正,具體修正數(shù)據(jù)如下:

1)拉筋兩端與導(dǎo)管相交的拉筋:

直拉筋:按照理論值切割;

斜拉筋:-13 mm至-17 mm。

2)不與導(dǎo)管相交或一端與導(dǎo)管相交的拉筋:

直拉筋:按照理論值切割;

斜拉筋:-8 mm至-12 mm。

3)井口導(dǎo)向管段:-2 mm至-4 mm。

拉筋卷制和尺寸控制單位按照此建議值執(zhí)行,為防止出現(xiàn)拉筋過短的情況,實(shí)時(shí)跟蹤并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整長(zhǎng)度公差建議,經(jīng)過3個(gè)導(dǎo)管架的驗(yàn)證,現(xiàn)場(chǎng)修口率降低60%。證明了此誤差修正辦法行之有效。后期根據(jù)項(xiàng)目的運(yùn)行該公差再進(jìn)行不斷的修正。

4 結(jié)論

在導(dǎo)管架中,拉筋的比重特別大,拉筋預(yù)制作為導(dǎo)管架建造過程中的重要環(huán)節(jié),合理修正導(dǎo)管架拉筋預(yù)制公差,極大程度上提升了組對(duì)精度、質(zhì)量,提高了施工效率,拉筋預(yù)制過程受眾多因素影響,本文僅從提及的因素進(jìn)行考慮,為后續(xù)導(dǎo)管架陸地建造和尺寸控制研究提供借鑒和指導(dǎo)。