自升式平臺(tái)基于余量補(bǔ)償理念和樁腿精度控制

沙建

5摘? 要：平臺(tái)在建造過程中會(huì)刻意預(yù)留余量，余量是指零部件加工過程中，經(jīng)過預(yù)處理、校正、焊接等多次處理之后，鋼板會(huì)產(chǎn)生變形收縮。所以在進(jìn)行工藝量值的留取時(shí)會(huì)刻意多留一些，然后在制定的工序時(shí)進(jìn)行余量切除。同樣為針對(duì)變形收縮，在進(jìn)行平臺(tái)建造時(shí)，會(huì)刻意增加工藝量值，這部分的多余材料稱為補(bǔ)償量，補(bǔ)償量會(huì)在建造過程中慢慢消耗掉。余量補(bǔ)償系統(tǒng)屬于精度控制的一部分，對(duì)于平臺(tái)的建造精度以及利潤(rùn)都有很多的影響。這些年在各大船廠以及研究機(jī)構(gòu)都有意進(jìn)行這方面的研究和統(tǒng)計(jì)。我廠基于自身優(yōu)勢(shì)，通過統(tǒng)計(jì)建造過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，建立自己的精度控制數(shù)據(jù)庫(kù)。通過借鑒以往的建造精度控制經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，對(duì)在建的產(chǎn)品進(jìn)行指導(dǎo)，達(dá)到提高產(chǎn)品建造精度的目的。

如上假設(shè)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(jìn)行變形為：

其中，、—焊接縫的橫截面積

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

第一階段的焊接層為三角形，如圖4.15所示，設(shè)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(shí)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(huì)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(jìn)行理論計(jì)算時(shí)要可做更一步的簡(jiǎn)化，梯形簡(jiǎn)

化為矩形。其中矩形的長(zhǎng)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(zhǎng)度方向較長(zhǎng)，所以考慮焊縫的長(zhǎng)度變化。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，可得：

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

假設(shè)齒條的焊接處的應(yīng)力應(yīng)變一直處于彈性變化范圍內(nèi)，而齒條本身與焊接材料之間有相互作用，計(jì)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(jì)算各個(gè)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(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)焊接的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整焊接順序以及焊接參數(shù)。

1.4自升式海洋平臺(tái)樁腿齒條焊接變形計(jì)算結(jié)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(shí)，熔池深度會(huì)不同。821A9AA0-B032-4355-8AC5-CDFF244BC32D

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

焊接進(jìn)行時(shí)，采用正反面輪流焊接的方式進(jìn)行。焊接過程中不斷通過正反面的焊接來(lái)控制調(diào)整變形。對(duì)于50KJ/cm和15KJ/cm這兩種工況進(jìn)行計(jì)算，其中單次焊接第一層、第二層和第三層時(shí)的角變量和橫向的收縮量。計(jì)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(jìn)行這三層焊接層焊接時(shí)，后面的焊接層對(duì)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(bǔ)償法的精度控制

平臺(tái)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(jìn)行，最終達(dá)到精度控制要求。階段性的精度控制有助系統(tǒng)總結(jié)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(bǔ)償系統(tǒng)有助于精度控制，但是如何進(jìn)行余量補(bǔ)償系統(tǒng)的建立則是一大難點(diǎn)。首先借助于船廠的自身優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，即在各個(gè)階段需要的變形量、余量以及切割量等。尤其是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有助于數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計(jì)。

在系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集的過程中，一般會(huì)使用以下方法。對(duì)建造中的分段或總段對(duì)比直方圖，測(cè)量偏差值。對(duì)各個(gè)工序進(jìn)行分別測(cè)量，測(cè)量過程中，各個(gè)結(jié)構(gòu)件不僅僅是結(jié)構(gòu)件進(jìn)行測(cè)量，結(jié)構(gòu)件中型材等都要進(jìn)行測(cè)量。直觀的解釋就是各向都需要進(jìn)行測(cè)量。對(duì)建造過程中變形進(jìn)行余量補(bǔ)償，余量補(bǔ)償過程中也要記錄相關(guān)的偏差值。

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

由于平臺(tái)尺度大，建造過程中，會(huì)引起變形的因素有很多，所以補(bǔ)償量的確定過程即為艱巨和復(fù)雜。參考因素主要包括以下一些方面：平臺(tái)的結(jié)構(gòu)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(chǎn)水平等等。在進(jìn)行余量補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候，可遵循以下建造原則：如果建造的平臺(tái)與之前的建造平臺(tái)類似，那么建造過程中可以借鑒以往的數(shù)據(jù)好經(jīng)驗(yàn)，從而預(yù)先有一個(gè)比較好的計(jì)劃。在進(jìn)行裝配時(shí)，應(yīng)選擇較好的建造工藝和裝配人員，盡量做到最好，避免勞動(dòng)密集型的惡性循環(huán)^[2]。在建造過程中，相關(guān)的管理監(jiān)督部門要做好管理和監(jiān)督工作，步步為營(yíng)，切忌隨意改動(dòng)。在實(shí)行局部精度控制時(shí)，要盡量精確，不能隨意加減建造余量。

3.優(yōu)化余量補(bǔ)償精度控制的措施

3.1自建建造數(shù)據(jù)庫(kù)，逐步推行余量補(bǔ)償方法

作為船廠，有著自身的優(yōu)勢(shì)，有著第一手船舶建造資料，這是全面實(shí)現(xiàn)質(zhì)量管理、縮短建造周期的基礎(chǔ)。這對(duì)船舶這種建造周期長(zhǎng)的建造業(yè)而言，數(shù)據(jù)庫(kù)是先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理模式，數(shù)據(jù)庫(kù)能幫助船舶建造實(shí)現(xiàn)全面建造精度控制。

在船廠會(huì)設(shè)置專門的精度室，專門負(fù)責(zé)施工過程中的檢驗(yàn)線、中心線和邊框線等網(wǎng)絡(luò)線的繪制工作。負(fù)責(zé)對(duì)建造過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整理，建立各工序的精度數(shù)據(jù)庫(kù)，為補(bǔ)償系統(tǒng)的建立打下基礎(chǔ)^[3]。在相關(guān)數(shù)據(jù)收集之前，就要先行建立硬件庫(kù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)，用于幫助工作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和存儲(chǔ)。

各建造周期內(nèi)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相差較大，這對(duì)于統(tǒng)計(jì)來(lái)講不利。這些不確定性主要是由于施工人員經(jīng)驗(yàn)不足，導(dǎo)致建造質(zhì)量時(shí)好時(shí)壞。所以船廠方面首先要對(duì)施工人員進(jìn)行系統(tǒng)的培訓(xùn)，其次在施工過程中要注意施工必須按照施工要求進(jìn)行，避免人為操作導(dǎo)致嚴(yán)重的建造質(zhì)量問題。

此外精度控制部門要進(jìn)一步做好數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整理工作，在制定建造手冊(cè)時(shí)，補(bǔ)償量的確定要更精確細(xì)化。但是通過統(tǒng)計(jì)建造數(shù)據(jù)，可見主船體的合攏基本可以做到無(wú)余量建造。這主要是因?yàn)樵诮ㄔ爝^程中，實(shí)時(shí)進(jìn)行反饋和修正。比如肋距之間的間隔在原來(lái)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了放寬，這是由于現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，焊接電流較大，熔化量超過了設(shè)計(jì)值。但是并非所有的分段都是如此，部分分段的建造時(shí)，保持電流和建造余量不變建造出來(lái)的質(zhì)量很好，所以針對(duì)各個(gè)分段的建造措施是不一樣的^[4]。在進(jìn)行余量補(bǔ)償精度控制時(shí)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的細(xì)化及其重要。

余量補(bǔ)償法的精度控制可用于樁腿制造的精度控制，對(duì)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(jì)，對(duì)于樁腿整體精度的管理有著重要意義。

3.2 三維測(cè)量法在樁腿建造中的應(yīng)用

樁腿尺寸大，為方便測(cè)量，船廠引入了三維測(cè)量?jī)x。在引進(jìn)三維測(cè)量?jī)x之后，對(duì)樁腿結(jié)構(gòu)的測(cè)量取得了很好的研究成果。引進(jìn)這套系統(tǒng)之后，公司可以自行測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)，且不會(huì)造成工期延誤，對(duì)于檢驗(yàn)過程，也便于船東檢驗(yàn)，直觀且有說(shuō)服力。

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

4小結(jié)

本文對(duì)基于余量補(bǔ)償理念的精度控制方法做了闡述，對(duì)于在各個(gè)建造階段如何進(jìn)行余量控制也做了很好的解釋。同時(shí)介紹余量補(bǔ)償過程中所使用的新型儀器，并簡(jiǎn)述儀器使用方式。采用理論推導(dǎo)的方式對(duì)焊接變形值進(jìn)行計(jì)算，從而為焊接工藝的改進(jìn)提供有益的借鑒意義。

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