深海養殖平臺的導軌施工工藝改良與精度控制研究

胡曉洵

(福建東南造船有限公司,福建 福州 355000)

1 概述

深海養殖平臺是一個海洋工程平臺,由結構浮體、養殖網箱、起升框架、回轉軸承主要部件組成。結構浮體為整個裝置提供浮力,并具有足夠的強度;養殖網箱通過回轉軸承基座安裝在結構浮體上,通過起升框架導軌進行限位,并可繞轉軸做360°旋轉。養殖網箱內安裝漁網,其內部形成封閉的養殖空間。養殖網箱浸入水中部分為魚類活動區域,上部露出水面部分,通過日曬、風干等過程去除附著的海生物,并通過旋轉定期將水下部分轉動出水,實現對水下漁網的自清潔;起升框架可以將養殖網箱進行抬升,使之完全脫離水面,對于收獲期的捕撈比較方便。

起升框架對本裝備的作用十分重要。而限位導軌主要對回轉軸承基座進行限位,保證整體在提升的過程中不容易發生竄動,也保證整個系統不會發生卡阻現象,所以限位導軌的施工也是本裝備非常重要的環節。具體裝備布置見圖1。

圖1 深海養殖平臺布置圖

不管是船體還是養殖平臺的生產設計,施工工藝與精度控制是密不可分的,不同施工工藝的精度控制效果也不同?？茖W選擇施工工藝并改良,對生產進行精度化的管控,嚴格按照工藝要求制造所需零部件,確保零部件的精準度符合生產標準,能進一步完善養殖平臺精度控制體系的應用[1]。良好的精度控制體系能反饋到現場施工。經過嚴格的控制精度,能夠避免分段的整體施工的變形,對現場焊接施工和零部件的裝配也有良好效果。從經濟效益看,一個科學的施工工藝與完善的精度控制體系能夠為船廠節約施工成本,提高產品質量和生產技術水平。從長遠角度看,能推動我國深海養殖平臺市場的發展。

2 起升框架限位導軌精度方案與施工工藝

2.1 常規機械精度方案

2.1.1 機械精度方案確定

浮體結構為框式矩形結構,在首尾橫向浮體的中段處設置用于支撐內部養殖網箱的箱體結構,適當加強該結構以滿足支撐養殖網箱的需求。養殖網箱為八棱柱體,養殖網箱兩端由圓形浮箱和輻射狀桁架結構組成,網箱中部為由管材搭建的桁架結構。

養殖網箱通過回轉軸承基座安裝在結構浮體上,并經過導軌限位,通過絞車設備和滑輪組進行抬升。整個起升框架可以看成一個起重設備,首尾的起升框架距離約60m。為防止養殖網箱在抬升過程中因為定位精度不準而發生卡阻現象,初步的限位導軌精度方案敲定為機械精度方案。

單個回轉軸承基座長度方向通過導軌進行限位,橫向通過焊接在框架上的貼板進行限位,同時,貼板和導軌均有粗糙度要求,以保證耐磨板壽命,所以精度控制在±0.5mm的公差范圍內,具體方案如圖2所示。

圖2 機械精度控制圖

2.1.2 機械精度方案的施工工藝

為保證回轉軸承基座上耐磨板的使用年限,同時確保首尾端兩個回轉軸承基座在各自軌道中運行且抬升的過程中不會發生卡阻的情況,對限位導軌和限位貼板均有粗糙度的要求,而粗糙度可經過設備機加工實現,并且設備機加工對于精度的控制反而有利。在確定常規的機械精度方案的設計后,現場可將起升框架整體焊接施工,完成后對外報檢,合格后交付廠家進行局部區域機加工。這種方式的施工工藝對于精度的控制較為容易,避免了焊接過程中產生的變形影響,能夠達到控制在±0.5mm的公差范圍內,并且能縮短工期。

2.1.3 可實施性

起升框架整體高為23m,寬度約為3m,整體運往廠家的費用巨大。在進行局部機加工時,需要以起升框架的長寬高特制模具和工裝,導致船廠的生產成本提高,不滿足經濟效益的條件。從經濟效益和現場施工成本的角度出發,該機械精度方案的成本高,可實施性不高,必須對整個結構進行分析,重新制定精度方案和施工工藝改良。

3 施工工藝改良與精度方案

3.1 施工工藝改良

對起升框架的施工工藝改良和精度方案的更改是需要攻破的技術難題。為了符合船廠的發展理念和控制施工成本,又能同時滿足粗糙度的要求,最終決定將限位導軌和限位貼板單獨機加工完成后再進行焊接施工。

這一施工工藝的改良能夠較好地控制成本,但對精度的控制難度更大,在施工過程中需對精度控制進行分析研究。

3.2 焊接精度方案

通過結構分析發現,回轉軸承基座安裝在養殖體軸承上,并且在船首端部存在一個擋板對整體進行限位。為了保證方便安裝,同時讓整個回轉軸承基座處于養殖體網箱軸承的特定安全范圍內,擋板進行結構限位后能夠確?；剞D軸承基座不易脫離結構或與網箱結構、浮體結構發生碰撞,但與首端的回轉軸承基座依舊存在3mm的間隙,如圖3所示。

圖3 養殖體回轉軸視圖

同時,經過對回轉軸承基座和耐磨塊的安裝分析,兩者與限位導軌、限位貼板存在5mm的間隙,這樣保證整個養殖體能夠進行3～5mm小范圍的縱向竄動和橫向竄動。所以,最后確定的精度控制范圍只要保證達到3～5mm即可,如圖4所示。

圖4 耐磨塊安裝圖

綜合評估后,新的焊接精度范圍控制在公差為±2mm,如圖5所示。

圖5 焊接精度控制圖

4 精度控制方法和效果

4.1 焊接方式和裝配順序

限位導軌在機加工后進行焊接施工,此過程容易產生變形,對精度控制不利。可以通過改變裝配順序和焊接順序來達到控制變形量的效果[2]。

不同的裝配順序和焊接順序對于焊后產生的變形量是不同的,所以在施工過程中應采取合理的裝配和焊接順序。焊接時盡量采用對稱焊接和分段焊接相結合,焊接一側等待冷卻,觀察和測量變形后再去焊接另外一側,通過兩邊相對同時受熱的方式,達到變形量的相互消除。

在焊接過程中,也應該優先焊接錯開的短焊縫和收縮量及受力較大的焊縫。同時,根據不同的焊接結構采取相應的焊接順序,這才能夠使焊縫有較大的收縮自由,盡可能減少焊縫中的殘余應力。

限位導軌和橫向加強筋先焊接做成一個整體框架后,再安裝在起升框架主體上。在這個過程中,橫向加強筋優先焊接,這樣可以形成一個拉力,減少局部的波浪曲向變形,后續焊接限位導軌時不會因為受熱而造成大范圍的角度變形,導致精度無法滿足要求,或者因為角度不統一而形成導軌錯位,如圖6所示。

圖6 優先裝配和焊接圖

4.2 控制焊接熱輸入

焊接的熱輸入對焊接殘余應力和變形有很大影響,對焊接質量的影響也較大。它是焊接材料特性、內部熱傳導、焊縫與空氣的對流換熱、堆焊過程中的熱輸入等因素綜合作用的結果。

在焊接過程中,焊縫高溫區膨脹受到了低溫區的限制和擠壓,在冷卻過程中會產生局部壓縮變形[3]。在能夠保證焊縫形成良好的情況下,盡可能采用小的焊接熱輸入,或者在保證焊接質量和焊腳形成的情況下加快焊接速度。這是因為隨著焊接速度的加快,單位時間的熱輸入逐漸減小,溫度場分布的梯度逐漸減小。在焊縫內部熱傳導和焊縫與空氣對流換熱的聯合作用下,焊縫的最大殘余應力和形狀變量逐漸減小。

綜上,焊接過程需要根據經驗和實際情況選擇適當的焊接電流、方向、速度和順序,以達到減少變形的要求。

4.3 工裝夾具輔助

施工過程中也可以采用固定距離的工裝夾具,將限位導軌固定起來進行焊接,增加其剛性。由于受到固定工裝夾具的外力制約,在焊接過程中的變形量出現大幅度減小,能夠實現對焊接變形的有效控制。

4.4 適當采用反變形法

導軌等焊接零件焊接完成后,由于熱脹冷縮的影響,會使得構件發生變形,可根據焊接經驗適當采用反變形法[4]。所謂反變形法就是對即將發生的變形進行預判和控制,向相反的方向預留出變形的大小和余量。此方法需要焊接人員具有豐富的施工經驗和提前需要做好成熟的焊接工藝試驗,根據實際情況調整好焊接規范和工藝。所以,此工藝在施工過程中對于防止變形存在一定的借鑒情況,在一些極難控制變形部位可以少量采用。

4.5 焊接節點設計

限位導軌的焊接有其強度的要求,在滿足結構強度的基礎上,限位導軌與起升框架主體是進行全焊透。

經過起升框架使用分析,養殖體網箱在起升框架上緩慢上下抬升,速率較低,并且在幾個高度點位會進行插銷限位,防止意外墜落,或者在臺風等惡劣天氣與完工拖航的過程中,會進行網箱定位,確保整個平臺不發生事故。這三個高度分別為網箱最高高度、網箱拖航高度和網箱最低高度。所以,除了這三個高度外,網箱整體在限位導軌其他地方接觸時間短,只是起到限位導向作用,焊接方式僅需深熔焊即可。

深熔焊和全焊透節點相比,焊接的變形量和精度較好控制。因為全焊透需要進行探傷檢測,而為了保證焊接的質量,進行全焊透填焊的過程中熱輸入較大,對于變形更加不好控制。按照實用性原則,減少全焊透的長度距離對于精度控制和變形控制均有良好效果,如圖7所示。

圖7 焊接節點設計圖

4.6 精度控制數據

精度控制過程中,現場施工按照公差進行數據化,通過數據點位進行焊接變形的控制。細致的精控測量可以將變形進行數據化處理,變形情況一目了然。通過數據可以提供機加工的局部位置,也可以進行局部變形的返修和焊接控制,對焊接工藝的完善與改良有重大意義。

數據點位的反饋體現了現代精細化船舶、海洋工程平臺建造技術的進步,重大工程細致化處理對于系統地控制精度和工藝改良都具有重大意義,如限位貼板數據點位圖(圖8)和限位導軌數據點位圖(圖9)。

圖8 限位貼板數據點位圖

圖9 限位導軌數據點位圖

5 完工后的抬升試驗

起升框架限位導軌和限位貼板施工完成后,測量精度滿足要求,對外報檢符合標準,與養殖體網箱整體組合進行抬升試驗過程中并未出現卡阻和急速下墜情況,完工后整個裝備順利交付并成功服役。

6 結束語

為了提高船廠的經濟效益,降低施工成本,本文對一種智能深海養殖平臺上作業的起升框架限位導軌進行施工工藝改良。最終確定限位導軌和限位貼板采用零部件先機加工、再焊接的施工方式,并通過設計焊接節點、改變裝配順序和焊接方式等工藝,將精度控制在公差為±2mm的范圍內,保證平臺正常作業。

隨著造船技術的不斷升級和發展,在生產設計中科學地改良施工工藝和應用精度控制技術,不僅能夠實現生產過程存在焊接變形的有效控制,還能有效降低生產施工的成本。