直升機甲板方管支撐結構設計與建造工藝

楊 輝

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

0 引言

當前的海工平臺都設有專門的直升機甲板，其主要用途是使直升機能夠在平臺上安全著陸與起飛，其結構安全性直接影響直升機、人員及平臺自身的安全。

直升機甲板因其功能與安全性的要求，大多是以圓管作為支撐的懸空結構。此次上海中遠船務工程有限公司承接的FPSO（floating production storage and offloading，浮式生產儲油卸油裝置）項目中，由于生活模塊外部空間較為緊湊，直升機甲板與生活模塊主體結構重疊部分不及甲板面積的8%，且僅處于一個角上，規則、對稱的結構形式無法滿足對甲板的支撐要求，加之直升機甲板應具有相應的逃生、救助功能，需要一個獨立的支撐結構。

由于直升機甲板外挑距離大，需要采用大高度的斜撐以達到平衡。特殊的布置位置，導致支撐的復雜性、大尺寸及方管的多向性。為了滿足一定的美觀需求，直升機甲板支撐采用方管結構，同時也符合與生活模塊頂甲板的搭接要求。本文對支撐結構的設計與建造工藝進行介紹，其空間立體交匯的控制成為該項目的重點。

1 結構分析

1.1 結構布置

直升機平臺共分為兩部分：甲板結構和支撐結構。支撐結構依附于生活模塊外壁上，甲板結構位于支撐的正上方，平面圖及側視圖見圖1和圖2。

圖1 平面圖（單位：mm）

圖2 側視圖

1.2 結構劃分

根據布置，大部分的垂向載荷需通過斜撐傳遞至生活模塊外壁上，支撐頂部與生活模塊頂甲板的搭接形式可以提供相應的水平拉力以使受力平衡，這需要支撐在頂部水平面內、垂直面內都具有連續結構。按照結構位置進行劃分，支撐結構可由2個水平面結構（Z軸面）、2個垂直面結構（X軸面和Y軸面）、1根獨立斜撐管及2個斜面結構組成，這樣的劃分與結構受力一致，同時也便于進行結構拆分，符合建造的要求，三維效果圖，如圖3所示。

水平面組立名分別為“-CDKA”及“-CDKB”（如圖2所示），垂直面組立名分別為“-CFR13”及“-CLP9”（如圖1所示）。

圖3 三維效果圖

2 結構相貫線

支撐結構以方管為主，相貫線是生產設計中的難點。與圓管的完全對稱形式不同，方管軸向的方形截面特性存在旋轉角度影響，結構放樣時需要考慮方管相互間的位置、角度以獲得最佳相貫線。

2.1 建模及放樣的基本原則

由于支撐結構空間立體交錯，進行三維建模能對每個交匯點進行直觀的了解及處理，以獲得完整、準確的相貫線。建模采用AutoCAD軟件進行，其特點是可以對立體模型端點進行控制，對相交模型進行差集運算。結構建模及放樣的原則如下：

1）方管中心線對齊為主，邊緣對齊為輔。

2）水平方管表面與水平面平行，傾斜方管與水平面的交線應盡量與其截面線平行。

3）建模、放樣順序：先主結構后次要結構、先水平后垂直、先大夾角后小夾角方管。

2.2 建模

建模應符合組立要求，按組立進行圖層設置，具體步驟如下：1）將方管中心線按組立圖層建立空間立體框架；2）分別對各組立進行方管建模，建模應同時具有內、外表面；

3）針對每個空間交匯點進行真實效果檢查，調整方管角度及相貫線的外形；

4）檢查整體模型，符合“基本原則”要求。中心線立體框架如圖4所示。

圖4 中心線立體框架

2.3 相貫線截取

規則的方管可直接在平面圖中截取相貫線，2根及以上不規則的方管交匯點需要通過模型的差集運算來獲得相貫線，展開方管各表面合并于同一平面內，最終完成放樣，具體步驟如下：

1）根據組立及焊接順序將先行焊接的方管（連續方管）合并為整體；

2）運用差集運算將待展開方管扣除之前合并的方管；

3）炸開待展開方管，刪除多余的模型及外表面，保留內表面；

4）使用Z軸矢量建立沿方管軸線的坐標系，連續旋轉其中3個表面，使4個面互相平行；

5）使用“3點”建立平行于展開面的坐標系，并移動其中3個面使總寬等于外表面周長；

6）保證各面平行間距等于外表面折角的圓弧長，并用直線相連；

7）繪制相貫線圖、標注位置及坡口角度，1∶1打印。

相貫線展開如圖5所示。

圖5 相貫線展開圖（單位：mm）

要點：1）展開線起始端應以方管表面中心線為準，與建造要求保持一致；2）方管內、外表面展開尺寸的區別，僅存在于折角圓弧長；3）方管長度取兩端各展開線中間距最長值。

2.4 方管的定位

不規則的方管定位主要依靠軟件建模的特性，即相貫線同時位于相交的2個或多個構件上。與得出相貫線的方法類似，但差集運算對象相反。利用連續構件上的相貫線，并展開其表面即為定位線，標注尺寸后可為施工提供準確的定位信息，節點圖如圖6所示。

圖6 方管定位節點圖（單位：mm）

3 施工前準備

3.1 場地布置

建造場地分小組立和總組場地。場地選擇應盡量提高場地利用率，同時要留有回旋余地，并適當考慮供裝配用的零部件臨時堆放場地[1]。

建造場地要求平整，預埋鐵均勻布置，平面結構“-CDKA”小組立場地應與總組場地一致，以減少轉運工作。

水平面結構采用反造，與總組時的要求保持一致，減少翻身次數。其余兩個垂直結構無基面要求。

3.2 胎架準備

由于結構為桁架形式，需要在平整場地上制作專用鋼支架進行建造，也可在通用胎架上鋪設鋼板轉為平面，便于查找基面、繪制地樣線、固定管材及施工安全措施執行等。鋼板鋪設厚度不小于20 mm，平整度為±3 mm/m，鋼板下方胎架牙板間距不能大于1 000 mm。鋼板與牙板應焊接牢靠，焊角不小于5 mm。

鋼支架除方管端部加設外，中部應2 m～3 m加設一處。鋼支架水平撐應處于同一平面內，誤差不大于±2 mm。鋼支架圖如圖7所示。

圖7 鋼支架圖（單位：mm）

為使建造后的方管組立能順利出胎，可將支架卡口間距加大10 mm～20 mm并用楔塊塞牢，楔塊放置位置應統一，使方管整體可以在支架內移動。

3.3 材料準備

所有方管應該經入廠檢驗合格，組立前應經過矯直機調整平直，避免制作過程中的尺寸偏差。

4 施工步驟及相關要求

4.1 方管下料

方管下料根據難易度，分規則線型及相貫線兩部分。規則線型的方管直接采用手工切割，按照下料圖進行長度及端部坡口的開設，并標明“上表面”、“方位”、“零件號”等信息。折角處的圓弧按照相鄰兩側中角度大的開設。

有相貫線的方管下料應將相貫線 1∶1打印出來，貼于馬糞紙上進行修剪，同時將“上表面”、“方位”、“零件號”及坡口角度寫于紙上，而后進行劃線切割。相貫線劃線步驟如下：

1）使用模板，找出方管任意一個外表面的中心線。中心線不必連續至兩端，只需在方管兩端約1 m長范圍內畫出即可；

2）將修剪下的相貫線端口對齊中心線并包裹于管端部，注意校驗圓弧切線是否對齊樣板紙內部的圓弧檢驗線；

3）檢查管兩端樣板紙間的平行距離，使其與展開圖中的數值相一致，若數值不一致則說明方管不直，應校正后重新進行劃線，否則會造成方管角接時相貫線貼合不均勻。若符合下料尺寸則可沿相貫線描線、標注說明、切割、開坡口；

4）對于用樣板紙修割的方管，每根總長加放5 mm余量防止修割誤差，總組時現場修割、打磨。

4.2 地樣線的標識

標識地樣線前應確保鋼板鋪設完畢，與胎架焊接牢靠，平整度在要求范圍內。若在平地上進行組立，應確保方管固定鋼支架都能與預埋鐵有效焊接。

根據裝配圖中的地樣線進行方管中線的劃線，對角線誤差不應大于±3 mm，檢查無誤后根據中心線進行檢驗線的劃線。檢驗線以方管中心線向外偏移 400 mm（保證與方管外表面凈尺寸大于等于100 mm），可用于檢驗管材是否裝配到位及焊后的變形。定位線及檢驗線圖，以組立“-CDKB”為例，如圖8所示。

圖8 “-CDKB”組立定位線及檢驗線圖（單位：mm）

4.3 方管小組

方管小組時應按照由外到內、由大到小、先連續后斷開的原則進行裝配，同時做好臨時加強，典型節點如圖9所示。

圖9 典型節點圖

圖9中，如有3根及以上數量的方管接于一點時，考慮焊接因素，應注意裝配及焊接順序。下面以“-CDKB”組立為例簡單介紹制作流程。

裝配順序：S15～S17 → S22 → S23 → S24（焊接、檢驗），裝配時應按裝配圖10中要求進行臨時加強及定位卡板，便于總組時的吊裝及部分管材重新定位。

圖10 “-CDKB”組立裝配圖（單位：mm）

注意：裝配前靠模的位置必須準確標明，便于查找基點。

1）按照裝配圖中要求加設卡板及點焊，未有卡板的交點可直接焊接；

2）按照裝配圖中要求進行臨時加強，有卡板的地方用記號筆做出標識便于重新定位；

3）裝配完畢檢驗通過后，整體吊入總組場地。

圖10中加強數量為最低要求，加強材料不可小于20#槽鋼，現場可用其他材料多設幾道代替。

4.4 方管總組

方管小組完畢后，將“-CDKA”小組場地重復利用進行總組?！?CDKA”小組結束并檢驗、校正完畢后即可進行靠模的定位。

4.4.1 安裝靠模

“-CDKA”定位完畢后，在其上豎立靠模，靠?？捎娩摪寤蚱渌Y構方管進行制作?？磕Ｑb配前應校正平直，平直度控制在2 mm/m，總長不能有旁彎。裝配前應將相應定位位置用油漆標識出來。3處靠模必須能保證垂直，且有一定剛性，靠模之間用20#槽鋼進行連接，對應“-CDKB”處加設斜撐，頂部向下斜拉鋼索固定。

4.4.2 具體裝配順序

“-CDKB”小組前應先按照圖10進行臨時支撐的設置，以便于放置小組立“-CDKB”。圖10中僅顯示支撐的節點及相關位置，定位加強時還應加斜撐，斜撐至少在兩個互相垂直的方向加設。具體裝配順序如下：

1）將檢驗完畢的小組立吊放于支撐上，對照地樣線、靠模進行定位；

2）組立“-CFR13”及“-CLP9”進行總組；

3）確定位置正確后，割除臨時焊接點，分別將S15、S16向結構外部平移，將S24順時針旋轉，為S23留足焊接空間；

4）安裝 S10散裝方管，按照結構圖中的節點進行定位，檢查無誤后將S10與S17進行焊接；

5）按照小組時做的定位肘板處的標識恢復S15、S16，對照地樣線檢查后進行焊接；

6）恢復S24，并進行焊接；

7）拆除卡板及臨時加強，并進行焊接。

4.4.3 散裝方管的裝配

散裝方管的裝配可分為4個步驟進行，立體圖見圖11。

圖11 總組立體圖

1）先裝S27，焊接完畢后安裝S28；

2）分別在“-CFR13”及“-CLP9”裝配定位前先行將S30、S32裝配到定位點附近，待上述2個小組立裝配完成后，分別將這2根方管裝配到位；

3）待S30、S32焊接完畢后裝配S29、S33；

4）裝配S31、S34。

注意要點：安裝方管時，有方管覆蓋的焊縫處必須待上一構件焊接、檢驗、探傷完畢后方可進行后續方管的安裝及焊接。

5 焊接要求

方管焊接均為全熔焊，由于焊接接頭眾多且形狀多樣，采用常規的襯墊焊無法滿足全熔的要求，檢驗容易出現缺陷，還會影響施工效率。

鎢極氬弧焊，焊接工藝性能好，電弧燃燒穩定，焊縫成形美觀，能進行全位置焊接，是實現單面焊背面成形的理想焊接方法[2]。為進一步提升焊接效率，焊接將采用氬弧焊打底，手工焊填充蓋面的方式進行，具體坡口形式見圖12和圖13。

圖12 方管對接坡口圖（單位：mm）

圖13 方管角接坡口圖（單位：mm）

單面焊背面成形操作時，可以觀察焊接熔池狀態來判斷是否焊透。當熔透時，重力會使熔池下沉，熔池的表面下降且面積有所擴張。若不下沉，說明尚未熔透。若下沉過多，出現凹陷，則說明背面已焊漏[3]。焊接參數見表1。

6 檢驗

1）所有焊接均為全熔焊，并按照相應的無損探傷圖進行UT、MT檢查；

2）裝配時嚴禁在坡口內進行定位焊；

3）焊前坡口必須打磨光滑，周邊不應有油污、底漆及缺陷，有缺陷處應提前進行修補；

4）焊接如果出現過多不平整、明顯凸凹不均、端部裂紋或其他不符合標準的缺陷，則應拒收并修補達到標準要求；

5）拆除馬板時盡量避免敲擊、掰拉現象，可用砂輪機打磨去除。若損傷方管母材應進行修補，并做UT檢查。

表1 焊接參數

7 結論

本文通過對方管支撐這種特殊結構的分析、研究，介紹了此類結構是如何設計與建造的。看似雜亂無章的空間立體結構通過合理拆分、化繁為簡，最終順利建造完畢，為設計提供了思路，為生產建造提供了指導，同時也積累了經驗，為后續承接類似項目提供了基礎。

[1]黃浩. 船體工藝手冊[M]. 北京: 國防工業出版社,2013.

[2]陳祝年. 焊接工程師手冊[M]. 北京: 機械工業出版社, 2002.

[3]中國船級社. 材料與焊接規范[S]. 2015.