自升式平臺樁腿超厚度齒條切割工藝

馮小東，王維玉，馬向前，李虎請，賈寶春，張永杰

（1. 鄭州天時海洋石油裝備有限公司，河南 鄭州 450000；2. 大連船舶重工集團海洋工程有限公司，遼寧 大連 116000）

0 引 言

隨著我國海洋油氣開發的進程不斷加快，適應更深水域油氣勘探和開采的移動式海洋工程平臺越來越重要。自升式平臺在各類工程平臺中占有很大的市場份額，主要由平臺主體、樁腿、升降機構和其他專用設備組成。樁腿齒條是自升式平臺的核心組成部分，承載著平臺的全部重量和載荷，樁腿齒條的材料和性能決定著自升式平臺的承載能力和適用的海域[1-2]。隨著平臺承載能力的提高和作業水深的增加，樁腿齒條的厚度越來越大。為解決適用于深海域自升式平臺的超厚度樁腿齒條（厚度≥210mm）的材料和制作工藝等方面的問題，對產品的生產工藝進行研究是現階段海工裝備企業亟待重點關注、重點突破的項目。

1 超厚度齒條的材料性能和公差尺寸要求

所涉項目對自升式平臺樁腿齒條的設計技術要求及超厚度齒條的材料和加工技術要求為：

1) 210mm超厚齒條的材料為可焊高強度調制鋼，牌號為ASTM A517GrQ，屈服強度為690MPa，抗拉強度＞790MPa，-40℃溫度下CVN沖擊值＞69J；

2) 齒條的模數為95，采用火焰切割一次成型，不再進行其他后續成型加工；

3) 齒條的尺寸公差要求見表1。

表1 齒條的尺寸公差要求

2 影響超厚度齒條切割的關鍵因素的分析

對于厚度≤177.8mm 的齒條板切割，目前國內外的切割技術已較為成熟并已得到廣泛應用；對于厚度＞200.0mm的超厚度齒條板的切割，國內尚無明確的應用實例。這主要是由于板厚增加對切割工藝的要求更高，工程項目盡量慎用超厚度齒條，本文所述的超厚度齒條為目標平臺將要應用的新型齒條。該齒條板應用的鋼板牌號為ASTMA517GrQ，其熔煉化學成分見表2。

表2 ASTM A517GrQ熔煉化學成分

2.1 合金成分對鋼材切割的影響

鋼材中合金元素的成分和含量不同會改變鋼材的相變點溫度，改變共析點S的位置，改變Y相區的形狀、大小和位置[3]。此外，合金的結晶溫度區間越寬，合金的流動性越差。在熔煉大厚板時，適當增加合金元素的含量有助于保證板材的綜合力學性能，但可能會使鋼材的流動性更差。

鋼板常用的切割下料方式有火焰切割、等離子切割、激光切割和水切割等。但對于超厚度的齒條鋼板而言等離子切割和激光切割無優勢。經濟環保的水切割同樣無明顯優勢。因此，在目前的技術條件下，超厚鋼板的切割采用的還是操作相對復雜、技術要求較高的火焰切割方式。

鋼板中合金元素銅、鉻、鎳、錳等的含量過高會增加切割難度，不利于火焰切割。

2.2 厚度增加對切割的影響

當利用火焰切割技術加工零件時，鋼板切口下部的氧氣流量越小、純度越低，氣流挺度越弱，工件越厚，上述現象越明顯，切割表面越易產生弧度。切割時上下燃燒不均勻會使切割質量變差。另外，切割是對局部進行快速加熱，在熱量傳遞過程中，溫度分布并不均勻，切割邊附近的冷卻收縮與其他部分的冷卻收縮不一致，這會使工件產生熱變形，對于超厚板來說引起熱變形的可能性會更大[4]。

3 超厚度齒條切割關鍵點及解決方法

齒條最后的精度尺寸是評定齒條切割成功與否最主要的條件之一，保證齒條一次性切割成型之后的尺寸符合要求尤為重要。影響切割質量的因素有很多，大致可分為內因和外因。內因即鋼板的成分、厚度和表面狀態等；外因即氧氣含量、預熱溫度、切割速度和切割參數等。

為解決超厚齒條切割易出現的問題，采用以下措施：

1) 嚴格控制鋼板自身的平整度；對承載平臺進行改進，以便在平臺上放置鋼板后受力均勻，整體平整度符合要求。

2) 改進鋼板固定約束工藝，結合定向約束法對鋼板四周進行約束，防止鋼板飛邊彎曲變形影響成品齒條的精度。

3) 在切割完成之后，對成品齒條進行保溫緩冷，起到防裂紋和防變形的作用。

4) 嚴格控制鋼板表面的狀態，清除表面的銹漬、油污等；適當提高鋼板切割前的預熱溫度。

5) 嚴格控制氧氣和燃氣的純度；在切割前對原有設備的氣路管道系統進行改進，保證硬件設施達到要求；在切割時保證氧氣壓力和燃氣壓力的穩定。

803 活化誘導胞嘧啶核苷脫氨酶在系統性紅斑狼瘡患者腎組織中的表達及臨床意義 李 楊，黃鄧高，曹 卉，鄭琳麟，高元慧，范忠誠

6) 優化相應規范，根據合理的切割工藝規范，對氧氣壓力、預熱溫度、切割速度和切割參數等進行優化調整，獲取適合大厚度齒條的材質和厚度。

4 超厚度齒條切割工藝

超厚度齒條的制作環節需具有技術積累、設備能力和管理能力，并按照合理的工藝程序完成。制定合理的工藝流程可減少切割工作的盲目性，提高工作效率。大厚齒條的工藝完全按照圖1所示的流程制定。

圖1 工藝制定流程圖

采用ASTM A517 GrQ的調制鋼板，鋼板中含有較多的合金元素，有些合金元素可能會提高鋼板的冷裂敏感性，在火焰切割齒條時可能會出現淬硬組織，因此必須在切割前進行預熱，在切割后進行保溫緩冷。根據合金鋼切割預熱溫度的計算式[5]進行分析可知，工件的碳當量越大、厚度越厚，切割時的預熱溫度就越高。對于本文所述超厚齒條來說，經計算，碳當量Cep= 0 .79，Tph=305℃。而在實際生產中，車間的環境溫度、工況條件和生產效率等對產品的預熱溫度設定都有一定的影響，結合實際生產經驗將切割前的預熱溫度確定為170～200℃。

采用火焰切割鋼板件時，若要獲得良好的切割表面質量，必須有一個完善的切割工藝規范。特別是在切割超厚度鋼板件時，更需使氣割氧氣壓力、行走速度等工藝參數完美結合。在切割大厚度鋼件時，由于氧氣壓力較高，不但會使氧氣流變成圓錐形，而且會增大氧氣流的冷卻作用，進而影響切割質量和切割速度。實現大厚度鋼板氣割最重要的條件是向氣割區提供足夠的氧氣流量。鋼板中的銅、鉻、鎳、錳等合金元素的氧化物的熔點比合金元素本身的熔點高。若鋼板中合金元素的含量過高，會增加切割難度，不利于火焰切割的進行。在生產中，切割速度過快會造成切割面出現波浪狀等缺陷，甚至導致切不透；而切割速度太慢會造成切割面上部被燒傷，出現過燒現象。

采用原成熟的齒條切割工藝對該210mm大厚度齒條進行試切割，得到一個表面質量，將其與177.8mm成品齒條的切割表面質量相對比，結果見表3。

表3 切割表面質量對比

造成表3中210mm切割面表面質量較差的原因可能有氧氣壓力過小、切割速度過快和割嘴高度過高等。原成熟切割工藝規范已無法滿足210mm超厚度齒條的切割要求，必須進行優化。

根據工藝規范制定流程，首先將切割機各項參數設定為原成熟切割工藝規范，然后對鋼板進行直線試切割，檢測切割之后的表面質量。觀察切割表面是否有缺陷，若有缺陷，記錄缺陷的類型并分析可能的原因，從而對切割機的切割氧壓力、預熱氧壓力、燃氣壓力、行走速度和割嘴高度等進行調整。在直線試切的表面質量（粗糙度和垂直度）符合要求之后再進行齒形試切割。齒形切割與直線切割最大的區別是在進行齒形切割時，槍頭行走不平行或垂直于導軌切割行走過程中有圓角。行走軌跡不同會對工件的熱變形和切割表面的垂直度有一定影響，但對切割表面的粗糙度影響不大。一般情況下，直線試切的表面粗糙度完好，齒形試切割只需根據試切數據對變形量和表面垂直度進行修正。

結合工藝規范和大量的試切數據，運用有限元分析法和極限法等方法，經過多次調試，最終得到切割表面質量較好、尺寸精度合格的齒條（見圖2）。由此制定一套合適的針對210mm超厚度齒條的切割工藝規范。

在制定該切割工藝規范時，首先考慮到鋼板厚度增加會提高對支撐平臺的剛性要求，工件變大使熱變形控制變得困難，因此須改進對工件的固定約束裝置。在改進切割工藝規范時，考慮到鋼板的厚度增加因素，在試驗時提高鋼板的預熱溫度并采取保溫處理，防止變形和冷裂；同時，為使鋼板充分燃燒，應提高氧氣流量等參數值。當然，最主要的還是各參數間要相互配合。

圖2 成品齒條切割

5 齒條結果檢測

成品齒條尺寸結果見表4。此次生產的6根齒條完全符合技術要求，樣品最終順利通過甲方驗收和美國船級社的認證，甲方在后續項目制作過程中對該產品的評價較高。

表4 成品齒條尺寸

6 結 語

超厚度齒條由于板厚和合金成分的增加，使精度切割變得非常困難。運用制定的齒條火焰切割工藝規范能切割出高質量的超厚度雙面齒條。雖然該切割工藝規范是依托原工藝制定的，但從工藝規范制定的角度來看，仍不失為一個全新的產品，可為以后新產品工藝規范的制定提供樣例。

應用制定的超厚度齒條切割工藝規范完成國內小批量的210mm大厚度齒條的切割，產品質量達到技術指標的要求，獲得了美國船級社和甲方的認可，為以后深水海域自升式平臺超厚度樁腿齒條的批量生產奠定了基礎。