自升式平臺基于余量補償理念和樁腿精度控制

沙建

5摘? 要：平臺在建造過程中會刻意預留余量，余量是指零部件加工過程中，經過預處理、校正、焊接等多次處理之后，鋼板會產生變形收縮。所以在進行工藝量值的留取時會刻意多留一些，然后在制定的工序時進行余量切除。同樣為針對變形收縮，在進行平臺建造時，會刻意增加工藝量值，這部分的多余材料稱為補償量，補償量會在建造過程中慢慢消耗掉。余量補償系統(tǒng)屬于精度控制的一部分，對于平臺的建造精度以及利潤都有很多的影響。這些年在各大船廠以及研究機構都有意進行這方面的研究和統(tǒng)計。我廠基于自身優(yōu)勢，通過統(tǒng)計建造過程中的相關數(shù)據(jù)，建立自己的精度控制數(shù)據(jù)庫。通過借鑒以往的建造精度控制經驗數(shù)值，對在建的產品進行指導，達到提高產品建造精度的目的。

如上假設所示，焊件的縱向收縮量可以忽略。焊縫的沿縱向變形小，所以公式（1）可以進行變形為：

其中，、—焊接縫的橫截面積

焊接齒條的凝固態(tài)時的密度選取室溫25°時的密度值，如圖1.1所示;在進行焊接時，焊劑等焊材狀態(tài)處于流動，忽略變形，可取時的密度，，以下為各焊接層的橫向變形計算公式。

第一階段的焊接層為三角形，如圖4.15所示，設焊接完成后的焊接坡口變成，由此焊接縫的橫截面積：

式中，dh1為第一焊接層的厚度，同時是熔池的深度（cm）。

將式（3）代入到（2）中可以求得第一焊接層的變形收縮量：

其中，為第一階段焊接層的表面高度（cm）。

三角形焊接截面只會在第一焊接層出現(xiàn)，如圖1.2所示，其他焊接層均是以梯形為主。在進行理論計算時要可做更一步的簡化，梯形簡

化為矩形。其中矩形的長為梯形的上下底和的一半：，

矩形寬為W_w=dh，W_n' 為第n層的焊接縫的表面寬度，h_n表示為坡口處的焊接層的表面寬度。

焊后的接縫處的寬度變化量小，長度方向較長，所以考慮焊縫的長度變化。根據(jù)質量守恒定律，可得：

焊接過程中，齒條與焊劑之間會存在溫度差，處于150℃至200℃之間，焊接完成之后齒條焊接處會冷卻至室溫，至此形變值最大。在進行計算時，選在室溫25℃下的彈性模量，對照應變率0.001下的塑性應力應變曲線，可以得出焊接處的應力為

假設齒條的焊接處的應力應變一直處于彈性變化范圍內，而齒條本身與焊接材料之間有相互作用，計算不同焊接層在受到約束作用下的橫向角變形量與收縮量。焊接層已至第n層，現(xiàn)求第n+1的橫向的角變量以及收縮量：

根據(jù)正反面的焊接順序，分別計算各個焊接層的橫向角變量和收縮量。在焊接的過程中，為保證焊接的精度，會根據(jù)現(xiàn)場焊接的結果進行調整，調整焊接順序以及焊接參數(shù)。

1.4自升式海洋平臺樁腿齒條焊接變形計算結果分析

齒條的焊接單面為23層焊接層，雙面一共有46道焊接層。其中1～11層焊接層的厚度為4.2mm，2～23層的焊接層的厚度為3.8mm。如上，焊接熱量輸入不同時，熔池深度會不同。821A9AA0-B032-4355-8AC5-CDFF244BC32D

通過比較焊接完成之后的截面圖，可知當熱量較大時，焊接出現(xiàn)了新的裂紋，當熱量輸入較小時，焊接質量較好。這是由于熱量輸入較大時，會破壞原先焊接好的焊接層。

焊接進行時，采用正反面輪流焊接的方式進行。焊接過程中不斷通過正反面的焊接來控制調整變形。對于50KJ/cm和15KJ/cm這兩種工況進行計算，其中單次焊接第一層、第二層和第三層時的角變量和橫向的收縮量。計算表明，15KJ/cm工況下的焊接變形小于50KJ/cm工況下的焊接變形，在進行這三層焊接層焊接時，后面的焊接層對前面的焊接層變形起到矯正作用，最終保證角變形的變形量。

2.采用余量補償法的精度控制

平臺在建造多采用分段建造法，精度的控制也是伴隨分段建造進行，最終達到精度控制要求。階段性的精度控制有助系統(tǒng)總結階段性控制建造精度，有助于精度控制數(shù)據(jù)化。

建立余量補償系統(tǒng)有助于精度控制，但是如何進行余量補償系統(tǒng)的建立則是一大難點。首先借助于船廠的自身優(yōu)勢，進行相關數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，即在各個階段需要的變形量、余量以及切割量等。尤其是現(xiàn)代計算機技術的飛速發(fā)展，有助于數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計。

在系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集的過程中，一般會使用以下方法。對建造中的分段或總段對比直方圖，測量偏差值。對各個工序進行分別測量，測量過程中，各個結構件不僅僅是結構件進行測量，結構件中型材等都要進行測量。直觀的解釋就是各向都需要進行測量。對建造過程中變形進行余量補償，余量補償過程中也要記錄相關的偏差值。

在平臺建造過程中，各階段的補償量的確定是依照標準偏差值為參照。建造各個階段的標準偏差量各有不同，所以對應的補償量可作為對應偏差量的正態(tài)分布^[1]。由梳理統(tǒng)計，正態(tài)分布疊加之后仍然是正態(tài)分布。所以各階段的補償量是可以按照各個階段制定，最終疊加之后即為最終的補償量。

由于平臺尺度大，建造過程中，會引起變形的因素有很多，所以補償量的確定過程即為艱巨和復雜。參考因素主要包括以下一些方面：平臺的結構形式，建造的分段形式，分段數(shù)量，建造方式，裝焊順序，裝焊方法，生產水平等等。在進行余量補償?shù)臅r候，可遵循以下建造原則：如果建造的平臺與之前的建造平臺類似，那么建造過程中可以借鑒以往的數(shù)據(jù)好經驗，從而預先有一個比較好的計劃。在進行裝配時，應選擇較好的建造工藝和裝配人員，盡量做到最好，避免勞動密集型的惡性循環(huán)^[2]。在建造過程中，相關的管理監(jiān)督部門要做好管理和監(jiān)督工作，步步為營，切忌隨意改動。在實行局部精度控制時，要盡量精確，不能隨意加減建造余量。

3.優(yōu)化余量補償精度控制的措施

3.1自建建造數(shù)據(jù)庫，逐步推行余量補償方法

作為船廠，有著自身的優(yōu)勢，有著第一手船舶建造資料，這是全面實現(xiàn)質量管理、縮短建造周期的基礎。這對船舶這種建造周期長的建造業(yè)而言，數(shù)據(jù)庫是先進的數(shù)據(jù)處理模式，數(shù)據(jù)庫能幫助船舶建造實現(xiàn)全面建造精度控制。

在船廠會設置專門的精度室，專門負責施工過程中的檢驗線、中心線和邊框線等網絡線的繪制工作。負責對建造過程中的數(shù)據(jù)進行收集和整理，建立各工序的精度數(shù)據(jù)庫，為補償系統(tǒng)的建立打下基礎^[3]。在相關數(shù)據(jù)收集之前，就要先行建立硬件庫以及數(shù)據(jù)庫，用于幫助工作人員進行數(shù)據(jù)收集和存儲。

各建造周期內的統(tǒng)計數(shù)據(jù)相差較大，這對于統(tǒng)計來講不利。這些不確定性主要是由于施工人員經驗不足，導致建造質量時好時壞。所以船廠方面首先要對施工人員進行系統(tǒng)的培訓，其次在施工過程中要注意施工必須按照施工要求進行，避免人為操作導致嚴重的建造質量問題。

此外精度控制部門要進一步做好數(shù)據(jù)統(tǒng)計整理工作，在制定建造手冊時，補償量的確定要更精確細化。但是通過統(tǒng)計建造數(shù)據(jù)，可見主船體的合攏基本可以做到無余量建造。這主要是因為在建造過程中，實時進行反饋和修正。比如肋距之間的間隔在原來設計的基礎上進行了放寬，這是由于現(xiàn)場操作時，焊接電流較大，熔化量超過了設計值。但是并非所有的分段都是如此，部分分段的建造時，保持電流和建造余量不變建造出來的質量很好，所以針對各個分段的建造措施是不一樣的^[4]。在進行余量補償精度控制時，統(tǒng)計數(shù)據(jù)的細化及其重要。

余量補償法的精度控制可用于樁腿制造的精度控制，對于提高樁腿的精度有一定的作用，制造過程中的誤差統(tǒng)計，對于樁腿整體精度的管理有著重要意義。

3.2 三維測量法在樁腿建造中的應用

樁腿尺寸大，為方便測量，船廠引入了三維測量儀。在引進三維測量儀之后，對樁腿結構的測量取得了很好的研究成果。引進這套系統(tǒng)之后，公司可以自行測量相關數(shù)據(jù)，且不會造成工期延誤，對于檢驗過程，也便于船東檢驗，直觀且有說服力。

首先是要明確測量要求以及相關規(guī)定，其次測量人員要掌握各測量要點。對于自升式海洋鉆井平臺井架基座的測量，主要是測量基座的主尺度超差是否在精度控制范圍之內。在進行測量時，要事先擬定測量手冊，確定測量順序，保證測量數(shù)據(jù)的連貫性。光靶片要永久性進行保護，確保測量過程中時刻都能進行測量，且保證每次測量都是獨立的。

4小結

本文對基于余量補償理念的精度控制方法做了闡述，對于在各個建造階段如何進行余量控制也做了很好的解釋。同時介紹余量補償過程中所使用的新型儀器，并簡述儀器使用方式。采用理論推導的方式對焊接變形值進行計算，從而為焊接工藝的改進提供有益的借鑒意義。

參考文獻：[1]Wang G， Meng X W， Peng M， et al. Design and analysis on fixation and jacking system of jack-up platform[J]. Journal of Machine Design， 2011， 28（7）：42-46.