海洋工程模塊節(jié)點預(yù)制質(zhì)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(jié)點預(yù)制作業(yè)中難點在于變形控制和精度控制,因為節(jié)點和組合梁、拉筋、立柱均存在連接關(guān)系,控制好節(jié)點的尺寸公差是控制甲板尺寸的關(guān)鍵。根據(jù)模塊的技術(shù)要求,結(jié)合以往建造施工經(jīng)驗,確定圓管、橢圓管、大小口預(yù)制時,高度方向均采用負公差,即0～2 mm;節(jié)點預(yù)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(jié)點預(yù)制過程中翼緣板、腹板尺寸,圓管卷制焊接、焊后清根,及節(jié)點在焊接過程中變形進行分析,結(jié)合工程經(jīng)驗以及國內(nèi)外新技術(shù)、新工藝,提出了節(jié)點板材下料尺寸控制措施,圓管壓頭胎具改進、卷制合口數(shù)標定措施,盤式清根法工裝設(shè)計,以及節(jié)點焊接變形的控制措施[1-3]。

1 預(yù)制中的過程控制

1.1 下料卷制尺寸的過程控制

1.1.1 節(jié)點板下料存在的問題

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

圖1 節(jié)點板材下料

經(jīng)過對節(jié)點板數(shù)控下料發(fā)現(xiàn)節(jié)點板下料尺寸易出現(xiàn)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(jié)點板下料問題的原因

(1)數(shù)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(wěn)定肋條存在晃動現(xiàn)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(yīng)根據(jù)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(zhì)量;

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

(6)數(shù)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(xiàn)間歇式抖動,影響切割質(zhì)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(chǎn)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(jié)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(fā)現(xiàn)問題及時整改;

(2)根據(jù)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(shù)控切割機對角線,若發(fā)現(xiàn)對角線超出切割誤差,及時對機床對角線進行調(diào)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(guān)標準要求的,我們從切割指令進行控制,根據(jù)不同的板厚預(yù)留切割風(fēng)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(shù)控切割機進行維護保養(yǎng),清除齒輪齒條內(nèi)異物并潤滑;

(7)根據(jù)經(jīng)驗編制切割速度表,并嚴格控制切割速度。

1.2 圓管預(yù)制的過程控制

在節(jié)點圓管預(yù)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(dǎo)致成形后的管筒呈尖咀“桃形”,這就必須采取適當?shù)墓に嚧胧┻M行板邊預(yù)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(jīng)過的一道預(yù)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(yù)彎。

圖2 圓管卷制

車間現(xiàn)有4 000 t壓力機胎具如圖3A所示,現(xiàn)有的胎具使用楔子、鋼條等零時構(gòu)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(diào)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(cè)增加標定尺,根據(jù)板材厚度,管徑要求對胎具跨距、壓頭壓力進行標定,并設(shè)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(jié)點焊接的難點主要是焊接變形控制及精度控制,因為節(jié)點和組合梁、拉筋、立柱均存在連接關(guān)系,控制好節(jié)點的尺寸公差是控制甲板尺寸的關(guān)鍵,為了保證焊接完成后節(jié)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(jié)點的焊接變形就是節(jié)點在焊接過程中局部不均勻加熱、冷卻的過程,使節(jié)點產(chǎn)生不均勻的熱脹冷縮,導(dǎo)致節(jié)點產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而引起變形。為了保證焊接完成后節(jié)點符合項目公差要求,預(yù)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(yù)制中焊接變形的控制措施

通過對實際節(jié)點預(yù)制的跟蹤,生產(chǎn)中控制焊接變形的措施如下。

2.2.1 預(yù)留焊接收縮量

在組對時,預(yù)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(jié)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(jié)點

2.2.3 焊前預(yù)熱處理

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

由于預(yù)熱溫度與施工環(huán)境溫度、坡口樣式、鋼材材質(zhì)及桿件的厚度等因素有關(guān),因此預(yù)熱時嚴格按照項目《焊接工藝規(guī)程》施工。

2.2.4 焊接工藝參數(shù)優(yōu)化

焊接工藝參數(shù)主要包括焊接電流、電壓、氣體流速、焊材的選擇、焊接速度等?，F(xiàn)場在施工過程中,根據(jù)節(jié)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(xiàn)場實驗和施工經(jīng)驗,最終確定了最優(yōu)的焊材及焊接參數(shù)(如圖6)。

圖6 焊接工藝參數(shù)

采用新的工藝參數(shù)后有效地避免了焊接變形、減少了焊后熱調(diào)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(yōu)化

在焊接過程中采用合理的焊接順序,可以減少節(jié)點在焊接過程中的變形,同時可以防止出現(xiàn)焊接裂紋。合理的焊接順序應(yīng)遵循以下原則:優(yōu)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(jié)點焊接過程中的焊縫打底、填充及蓋面應(yīng)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(diào)直處理

熱調(diào)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(diào)直作業(yè)。熱調(diào)直加熱區(qū)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(diào)直處理加熱方法

(1)熱調(diào)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(jié)構(gòu)的變形部位直接進行火工調(diào)直作業(yè);

④ 焊接變形存在多種形時,首先應(yīng)調(diào)整焊接變形較大的部位;

⑤ 熱調(diào)直時,應(yīng)盡量對稱進行,避免引起節(jié)點的其他變形;

⑥ 厚板需要熱調(diào)直時,火焰宜采用中性焰,薄板應(yīng)采用碳化焰,防止桿件氧化。

(2)熱調(diào)直的施工步驟:

① 根據(jù)節(jié)點實際焊后變形情況,確定熱調(diào)直形式;

② 加熱過程中應(yīng)避免節(jié)點局部氧化,檢測調(diào)直處溫度,做好溫度跟蹤記錄;

③ 加熱中應(yīng)采用計量工具適時測量,防止節(jié)點調(diào)整過大,避免回調(diào)。

3 總結(jié)

通過對模塊節(jié)點從下料到焊接過程的分析和控制,結(jié)合工程經(jīng)驗以及國內(nèi)外新技術(shù)、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(zhì)量,保證了節(jié)點的預(yù)制精度要求,同時降低了施工人員勞動強度及安全風(fēng)險,為以后生產(chǎn)中節(jié)點的預(yù)制積累了寶貴經(jīng)驗,并為后續(xù)項目的施工提供指導(dǎo)。