豪華郵輪薄板建造控制變形措施研究

王永強

(招商局重工(江蘇)有限公司,江蘇 南通 226100)

0 引言

目前薄板變形已成為船舶建造行業必須要面對的難題。豪華郵輪客房區、客滾船汽車滾裝甲板與跳板均采用超薄板來達到減輕空船重量、降低重心、提高穩性的目的,但薄板變形難以控制。船舶分段建造過程中,船廠常用的變形控制措施主要為火工校正,此方法費時費力且效果欠佳[1]。

本文在分析薄板變形原因的基礎上,對豪華郵輪建造過程中片體、分段、合龍階段引起薄板變形控制措施進行研究,同時結合世界郵輪建造發展現狀,指出用先進設備和流水線來解決薄板變形的趨勢。

1 豪華郵輪薄板使用要求

(1)優先考慮船舶的安全性。豪華郵輪甲板以上客房區高達十幾層樓高,橫向受風面積巨大,因此降低主甲板以上客房區的重量是保證船舶穩性最有效的措施。目前郵輪甲板或壁板的板材厚度、管材壁厚都很薄,鋼板厚度為3～6 mm,管子多用薄壁(1.5～3.0 mm)合金管代替普通厚壁碳鋼管。

(2)追求舒適性。為提高郵輪乘客居住和娛樂空間,客觀上就要求橫向跨度大、縱橫向骨材高度小。同時,為保持安靜,客房區實行柔性化設計,以減少剛性傳導和振動、噪聲等。

(3)追求郵輪外表的美觀性。豪華郵輪是一座移動的小鎮,供游客居住和享受,內部裝修美輪美奐,免稅店、酒吧、娛樂城、游泳沖浪等應有盡有[2]。這就要求船殼光順無瘦馬現象,每層客房甲板和房間內外走廊甲板都要達到很高的預制平整度,郵輪頂部露天的休閑娛樂區甲板平整度要求更高,而這些區域都使用超薄鋼板制造。為滿足超薄鋼板超高平整度要求,大量薄板集中使用時勢必產生較大的焊接變形[3]。

2 薄板變形原因分析

薄板在卸貨進庫、打砂油漆、切割下料、鋼板拼板、骨材安裝、焊接、火攻校正、翻身吊運等工序均會受到外力或熱量輸入的影響,這些工序都會在板內產生殘存應力。變形的片體用強制外力矯正,雖然解決了平整度問題,但內應力一直聚集在片體里,這個力會不斷尋找板片結構相對薄弱的區域釋放出來。這種情況下,即使是很少一點切割、焊接或外力擠壓都會造成板片無規則的嚴重變形。

3 片體小組立階段的控制變形措施

3.1 薄板使用前校平釋放內應力

薄板軋制的成材率很低,因規范對超薄板平均厚度和厚度公差要求遠高于中厚板。為保證鋼板厚度均勻,會增多碾壓次數,而多次碾壓會產生內應力,因而這種鋼材使用前要校平釋放應力。

3.2 選擇適當的裝卸貨和運輸工具

薄板極易發生角變形折彎,一般選擇多點磁力吊來裝卸,這樣薄板起吊時整個板面受力均勻,也可使用先進的多點式真空吸盤吊裝。嚴禁在薄板上焊接吊耳起吊和使用鋼板鐵鉤起吊。

要使用特制“門”字型平板托架存放和運輸薄板,避免轉運擠壓產生變形。也可以斜靠在“立柱”托架上運輸(使用鋼質平托盤效果更好)。

3.3 薄板預處理和下料后校平

薄板打砂預處理和數控下料一樣是一個熱加工過程。為防止薄板下垂,薄板通常被放在簡易圓鋼制作的網狀托架上進入預處理流水線的。預處理和下料后均需要對薄板進行1～2次的校平,以釋放薄板加工產生的內應力。

下料開孔采用套料過橋方式,板材開孔下料切割時預留搭橋,保留開孔區局部強度,防止后續施工過程中產生變形。采用手工、半自動或自動割刀切割時均需用小號割嘴進行切割,同時保持穩定的速度,從而防止邊緣切割變形。

3.4 鋼板拼板后校平

拼板作業需在表面平整且剛度好的鋼結構平臺上進行,拼板間隙應控制在0～0.5 mm范圍內。為保證拼板平直度,一般用厚鋼板或者壓鐵在焊縫間隙處采用剛性固定,且距焊縫間距達到埋弧焊機行程即可[4]。拼焊好后的板可以放在多滾矯平機上釋放應力,太寬的板片可以采用震動壓路機2次碾壓焊縫釋放焊接應力[5],或使用薄板拼板流水線,焊縫實行反變形FCB焊接。也可以使用線能量輸入更小的激光焊接拼板流水線(TWP)。激光焊接不用考慮焊接變形,但激光流水線造價很高。

3.5 型材安裝注意事項和使用先進的工裝

型材在預制裝配前必須矯正,變形的型材禁止直接流到下個安裝工序。所有拼板和型材的安裝都拒絕使用傳統的焊接碼板或門子架,建議采用磁力或真空無碼工裝裝配。型材安裝或焊接若有缺陷需返工,用打磨或鏟邊的方法來校正。

3.6 選擇合適的焊接方法及焊接順序

所有焊材應與母材相匹配,嚴禁用大直徑焊絲(焊絲直徑不大于1.0 mm)和大電流施焊。上建扶強材盡量多使用間段焊和單面焊代替雙面全焊接,以減少焊接量和焊接變形。實踐證明：控制焊腳高度是控制片體變形的最有效措施之一;厚度6 mm以下薄板結構角焊縫焊腳控制在2.5～3.5 mm,需由業務能力高的二氧化碳焊工作業。平直片體上結構和甲板縱骨的角焊接應用雙數半自動角焊機,采用對稱、交替和間隔中間到兩端焊接。若片體上型材焊接后產生角變形,則在板片翻身后采用雙頭半自動烘槍,對型材反面左右兩側進行背燒處理,釋放裝焊過程中的焊接應力。

嚴格控制施焊順序,按照從中間到四周、先對焊后角焊、先立焊后平焊、先焊結構焊縫后焊收縮量小的鋼板對接焊縫的順序施焊。對板片面積相對較大且扶強材較長的構件,用分步退焊法焊接,從中間向四周焊接,用跳焊法分散焊接量,避免在一個區域集中施焊。整個片體焊接完成后,翻身、自由狀態下校平,以消除片體上的焊接角變形[5]。

3.7 提高片體鐵舾裝率

舾裝安裝工序前移,減少分段階段預舾裝,在片體階段盡量安裝一些不影響翻身、運輸的舾裝件。長的舾裝可在片體上先校平,進入組立階段再接長,盡量減少在薄板上熱工的次數以減小焊接變形[6]。貫穿件如電纜或管材穿過薄板,需要一次性在薄板上開好孔并做相應的加強補償和校平應力釋放,確保后續構件穿艙時不會引起這個區域變形。

4 分段建造階段的控制變形措施

4.1 薄板分段建造的胎架要求

胎架基座需要有非常強的剛性,橫、縱向胎板的間距小于500 mm;橫縱方向的連接模板高度為250 mm,模板厚度大于10 mm,保證分段胎架板具有足夠強度,并采取固定措施,不得使胎架處于自由狀態。曲面胎架要求嚴格按照外板形值表中的數據制作,并報精度管理部測量檢驗,確保曲面上胎板的精度滿足要求后才能使用。

4.2 分段裝焊變形控制措施

為控制裝焊變形,胎架板需使用“7”字形胎架與卡板進行拉靠固定;卡板拉靠需根據分段實際情況進行增設,禁止用耳板、胎架板和胎架直接施焊。型材、構件應按照圖樣核對形狀、尺寸和數量,扭曲或變形的型材修整或更換后才能安裝。

分段焊接完畢后進行火攻校正以滿足精度要求,經船東、船檢外檢全部通過后方可下胎。下胎后的分段除了分段合龍口外盡量不要再有熱工發生[6]。脫胎吊運前評估分段的局部強度,強度不足的地方增加輔助小型材,防止吊運時發生變形。

為減少結構的變形和保證光面的美觀,因吊運或合龍要求設置的分段吊碼及其加強材應設置在分段的結構面,杜絕設置在分段的光面。這些吊碼或加強材在不影響內部其他結構的情況下,切割留根后要進行打磨處理,以減少切割引起的變形。

4.3 減少分段預舾裝階段變形

分段下胎后進入預舾裝階段,該階段是引發分段薄板變形最主要的時期。為防止薄板變形,禁止一切舾裝件直接焊接在薄板上。除連接在片體階段已經預埋“短根”上的舾裝件,其他所有舾裝件都要生根在臨近的骨材上,用橋接或轉角連接等方式把舾裝件的根連接到骨材上。

4.4 減少分段臨時加裝舾裝件措施

根據舾裝件承載的大小,臨時增加的小電纜托架或通風小舾裝件應盡量避免設計為全焊。承載力小的舾裝就點焊,不得不焊在薄板上的舾裝件要采用線能量輸入很小的特殊焊接方法(如電阻焊)來減少薄板的變形。

5 分段總組和大合龍階段控制變形措施

5.1 保留加強綁材

為減小成形分段翻身吊運及合龍口焊接變形,合龍前保留分段和結構風道合龍口處的加強綁材,一直留到合龍焊縫及結構焊接完成后方可拆除。

5.2 客房區合龍后的變形校正

客房區合龍校正工作在焊接工作結束后方可進行,并時時測量每層客房層高,防止校正收縮影響精度。校正順序如下：先上層后下層,先甲板后圍壁,先室內后室外,先扶材后板材,先遠后近,先輕后重,先疏后密;應力太過集中而形成凸起的部位,可采取開刀或挖換板材處理后再校正;對嚴重折角的板縫部位,則切開板縫釋放應力,重新調平后施焊,焊后火攻消除焊接應力并調平。

5.3 添加永久加強筋

結構薄弱的客房區壁板合龍口是最容易變形的,這些區域增加些直徑小的加強筋板作為永久加強結構。新增加強筋板采用間斷焊,從而補償這些區域的強度以達到永久抵御外力變形的目的。

5.4 合龍后甲板校平

合龍后甲板凹凸不平是很常見的,這時應加外力將凹陷部位頂住后在反面斑點狀干烘矯正,切不可用拉條狀直接烘甲板下橫梁,以免甲板整體凹陷或拱起。高效中頻矯平機EFD作校平設備效果很好,尤其對起伏波浪變形和“瘦馬”變形最為有效。其原理是利用中頻加熱“抽出”加熱部位的薄板金屬形成條狀隆起,釋放應力并拉平變形區域[7]。

6 結語

本文按照建造工藝流程闡述了豪華郵輪薄板變形的原因及控制措施,重點概述了各工序對薄板變形的影響。豪華郵輪和豪華客滾船超薄板變形的防控,在未來很長一段時間仍將是業界難題。隨著先進設備設施的投入使用,特別是激光切割和焊接設備應用,平直分段薄板變形將得到很好控制,未來超薄板變形控制將放在曲面分段外板上。