異形結(jié)構(gòu)抽真空罩在沉管焊縫密性檢測(cè)中的應(yīng)用

劉 博，郭振生

（中交第一航務(wù)工程局有限公司天津市水下隧道建設(shè)與運(yùn)維技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300461）

引言

一般抽真空罩只是應(yīng)用于船舶建造過(guò)程中平直鋼板對(duì)接縫的密性檢測(cè)[1]，而非平直面結(jié)構(gòu)件的角焊縫、弧形縫等其它異形焊縫檢測(cè)應(yīng)用很少。且市場(chǎng)上存在的抽真空罩多是針對(duì)平直對(duì)接鋼板焊縫的平面型抽真空罩。密封鋼板是沉管端封門結(jié)構(gòu)的一部分，端封門的水密性主要通過(guò)焊接在沉管鋼殼與鋼封門之間的密封鋼板來(lái)保證，因此大型沉管隧道端封門安裝工藝[2]中均要求對(duì)密封鋼板進(jìn)行100 %磁粉探傷和氣密性檢測(cè)，這樣對(duì)確保沉管端封門無(wú)滲漏對(duì)隧道沉管沉放安裝起到至關(guān)重要的作用。根據(jù)沉管實(shí)際情況，密封鋼板的焊接質(zhì)量以及氣密性檢測(cè)手段可以參照鋼制海船船體密性試驗(yàn)的方法[3]進(jìn)行抽真空密性試驗(yàn)檢測(cè)的方式。

1 工程概述

1.1 密封鋼板作用及分類

深中通道端封門密封鋼板四周全部采用6 mm高的焊角滿焊，焊接完成后要求進(jìn)行100 %磁粉探傷和100 %抽真空檢測(cè)，確保焊接質(zhì)量和水密。

深中通道沉管密封鋼板分為兩類，第一類是焊接于鋼封門與鋼封門之間，寬 100 mm、厚6 mm 的板條型密封鋼板，在沉管左右行車?yán)鹊蓝朔忾T的板條型密封鋼板每根長(zhǎng)7.32 m，對(duì)應(yīng)編號(hào)為：16-1；中廊道處的板條型密封鋼板每根長(zhǎng)7.42 m，對(duì)應(yīng)編號(hào)為：16-2。第二類是圍繞沉管行車?yán)鹊浪闹芤约爸欣鹊浪闹芘c鋼封門之間的L型，尺寸為：140×140×6 mm 的圓弧密封鋼板，L型圓弧密封鋼板采用分段制作，分段編號(hào)從15-1至15-11。密封鋼板型式及分布如圖1 和圖2 所示。

圖1 沉管密封鋼板型式

圖2 沉管密封鋼板分段布置示意圖（左右車道對(duì)稱）

1.2 密封鋼板安裝型式

板條型密封鋼板因?yàn)楹附佑阡摲忾T與鋼封門之間，焊縫在鋼封門的水平面上，且板條型密封鋼板自身板厚僅為6 mm，所以其角焊縫與平直面鋼板焊縫基本無(wú)差別，可以使用平面抽真空罩進(jìn)行密性檢測(cè)，在此不再贅述。

L 型密封鋼板焊接安裝于沉管行車道、中廊道鋼殼四周與鋼封門之間形成的夾角處，采用分段制作、安裝，型式如圖3 所示。根據(jù)深中通道沉管主體鋼殼端口部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合密封鋼板分段布置圖，可以看出L 型密封鋼板安裝后共計(jì)分為五種典型夾角。其中15-1 與15-2 之間、15-1 與15-7 之間夾角角度為135°；15-5 與15-6 之間夾角角度為158°、15-2 與15-3 之間夾角角度為165°、15-4 與15-5 之間夾角角度為90°、15-8 與15-9 之間夾角角度為148°，如圖4 所示。

圖3 L 型密封鋼板安裝示意圖

圖4 L 型圓弧密封鋼板與沉管鋼殼間夾角示意圖

2 異形結(jié)構(gòu)抽真空罩設(shè)計(jì)構(gòu)思

因?yàn)槌凉茕摎ぶ黧w結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)因素，以及上述L 型圓弧密封鋼板安裝型式可知，在沉管鋼殼端口四周含有90°、135°、148°、158°、165°等5類折彎處形成的典型拐角。當(dāng)L 型圓弧密封鋼板安裝通過(guò)這些拐角時(shí)，其兩側(cè)的水平焊縫會(huì)隨著鋼殼端口拐角的影響而產(chǎn)生角度變化；同時(shí)L 型密封鋼板采用分段制作，分段對(duì)接焊縫為圓弧形。綜合這兩種因素影響，普通的平面結(jié)構(gòu)抽真空罩無(wú)法與密封鋼板圓弧面以及沉管鋼殼緊密貼合，抽真空檢測(cè)時(shí)無(wú)法形成真空密閉空間，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行抽真空檢測(cè)。所以此類位置的L 型圓弧密封鋼板焊縫檢測(cè)使用的抽真空罩必須設(shè)計(jì)制作成與此處沉管鋼殼拐角角度以及和L 型密封鋼板圓弧面能夠緊密接觸貼合，確保可以形成真空密閉空間的異形結(jié)構(gòu)抽真空罩，才能形進(jìn)行抽真空檢測(cè)作業(yè)。

根據(jù)深中通道沉管密封鋼板焊縫密性檢測(cè)必須達(dá)到100 %全覆蓋的要求，設(shè)計(jì)制作包含所有典型拐角處的異形結(jié)構(gòu)抽真空罩才能使L 型圓弧密封鋼板所有焊縫獲得100 %抽真空檢測(cè)，確保沉管像大海中行駛的船舶或者潛艇一樣滴水不漏。

3 異形結(jié)構(gòu)抽真空罩制作方法

異形結(jié)構(gòu)抽真空罩的設(shè)計(jì)制作尺寸及結(jié)構(gòu)型式，受到抽真空檢測(cè)作業(yè)面空間位置的限制和影響。所以必須清楚L 型圓弧密封鋼板的安裝型式以及沉管鋼殼端口部位的折角角度，才能確定異形結(jié)構(gòu)抽真空罩在各種典型拐角位置處進(jìn)行抽真空檢測(cè)時(shí)應(yīng)該設(shè)計(jì)成何種結(jié)構(gòu)狀態(tài)，包括其尺寸大小、結(jié)構(gòu)型式等的合理范圍。在深中通道沉管密性鋼板抽真空罩的設(shè)計(jì)過(guò)程中主要通過(guò)使用AutoCAD 等軟件進(jìn)行沉管鋼殼結(jié)構(gòu)、鋼封門結(jié)構(gòu)、典型拐角位置L 型圓弧密封鋼板三維效果放樣。然后再在三維放樣圖中，進(jìn)行異形結(jié)構(gòu)抽真空罩的型式尺寸放樣，最終將合理的設(shè)計(jì)尺寸導(dǎo)出進(jìn)行制作。

3.1 沉管鋼殼結(jié)構(gòu)放樣

按照沉管鋼殼主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑某叽纾M(jìn)行沉管鋼殼端口部位的三維圖放樣，并現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量復(fù)測(cè)，消除誤差。畫(huà)出沉管鋼殼端口結(jié)構(gòu)處的三維效果，這樣可以清晰的了解鋼殼主體結(jié)構(gòu)拐角位置。如圖5 所示。

圖5 沉管鋼殼端口結(jié)構(gòu)三維效果

3.2 沉管鋼封門安裝放樣

按照沉管端封門系統(tǒng)鋼封門的安裝圖紙，畫(huà)出沉管鋼封門安裝后密封鋼板安裝結(jié)構(gòu)位置的三維效果圖，這樣可以清晰的看到鋼封門安裝以后，L 型圓弧密封鋼板安裝空間。如圖6 所示。

圖6 沉管鋼殼端口安裝鋼封門后三維效果

3.3 L 型圓弧密封鋼板放樣

按照沉管L 型圓弧密封鋼板安裝型式以及密封鋼板分段布置圖紙?zhí)峁┏叽纾诔凉茕摎ざ丝诎惭b鋼封門后的三維效果圖的基礎(chǔ)上繼續(xù)畫(huà)出位于典型拐角處的L 型圓弧密封鋼板安裝三維效果。五種典型拐角三維效果如圖7 所示。

圖7 拐角L 型密封鋼板安裝三維效果

3.4 典型拐角位置異形結(jié)構(gòu)抽真空罩放樣

抽真空罩結(jié)構(gòu)一般使用8-10 mm 厚的有機(jī)玻璃板作為主材制作。抽真空罩罩口，即與沉管鋼殼及L 型圓弧密封鋼板圓弧面緊密貼合接觸部位結(jié)構(gòu)粘上材質(zhì)柔軟、易收縮、回彈性好的海綿密封條。海綿密封條通常選用30 mm 厚的泡沫棉或直徑30 mm 左右的空調(diào)保溫管。

通過(guò)幾種典型拐角位置L 型圓弧密封鋼板安裝三維效果放樣，可以初步確定相應(yīng)典型拐角異形結(jié)構(gòu)抽真空罩設(shè)計(jì)的大概尺寸。L 型圓弧密封鋼板焊縫邊緣距離沉管邊緣距離根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙可知其最窄處為220 mm，所以異形結(jié)構(gòu)抽真空罩距沉管邊緣的結(jié)構(gòu)面最大設(shè)計(jì)尺寸不應(yīng)超過(guò)220 mm。因?yàn)楫愋谓Y(jié)構(gòu)抽真空罩的各個(gè)結(jié)構(gòu)面基本都是相連接的，確定好一個(gè)結(jié)構(gòu)面的某條邊的尺寸范圍以后，與其相連的另一個(gè)結(jié)構(gòu)面的某條邊的尺寸就都可以確定好一個(gè)大概的合理范圍。考慮異形結(jié)構(gòu)抽真空罩本身材質(zhì)厚度以及一般選用的海綿密封條的厚度為30 mm 左右，我們?cè)O(shè)計(jì)異形結(jié)構(gòu)抽真空罩距沉管邊緣結(jié)構(gòu)面的寬度為190 mm，這樣異形結(jié)構(gòu)抽真空罩與其相連的其它幾個(gè)結(jié)構(gòu)面的某些邊的尺寸也能確定處某一個(gè)邊的尺寸為190 mm。

在此需要特別注意的是考慮到L 型圓弧密封鋼板圓弧半徑為 R74 mm，海綿密封條厚度為30 mm，密封鋼板厚6 mm 三個(gè)因素。異形結(jié)構(gòu)抽真空罩與L 型圓弧密封鋼板圓弧面接觸的結(jié)構(gòu)面，其圓弧半徑最合理的尺寸為R65 mm。當(dāng)抽真空罩罩口壓緊到L 型圓弧密封板圓弧面上時(shí)，由于海綿密封條受力收縮，所以異形結(jié)構(gòu)抽真空罩的圓弧結(jié)構(gòu)半徑過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)導(dǎo)致罩口海綿密封條無(wú)法與L 型圓弧密封鋼板圓弧面緊密貼合，容易在L 型密封鋼板的圓弧中心位置出現(xiàn)未貼合的缺口，導(dǎo)致無(wú)法形成真空密閉空間。通過(guò)三維放樣以及現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)試驗(yàn)，確定異形結(jié)構(gòu)抽真空罩與L 型圓弧密封鋼板圓弧面接觸的結(jié)構(gòu)面。

圖8 異形結(jié)構(gòu)抽真空罩圓弧結(jié)構(gòu)半徑

根據(jù)以上兩個(gè)數(shù)據(jù)我們?cè)僭贚 型圓弧密封鋼板安裝三維圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行各種異形結(jié)構(gòu)抽真空罩的尺寸放樣，通過(guò)重復(fù)帶入不同尺寸數(shù)據(jù)，最終確定最合理的設(shè)計(jì)制作型式。

3.5 放樣數(shù)據(jù)導(dǎo)出至平面結(jié)構(gòu)制作圖

通過(guò)異形結(jié)構(gòu)抽真空罩的三維效果放樣，將其各結(jié)構(gòu)尺寸等數(shù)據(jù)計(jì)算測(cè)量并導(dǎo)出至平面結(jié)構(gòu)制作圖中。畫(huà)出異形結(jié)構(gòu)抽真空罩各個(gè)結(jié)構(gòu)面的平面結(jié)構(gòu)尺寸圖，圖中標(biāo)記好尺寸數(shù)據(jù)。這樣異形結(jié)構(gòu)抽真空罩的制作圖設(shè)計(jì)完成，可用于加工制作。

下面以90°異形結(jié)構(gòu)抽真空罩平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作圖為例進(jìn)行說(shuō)明。90°異形結(jié)構(gòu)抽真空罩用于沉管鋼封門與沉管立面墻壁以及沉管地面形成的夾角處，L 型圓弧密封鋼板在此處對(duì)接焊接到一起。從圖9 的三維效果放樣中可以看到，此處抽真空檢測(cè)用的抽真空罩結(jié)構(gòu)共計(jì)有3 個(gè)面，其中有2個(gè)面是與L 型圓弧密封鋼板、鋼封門、沉管鋼殼墻壁、沉管鋼殼地面接觸的帶有相應(yīng)圓弧角度的圓弧半徑結(jié)構(gòu)面，另外1 個(gè)面是與沉管鋼殼墻壁以及地面接觸的平面結(jié)構(gòu)面。3 個(gè)結(jié)構(gòu)面拼接到一起，在外口再粘上密封條即可與鋼封門、沉管鋼殼、L 型圓弧密封鋼板緊密接觸貼合，形成密閉空間進(jìn)行抽真空檢測(cè)作業(yè)。90°異形結(jié)構(gòu)抽真空罩平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作如圖10 所示。

圖9 90°異形結(jié)構(gòu)抽真空罩三維放樣效果

圖10 90°異形結(jié)構(gòu)抽真空罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作圖（單位mm）

4 實(shí)際應(yīng)用

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路及制作方法，深中通道L型密封鋼板抽真空罩共設(shè)計(jì)制作了90°、135°、148°、158°、165°等5 種異形結(jié)構(gòu)抽真空罩以及其它用途的異形結(jié)構(gòu)抽真空罩。在深中通道沉管密封鋼板焊縫抽真空密性檢測(cè)作業(yè)中獲得實(shí)際應(yīng)用，使用效果良好，確保了所有密封鋼板焊縫均得到密性檢測(cè)，檢測(cè)覆蓋率達(dá)到100 %，確保深中通道沉管隧道沉放安裝能夠像潛水艇一樣“滴水不漏”。深中通道沉管舾裝工程中各類型平面型、異形結(jié)構(gòu)抽真空罩的按照設(shè)計(jì)思路制作出的實(shí)物如圖11 所示。

圖11 沉管舾裝工程所用結(jié)構(gòu)抽真空罩實(shí)物

5 結(jié)語(yǔ)

本文以深中通道沉管密封鋼板焊縫抽真空檢測(cè)為例，講述了異形結(jié)構(gòu)抽真空罩在沉管密封鋼板焊縫密性檢測(cè)中的設(shè)計(jì)制作與實(shí)際應(yīng)用。異形結(jié)構(gòu)抽真空罩的設(shè)計(jì)成功解決了深中通道沉管舾裝工程中安裝在各種異形結(jié)構(gòu)和多種角度位置的密封鋼板焊縫氣密性檢測(cè)難題，滿足了深中通道密封鋼板焊縫100 %抽真空檢測(cè)要求。該設(shè)計(jì)制作方法為其它需要采用抽真空檢測(cè)的方式進(jìn)行鋼板焊縫密性試驗(yàn)的類似工程提供借鑒和參考。