自升式風電安裝船多孔式固樁架建造變形控制技術

鄒紀祥 朱 鋒 季富強 施浩杰

上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125

0 引言

風電安裝船固樁架結構形式為雙層結構，組成結構的板材較厚，板厚普遍為30～60 mm，中間設有12個圓形開孔，用于安裝減速裝置。因此，在制作過程中焊接變形較難控制，若控制不到位而達不到精度要求，不僅影響減速器的安裝，還對后續樁腿的升降有一定影響。本文主要研究通過改進建造方法、改變裝配及焊接順序、預加反變形等手段有效控制固樁架建造過程中的變形，從而提高產品質量，降低人工成本，得出一種最合理經濟的建造模式，并已運用于同類型產品的建造。

1 多孔式固樁架結構建造

多孔式固樁架由上面板、中面板、下面板、側板及內部加強筋等組成，一般分為上導向結構和下導向結構。在上導向結構中，上、中、下面板均設有12個圓形開孔，主要用于安裝減速器。全船共有4根樁腿，每根樁腿周圍安裝有3個固樁架，固樁架下導向結構安裝在船體圍井內，上導向結構安裝在船甲板以上。固樁架主要通過其裝載的12臺減速器控制樁腿的升降，同時通過內部安裝的導向塊防止并減小樁腿齒條升降時的碰撞摩擦。因此，對面板12個開孔處軸套以及內部導向塊的安裝精度，有著非常高的要求。

在固樁架分段建造完成后，應對固樁架進行整體加工，主要是對鋼套孔、定位螺母、導向塊墊板等進行加工，同時還要對導向塊進行零件加工，待固樁架整體加工完成后再安裝導向塊，然后將固樁架上下導向結構在地面合攏，結束后便可進行總裝搭載。為保證安裝精度，搭載須最好具備2個條件，一是主船體貫通，上建1層、2層合攏結束；二是圍井結構焊接結束。

固樁架在船體的搭載順序為先在船甲板上劃出合攏基準線，將固樁架進行吊裝安裝，并調整定位，然后將固樁架之間的聯系梁進行安裝，并調整到位。在完成焊前尺寸報驗后，根據焊接工藝流程進行焊接，最后完工尺寸報驗后安裝減速器（見圖1）。

圖1 固樁架結構實物圖

2 固樁架主要建造流程優化

2.1 結構制作流程優化

固樁架是一種雙層結構，通常此類結構的建造方式為先鋪下底板，然后逐層向上建造。這種建造方式在下層結構蓋板后需要翻身焊接，然后再2次翻身，安裝上層結構，非常不利于控制抬升結構的整體變形。為了減少翻身，且有利于建造過程中變形的控制，變更后的抬升框架結構建造的主要流程為先鋪中面板，然后安裝抗剪塊側結構，蓋板翻身后安裝樁腿齒條側結構，最后蓋板，整體結構制作完成后，進行3層鋼套的安裝（見圖2）。

圖2 結構制作流程優化示意圖

2.2 上下導向結構預合攏

由于固樁架下導向結構安裝在船體圍井內，上導向結構安裝在船甲板上部，所以一般在圍井建造完成后就將下導向結構安裝在圍井里，然后吊裝固樁架上導向結構進行搭載。但是，由于下導向已與圍井結構焊接在一起，上導向搭載時的調節工作量較大，尺寸難以控制，上導向結構焊接后更易導致結構變形，且建造周期較長。因此，將上下導向結構在地面進行預合攏，將合攏縫在地面完成，從而減少了高空作業，也可有效保證上下導向結構的整體尺寸，且提高了固樁架的安裝效率，縮短了建造周期（見圖3）。

圖3 上下導向結構預合攏現場情況

3 合理化小組立制作

3.1 固樁架的制作難題

在固樁架制作過程中會遇到2大難題，一是由于組成固樁架板材較厚，且基本都為全熔透焊縫，較大的焊接量導致焊接變形無法控制；二是抬升框架制作，狹小空間比較多，現場施工人員焊接很困難。為了解決上述問題，采用增加小組立制作的模式，從而控制焊接變形，減少制作的人工成本。

3.2 原零件散裝分析

原振海系列鉆井平臺固樁架在制作時，中面板兩側零件均為散裝，所有人員都集中在中組場地作業，人員得不到有效利用，導致工期較長，且零件散裝導致中面板焊接變形較大，火工矯正工作量較多。若采用這種建造模式，單個抬升框架建造周期較長，所需人工較多，不利于控制建造成本（見圖4）。

圖4 固樁架結構零件散裝示意圖

3.3 增加小組立制作分析

現將風電平臺固樁架制作流程加以改進，增加小組立制作，可將小組制作和結構中組分2塊場地同時進行，人員得到充分利用，且能縮短工期。同時，部分焊接工作可在小組階段完成。在中組過程中，基本只有下口平焊，因而減少了整體焊接變形。按照這種建造模式，可縮短建造周期，有效控制成本（見圖5）。

圖5 增加小組立制作示意圖

3.4 增加小組立制作優點

在節省人工成本的同時，通過增加小組立制作還有2個優點：一是由于抬升結構零件排布緊密，空間狹小，通過小組立制作能夠減少拼裝階段狹小空間施焊，提高焊接質量；二是通過小組立制作能夠減少拼裝階段的焊接工作，更有效地控制焊接變形以及裝配尺寸精度，提高產品質量。

這種小組立建造模式的思路同樣適用其他同類產品的建造，也對以后的編制工藝提出了較高要求，即做好零件小組立與散裝的合理分配以減少制作成本，提高產品質量。然而，在實施過程中需要注意的是，不能一味地追求更多的小組立制作，還應考慮小組立安裝后是否影響其他結構的焊接。如果有影響則部分零件應選擇散裝，這就要求除在模型中模擬每個組件安裝后的施焊空間外，還應考慮如何組合零件形成小組立，達到盡可能多的增加小組立也要滿足施焊空間的效果。

4 建造過程中反變形的整體控制

4.1 反變形控制的必要性

在固樁架建造過程中，由于焊接量大且多次翻身，結構整體焊接結束后中部會有下撓，如果不加以控制后期火工工作量很大，且不易調整到位。而且，根據工藝要求，同一部位不得火工超過2次，對后期火工調整難度極大。因此，在結構建造過程中必須合理化控制拱度，進行實時測量，保留測量數據的過程文件，以更有利于固樁架的整體成型。

4.2 反變形數據的收集

為了初始鋪板的中面板找到合適的反變形加放量，減少后期火工矯正量，提高制作精度，現場通過對3個固樁架中面板分別加放+10 mm、+20 mm、+25 mm的反變形量，記錄施工過程中每階段的分段中部上拱及下撓數值，待最終整體成型時分段拱度值分別為+3 mm、+13 mm、+18 mm。此時，為了不影響結構的質量，考慮到3層鋼套焊接后會有下撓，故而統一將3個分段盡量火工矯正至上供+10 mm，待3層鋼套焊接完成后經數據記錄，平面度均在±2 mm以內，符合精度要求。反變形數據如表1所示。

表1 反變形數據統計 mm

4.3 反變形量的確定

綜合現場反變形量數據的統計，通過反推計算可得10-22+7+13+9＝17 mm，在中面板加放+17 mm拱度值后，制作過程中無需再火工矯正，整體成型時配合局部火工，控制拱度+10 mm，然后安裝鋼套并完成焊接。以此方法可得出最合理的初始中面板反變形量值，即在中面板鋪板階段面板中部加放+17 mm拱度；在第1層結構裝焊結束后，經測量結構中部仍會上拱+8 mm；在第1層結構蓋板焊接后進行翻身，翻身后再次測量，結構中部下撓為-5 mm；隨后安裝另一側結構，裝焊并蓋板結束后中部下撓為-12 mm；最后再次翻身，所有結構焊接結束后中部會上拱+10 mm，在此狀態下進行3層鋼套的安裝，鋼套焊接結束后配合局部火工矯正，可以基本保證固樁架結構的整體平面度（見圖6）。

圖6 建造過程中結構反變形的控制示意圖

通過上述實驗，可得出反變形加放的最優值，保證了產品建造的精度，也減少了后期大量的火工的工作量，大大降低了人工成本。該實驗體現了過程控制的重要性，同時保留必要的過程數據，增加每個過程的精度檢測并在過程中控制，也是不可缺少的控制變形的手段。

5 抗剪塊焊接變形控制

5.1 抗剪塊加工

抗剪塊是固樁架與減速器之間連接的一種結構，主要作用是為固樁架減速器增加剪切力，降低減速器運轉時的振動。因此，抗剪塊通常為較厚的鍛件，抗剪塊兩側均為加工面，待安裝至固樁架結構后再進行整體加工，以保證后期減速器安裝的精度要求。雖然在鍛件制作階段抗剪塊兩側均已加放10 mm的加工余量，但在實際施工過程中抗剪塊與縱向腹板3面焊接，與蓋板一圈焊接，較大的焊接量會導致抗剪塊尺寸跑偏，使原有加工余量不夠，只能現場進行堆焊處理，為了避免這種情況的發生，可通過加放定位余量和合理焊接順序去控制（見圖7）。

圖7 抗剪塊加工情況

5.2 加放定位收縮余量

為了避免焊后收縮，在抗剪塊與縱向腹板裝配定位時以中間抗剪塊為基準，向兩側安裝定位時依次加放收縮余量+2 mm、+4 mm、+6 mm、+8 mm，在焊接完成后經檢測基本可以達到理論尺寸；同時在鍛件制作階段抗剪塊高度方向加放5 mm補償余量，以避免焊接后抗剪塊高度下降，導致抗剪作用力不夠，從而影響結構的整體強度。

5.3 加合理焊接順序

在焊接抗剪塊時，應注意焊接的順序，以第3排鋼套中心線為基準，3排抗剪塊均由中間抗剪塊開始按照圖8所示1、2、3、4的順序進行間斷跳焊，避免受熱集中。在單排抗剪塊焊接時，按照圖8所示1、2的順序先焊接中間抗剪塊，再焊接兩側的抗剪塊。在單個抗剪塊焊接時，先進行立角焊接，再進行平角接。按照該焊接順序可大大減少焊接引起的變形，從而控制抗剪塊尺寸精度。

圖8 抗剪塊定位余量加放及焊接順序示意圖

6 鋼套安裝焊接變形控制

6.1 鋼套加工

風電安裝船共有12個固樁架，每個固樁架有3層面板，每層面板需安裝12個鋼套，鋼套均為鍛件并與面板的一圈焊縫為全熔透焊縫。由于較大的焊接量會導致焊接變形，為更好地控制焊接變形，必須將3層鋼套在結構整體焊接完成后再單獨安裝。3層鋼套的內圈直徑均加放單邊10 mm的加工余量，確保后期減速器能順利安裝并與鋼套充分接觸，最上層鋼套上表面加放10 mm加工余量，以控制減速器落位后的水平。在實際焊接后，鋼套因焊接收縮會產生移動，內徑單邊10 mm的加工余量可能不夠，為了避免這種情況的發生，可通過2種方式控制。

6.2 加放定位收縮余量

為了避免焊后收縮，在鋼套與3層面板定位時以中間鋼套為基準，向長度方向安裝定位時依次加放收縮余量為+1.5 mm、+3 mm、+4.5 mm；寬度方向以中心線為基準，向兩側割加放收縮余量+0.5 mm，這樣在焊接結束后即可達到理論尺寸。另外，與3層鋼套相連的結構除面板外還有部分筋板，而面板和筋板是在結構制作成型階段已安裝好，焊接結束后尺寸會移動。因此，在安裝鋼套前應將所有與鋼套相連的面板開孔及筋板單邊加放15 mm的修割余量，待鋼套安裝前根據實際尺寸進行劃線修割，打磨光順后安裝鋼套，這樣即可避免鋼套安裝后存在裝配間隙需要堆焊的問題（見圖9）。

圖9 斜3層鋼套定位余量加放情況

6.3 軸承座定位工裝的設計

為了有效控制軸承座焊接后的變形，提高軸承座定位安裝的精度很重要，風電安裝船設有12個固樁架，單個固樁架設有10個軸承座，單個質量為612 kg，通常安裝方式為在結構上焊接固定擋塊，將軸承座吊裝落入。在定位時，高度方向用千斤頂調整，長寬方向用鐵砧配合調整。由于軸承座自身較重，調整較復雜，且對設備的需求量較大，施工難度也較高。

考慮到軸承座吊裝后需要脫鉤，在結構下部需要設置固定擋塊，但脫鉤后軸承座尺寸較大且精度高，必須要用布置在4個角的千斤頂進行調整；為了現場施工的便利性，用M35螺母焊接在固定擋塊進行上下調節，不用千斤頂即可將此改良后的固定擋塊安裝在軸承座下口的4個角，高度方向可用扳手靈活升降調節定位，再配合長寬方向鐵砧調節，可迅速完成軸承座的定位，大大提高軸承座安裝定位的精準度。

該軸承座定位工裝使用的鐵塊和M35螺栓均為常用材料，材料成本低，施工現場均可找到，可減少千斤頂的使用，使軸承座的調節更靈活，方便現場施工，提高施工效率，已投入使用，并得到推廣（見圖10）。

圖10 軸承座定位工裝情況

6.4 合理焊接順序

在焊接鋼套時，先焊接中間層鋼套，根據焊接變形情況校核基準線，然后再焊接上層和下層鋼套；在單層鋼套焊接時，以第3排鋼套中心線為基準，安排12人按照圖11中1、2的順序同時焊接；在單個鋼套焊接時，2人同時按圖11中1、2的順序對稱焊接。按照這種方案焊接，可以減少局部受熱所產生的變形，提高鋼套焊后的尺寸精度。

圖11 3層鋼套安裝及焊接順序示意圖

7 結語

本文主要研究通過優化建造流程、加放反變形、合理化小組立等手段控制固樁架結構的整體焊接變形，并對抗剪塊及鋼套焊接變形提出了有效的控制方法。目前，該方案已運用于風電安裝船多孔式固樁架項目的建造，不僅有效地控制了焊接變形，提高了生產效率，縮短了建造周期，而且在降低生產成本的同時提高了產品質量。