海洋工程模塊節點預制質量的過程控制

谷德虎

(海洋石油工程(青島)有限公司,山東 青島 266520)

在模塊節點預制作業中難點在于變形控制和精度控制,因為節點和組合梁、拉筋、立柱均存在連接關系,控制好節點的尺寸公差是控制甲板尺寸的關鍵。根據模塊的技術要求,結合以往建造施工經驗,確定圓管、橢圓管、大小口預制時,高度方向均采用負公差,即0～2 mm;節點預制翼緣板水平度誤差不超過±3 mm。本文將通過過程控制,對車間模塊節點預制過程中翼緣板、腹板尺寸,圓管卷制焊接、焊后清根,及節點在焊接過程中變形進行分析,結合工程經驗以及國內外新技術、新工藝,提出了節點板材下料尺寸控制措施,圓管壓頭胎具改進、卷制合口數標定措施,盤式清根法工裝設計,以及節點焊接變形的控制措施[1-3]。

1 預制中的過程控制

1.1 下料卷制尺寸的過程控制

1.1.1 節點板下料存在的問題

節點板材的下料作為節點預制的第一道工序,做好節點板材下料的尺寸公差控制至關重要,節點翼緣板、腹板下料是通過數控機床完成,如圖1。

圖1 節點板材下料

經過對節點板數控下料發現節點板下料尺寸易出現問題如下:

(1)翼緣板、腹板截面偏離公差超過3 mm的公差要求;

(2)腹板對角線尺寸相差3～5 mm;

(3)所下板材截面過渡粗糙;

(4)翼緣板、腹板寬度與長度尺寸公差超出-3～3 mm的公差要求。

1.1.2 節點板下料問題的原因

(1)數控切割嘴子與板面不垂直;

(2)切割胎架老化造成胎架水平面不平整,及胎架不穩定肋條存在晃動現象,影響切割下料的尺寸公差;

(3)機床對角線值未定期檢查;

(4)未及時更換割嘴,由于割嘴型號不同,切割割縫的寬度也不同,切割前應根據不同的板厚選擇不同型號的割嘴來保證桿件的下料公差及切割質量;

(5)切割速度影響,切割速度過慢對桿件產生氧化現象,切割速度過會產生后拖或切透,選擇合適的切割速度尤為重要;

(6)數控切割機橫向、縱向齒條及齒輪有氧化鐵或潤滑不到位,切割機在切割過程中就會出現間歇式抖動,影響切割質量;

(7)選擇合適的切割路徑,切割過程也是桿件的不均勻的受熱過程,桿件易產生變形。切割時合適的切割路徑可以有效地降低切割中的變形。

1.1.3 節點板下料的解決措施

通過原因分析,確定以下解決措施:

(1)編制板材下料尺寸記錄跟蹤表,操作人員及時填寫下料尺寸并核對排版圖,發現問題及時整改;

(2)根據板厚確定切割嘴型號,禁止低代高或者高代低;

(3)每周兩次測量數控切割機對角線,若發現對角線超出切割誤差,及時對機床對角線進行調整;

(4)按照圖紙理論尺寸切割時,由于有切割割縫,造成桿件偏小,不滿足相關標準要求的,我們從切割指令進行控制,根據不同的板厚預留切割風線尺寸;

(5)定期對切割胎架進行清理和維護,防止板材切割面與割嘴不垂直;

(6)定期對數控切割機進行維護保養,清除齒輪齒條內異物并潤滑;

(7)根據經驗編制切割速度表,并嚴格控制切割速度。

1.2 圓管預制的過程控制

在節點圓管預制過程中,板材在卷管機上卷制時,兩端邊緣總有卷不到的直邊,即直線段(如圖2A)。此直線段在卷制時難以完全消除,導致成形后的管筒呈尖咀“桃形”,這就必須采取適當的工藝措施進行板邊預彎,使邊緣兩端先彎曲到所需的曲率半徑后再卷曲,才能保證圓管的橢圓度要求。因此,在卷圓前先要經過的一道預彎工序叫做壓頭,如圖2所示為制管車間在卷管前對板材進行預彎。

圖2 圓管卷制

車間現有4 000 t壓力機胎具如圖3A所示,現有的胎具使用楔子、鋼條等零時構件進行尺寸定位,尺寸精度不足,容易查收誤差,增加了后期的調圓處理工作量。通過改進增加壓頭定位測量工裝如圖3B所示,在胎具兩側增加標定尺,根據板材厚度,管徑要求對胎具跨距、壓頭壓力進行標定,并設置自鎖工具,來達到精度控制。

圖3 壓頭處理

2 焊接過程中的過程控制

節點焊接的難點主要是焊接變形控制及精度控制,因為節點和組合梁、拉筋、立柱均存在連接關系,控制好節點的尺寸公差是控制甲板尺寸的關鍵,為了保證焊接完成后節點的整體尺寸符合項目公差要求,必須對焊接變形進行研究和控制。

2.1 焊接變形的原因及形式

節點的焊接變形就是節點在焊接過程中局部不均勻加熱、冷卻的過程,使節點產生不均勻的熱脹冷縮,導致節點產生內應力而引起變形。為了保證焊接完成后節點符合項目公差要求,預制過程中必須嚴格控制焊接變形。

常見的焊接變形基本形式有縱向收縮、橫向收縮、角變形、撓曲變形、扭曲變形、波浪變形、錯邊變形等形式(如圖4)。

圖4 常見的焊接變形基本形式

2.2 預制中焊接變形的控制措施

通過對實際節點預制的跟蹤,生產中控制焊接變形的措施如下。

2.2.1 預留焊接收縮量

在組對時,預留組對間隙一般控制在2～4 mm。

2.2.2 利用筋板和剛性夾具固定節點

為了防止焊接過程中的變形,在組對點焊完成后利用筋板和工裝夾具進行固定(如圖5),直到焊接完成焊縫冷卻后,去除筋板和工裝夾具。

圖5 利用筋板和剛性夾具固定節點

2.2.3 焊前預熱處理

焊前預熱可以延緩焊后的冷卻速度,降低焊接應力;防止焊接件使用筋板和工裝夾具產生的冷裂紋,因此預熱時應選擇合適的溫度。

由于預熱溫度與施工環境溫度、坡口樣式、鋼材材質及桿件的厚度等因素有關,因此預熱時嚴格按照項目《焊接工藝規程》施工。

2.2.4 焊接工藝參數優化

焊接工藝參數主要包括焊接電流、電壓、氣體流速、焊材的選擇、焊接速度等。現場在施工過程中,根據節點的焊接位置、坡口形式、板材等級、板材厚度等不同情況,及現場實驗和施工經驗,最終確定了最優的焊材及焊接參數(如圖6)。

圖6 焊接工藝參數

采用新的工藝參數后有效地避免了焊接變形、減少了焊后熱調直工作量,對項目的整體施工效率顯著提高。

2.2.5 焊接順序優化

在焊接過程中采用合理的焊接順序,可以減少節點在焊接過程中的變形,同時可以防止出現焊接裂紋。合理的焊接順序應遵循以下原則:優先焊接變形量大的焊縫,然后焊接變形量小的。較長焊縫可以使用逐步退焊、對稱焊或者由兩人從中間向兩端同時焊接等。節點焊接過程中的焊縫打底、填充及蓋面應嚴格遵循焊接順序,同時焊縫打底要保證雙面成型,減小清根深度。

2.2.6 焊后熱調直處理

熱調直是通過加熱作用然后冷卻收縮,使桿件中的纖維伸長或縮短,最后保證各層纖維長度趨于相等,這樣就完成了焊后熱調直作業。熱調直加熱區的形狀有點狀加熱、線狀加熱、三角形加熱(如圖7)。

圖7 焊后熱調直處理加熱方法

(1)熱調直的注意事項:

① 加熱溫度不得超過550 ℃;

② 盡量避免在同一點上再次加熱;

③ 禁止在結構的變形部位直接進行火工調直作業;

④ 焊接變形存在多種形時,首先應調整焊接變形較大的部位;

⑤ 熱調直時,應盡量對稱進行,避免引起節點的其他變形;

⑥ 厚板需要熱調直時,火焰宜采用中性焰,薄板應采用碳化焰,防止桿件氧化。

(2)熱調直的施工步驟:

① 根據節點實際焊后變形情況,確定熱調直形式;

② 加熱過程中應避免節點局部氧化,檢測調直處溫度,做好溫度跟蹤記錄;

③ 加熱中應采用計量工具適時測量,防止節點調整過大,避免回調。

3 總結

通過對模塊節點從下料到焊接過程的分析和控制,結合工程經驗以及國內外新技術、新工藝等措施,提出了合理的焊接工藝、下料控制尺寸、變形控制方法,達到了控制變形的目的,提高了焊接質量,保證了節點的預制精度要求,同時降低了施工人員勞動強度及安全風險,為以后生產中節點的預制積累了寶貴經驗,并為后續項目的施工提供指導。