自升式工程船舶樁腿齒條損傷原因研究及修復

陶倬君，苑思敏

（上海振華重工集團股份有限公司，上海 200125）

自升式工程船舶是工作在離岸深水條件下的自升式工作船，主要用于海上工程的建造、安裝、運行及維護等作業(yè)，是整個海上工程的關鍵設備。通常有4條樁腿，每條樁腿有兩根齒條，齒條與升降系統(tǒng)爬升齒輪嚙合，驅動船體或樁腿上下移動。樁腿和平臺主體主要受風浪流等外界環(huán)境負荷的周期性影響以及平臺自身的重量及設備沖擊、震動等復雜載荷作用，易造成樁腿齒條等部位疲勞損傷。而且，工程船船的工作特點與一般鉆井平臺還有很大區(qū)別，鉆井平臺升降系統(tǒng)工作頻率非常低，一年就升降幾次。但是，工程船齒輪齒條不僅負荷大、沖擊載荷、轉速低，而且在惡劣海洋環(huán)境下頻繁插拔樁作業(yè)。經(jīng)過幾年的頻繁使用，在日常檢驗發(fā)現(xiàn)一些齒條損傷比較嚴重。為了排除隱患，延長樁腿齒條的使用壽命，對樁腿齒條進行了全面的檢測。根據(jù)檢測的結果，研究齒條損傷機理，提出修復方案。

1 齒條檢測及結果分析

樁腿齒條材質(zhì)為ASTM A514。樁腿長度90m，每條樁腿對稱分布兩根齒條，單側齒條324個齒。齒條寬度為140mm。升降系統(tǒng)和樁腿圖片見圖1。利用大模數(shù)齒條齒形測量專用工具、無損探傷設備對齒條磨損量、表面金屬疲勞剝落、裂紋等進行了全面的檢測，并對每個齒進行編號記錄。每條腿共檢查360個齒。從檢測的結果看，齒條齒面主要有以下缺陷：（1）齒面塑性變形（翻邊）。（2）齒條表面磨損。（3）齒表面金屬層狀剝落。（4）齒面裂紋。（5）齒頂嚴重磨損。

齒面塑性變形（翻邊）比較明顯，特別是在經(jīng)常使用的樁腿50～65米位置，最大翻邊在10幾毫米；最大單齒面磨損達到7.5毫米；部分齒面存在金屬疲勞層狀剝落；部分齒面存在裂紋，初步處理后，裂紋仍然不能去除；樁腿40米以上齒條齒頂磨損較為嚴重，磨損量最大20mm。齒條典型損傷圖片見圖2。

圖1 升降系統(tǒng)和樁腿

圖2 齒條損傷圖片

2 齒條損傷原因研究

齒條損傷的影響因素很多，下面對各種原因進行分析。首先升降系統(tǒng)的齒條工作工況惡劣，鉆井平臺一年才升降幾次，但是工程船舶一個星期就需要升降2次左右。鉆井平臺就位后進行載荷轉移，船上載荷全部由鎖緊承擔，然后幾個月都不會再移動；工程船舶在工作狀態(tài)，大車載荷在月池內(nèi)不斷移動，可能會發(fā)生樁腿下沉，需要隨時調(diào)整船體水平狀態(tài)，所有的載荷都需要齒輪齒條承受，鎖緊很少能分擔載荷。而齒條嚙合表面有從海里帶上來的泥沙、貝殼等與潤滑油一起形成磨粒，容易造成磨損。人工涂抹潤滑油效果差，特別對于頻繁升降工況。

超大模數(shù)齒輪齒條傳動重合度低，效率較低。考慮到裝配、制作誤差及導向作用，實際上大部分齒輪齒條是單齒嚙合，單個齒條承受的載荷比理論上要大。齒輪齒條接觸實際上是一條寬度很窄的接觸面。而考慮到成本、材料性能、使用壽命、工況等因素，齒輪和齒條采用調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度偏低。綜合以上因素，在頻繁升降、重載、振動等作用下，達到一定壽命后易發(fā)生齒面磨損、塑性變形。齒條火焰切割時，在表面形成了2mm左右厚度的硬化層，在爬升齒輪反復碾壓下，硬化層和母材脫離，形成金屬的層狀剝落。

齒頂?shù)哪p主要是與導向的摩擦引起的。摩擦力的大小主要是由摩擦系數(shù)和正壓力決定。現(xiàn)場潤滑條件差，摩擦系數(shù)較大。而樁腿傾斜會導致導向處水平力增大。

3 齒條修復要求

通過計算分析齒條的強度以及齒輪齒條嚙合情況和整個升降系統(tǒng)的受力情況，在實際檢測數(shù)據(jù)的基礎上提出以下修復技術要求。

（1）齒面磨損量＞=6mm需要修復。修復尺寸到原齒面，模板測量，齒面允許公差為-1～0mm。模板應在齒面多次測量，保證同一齒面壓力角相同。

（2）齒條齒頂磨損＞5mm，補焊修復到全齒高為152±1mm。

（3）修復后打磨后齒面粗糙度＜0.1mm。修復完成后齒面和齒頂要保證平整度±0.3mm。

（4）對圍井結構上部和中部導向塊內(nèi)開檔尺寸進行調(diào)整。

（5）齒條有裂紋必須打磨直到裂紋去除，打磨裂紋產(chǎn)生的凹坑應該打磨光滑然后補焊。

（6）修復后齒面和齒頂需要進行100%外觀檢驗和100%MT檢驗，不允許出現(xiàn)裂紋。

4 齒條的焊接修復工藝

4.1 齒條無損檢測與清理

通過磁粉探傷或者相控陣檢測，確認并標記出表面、內(nèi)部裂紋或其他缺陷的形位尺寸信息，在焊接修補前完成缺陷的打磨清除。要獲得關于齒面磨損量和齒頂磨損量的確切數(shù)值，考慮以圖紙和設計要求為基準，參照的鋁制齒條模板，測得準確數(shù)值并根據(jù)需要進行標記，為接下去的堆焊及打磨處理做好準備。

4.2 焊前預備

焊接人員要求必須持證上崗。在使用焊條前，必須保證焊條滿足在350～400℃的溫度下烘焙1小時這一要求，隨后，保溫所需的溫度要求為100～150℃。焊條的領用量為每次2.5kg，其在通電保溫桶中的保溫時間上限為4小時，如有超時，焊條必須退回焊條間，根據(jù)要求烘干方可再次使用，3次為焊條的烘干次數(shù)上限。領用烘焙完成的焊條后，必須保證其被保存在通電的保溫桶內(nèi)，保存溫度要求為120℃。齒條的預熱和保溫，可以通過在需要補焊或堆焊的齒條周圍搭建加熱工裝并固定電加熱設備來實現(xiàn)。同時，為在位置和空間條件方面，保證焊接實施所需的條件，需要在施工區(qū)域范圍內(nèi)搭建平臺或腳手架。因焊接施工對風速條件較為敏感，為了避免焊接件的冷卻速度受過大風速的影響，需要在施工現(xiàn)場設置相應的防風設施。在齒條上隨意點焊或搭焊都是不被允許的，并且加熱要求也有嚴格限制。

4.3 缺陷清理

打磨及加熱處理都能夠去除不滿足要求的齒形表面的鐵銹、油污以及氧化皮等雜質(zhì)。

應先確認焊件表面的裂紋及缺陷已經(jīng)全部去除，為滿足這一準備要求，施工前，需要將齒面或者裂紋清除部位打磨光滑平順，在待修補位置周邊至少50mm范圍內(nèi)，清除油污和鐵銹等雜質(zhì)，最后，針對焊接部位實施MT100%（干式）檢測。

4.4 齒面和齒頂?shù)亩押笇嵤?/h3>

焊前，要求預熱返修件的每個單齒距，預熱和道間溫度范圍的上下限為別為200和230，每小時50度溫升是預熱和后熱的理想速率，時長不小于2h。

為確保焊接工作的順利開展，在施焊工作開始前，需要提前對計劃修補件做預熱處理，并安排專人對預熱溫度進行檢測及記錄。

10mm（φ4.0mm）為SMAW單道焊的寬度上線，熱輸入的熱量范圍必須控制在1.8～2.3KJ/mm之間。使用回火焊道技術進行焊道，在最后兩層，焊接順序從坡口兩邊向中間焊接。焊接位置因齒的不同而異，可依據(jù)WPS文件來確認焊接工作的要求。3mm為齒面堆焊時焊縫的常規(guī)打磨余量。考慮到實際情況下，不同齒的實際磨損量各有不同，需要現(xiàn)場計算每個齒的堆焊高度，可以通過參考實際測量的磨損量和技術要求來計算。堆焊施工結束后，需要立即實施后熱，溫度范圍要求為280℃±20℃，時限最低要求為2小時。焊縫加熱及保溫在整個堆焊過程中需要一直保持并持續(xù)到后熱結束。完成后熱后，因保持焊件的冷卻速率≤100℃/h。同時，通過硅酸鋁纖維毯的使用，雙面覆蓋焊縫，實現(xiàn)冷卻至室溫的目的。

齒面或齒頂?shù)拇蚰ィ枰诮Y束堆焊并待齒條冷卻至室溫以后進行，打磨齒面或齒頂并確保其平整，之后測量磨損量，確保齒面及齒頂?shù)哪p量數(shù)值在涉及允許的最大范圍之內(nèi)。磨損量的測量方法可以依據(jù)原方法，數(shù)據(jù)測量使用齒條模板和測量工具實施，同時需要做好結果記錄工作。

4.5 齒條補焊修復后檢測

在齒的修復工作完成后，包括焊接、后熱冷卻及齒形修磨，和目視檢測需要在72小時后進行。肉眼可見的表面缺陷在目視檢測中不被允許，同時，還需要進行100%磁粉探傷（MT）檢測，以確保缺陷完全修復且焊縫滿足標準要求。為確保焊件的焊件質(zhì)量及使用安全，在條件允許的情況下，還可通過CTOD進行內(nèi)部缺陷的檢測。對齒形參數(shù)進行測量，確保齒面、齒頂?shù)哪p量在設計允許的范圍內(nèi)。最終修復完成后效果見圖3。

圖3 齒條修復后效果

5 結語

本文先對齒條損傷的原因進行了研究和探討，為以后的齒條設計提供了借鑒。比如，可以考慮適當增加齒輪齒條表面硬度，提高耐磨能力；增加自動潤滑系統(tǒng)，避免潤滑不足；改變齒條壓力角和模數(shù)等參數(shù)，提高強度和壽命；選用更好的材質(zhì)等。然后對此次需要修復的齒條提出了修復要求，制定了修復工藝。最后共計修復了447個齒，修復后經(jīng)過檢測并評審，修復質(zhì)量達到了預期的效果。修復后進行了升降試驗并在現(xiàn)場進行了工程作業(yè)，目前樁腿性能良好，滿足使用要求。在修復的過程中，我們對每一個齒的修復前后、修復期間的各個數(shù)據(jù)都進行了詳細的記錄，并把所有的數(shù)據(jù)歸檔，以便在以后的日常維護檢查的時候提供參考。

參考文獻：

[1]AGMA2101-D04[S].

[2]AGMA908-B89[S].

[3]CCS,海上移動平臺規(guī)范[S].

[4]齒輪傳動設計手冊，化工版[S].

[5]JB-T5664-2007,重載齒輪失效判據(jù)[S].

[6]李軍.中國造船[J].自升式鉆井平臺齒條修復案例介紹,2010,51.