(海洋石油工程(青島)有限公司, 山東 青島 266520)
伴隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展,石油的消費量和需求量都急劇增加。在陸地油氣資源被大量開采,儲量無法滿足經(jīng)濟發(fā)展要求的背景下,需大力開發(fā)海洋油氣資源。目前,在世界各地大陸架的不同工作海域,各種各樣的近海工程結(jié)構(gòu)物被應(yīng)用于海底油氣資源的勘探和開發(fā),其中自升式鉆井船因其定位能力強和作業(yè)穩(wěn)定性好,應(yīng)用廣泛,是海洋油氣勘探開發(fā)的主力。
自升式鉆井船升降系統(tǒng)是控制鉆井船升降的關(guān)鍵核心部分。鉆井船共有3套升降系統(tǒng)分布在不同的船體位置上,其中艏部1套、艉部左右舷各1套,平面布置及編號如圖1所示。
升降系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)為齒輪箱及升降底座(見圖2):齒輪箱位于上部,通過制動系統(tǒng)連接頂部齒條導(dǎo)向結(jié)構(gòu)運行;升降底座位于下部,與樁腿圍井結(jié)構(gòu)安裝固定在一起,通過上部齒輪箱的作業(yè)帶動樁腿實現(xiàn)升降。本文主要就升降系統(tǒng)中的齒輪箱的制作展開論述。
圖1 升降系統(tǒng)平面布置 圖2 齒輪箱及其底座
齒輪箱制作精度要求高,必須制作鋼制約束胎架,保證在齒輪箱制作時水平度偏差不超過±1 mm。為保證精度,胎架的布置(包括地樣線、齒輪箱中心線、結(jié)構(gòu)線及指定的施工基準(zhǔn)線的標(biāo)定)必須嚴格按照公差要求進行。
第1步:將前面板放在胎架上,擺正位置后,與胎架支撐焊接固定。齒輪孔開坡口,軸套安放在齒輪孔位置后焊接,如圖3a)所示。
第2步:組對兩側(cè)板。組對時注意板的方向,如圖3b)所示。
第3步:組對內(nèi)部結(jié)構(gòu)并焊接。為減少焊接變形,采用對稱焊方式,先焊接兩側(cè)板,后焊接中間肋板,最后焊接加強筋板,如圖3c)所示。
第4步:組對并焊接后面板及后面板上的變速箱限位板條,如圖3d)所示。
第5步:翻身焊接未翻身前不易焊接的位置,按照理論尺寸切割加工裕量,并焊接頂板及前面板上的導(dǎo)向結(jié)構(gòu),然后焊接前面板上的加強筋板,再次機加工軸套,使其精度滿足要求,如圖3e)所示。
圖3 齒輪箱制作步驟
齒輪箱制作完成后如圖4所示。
圖4 齒輪箱制作完成后的安裝圖
焊接冷卻后會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)體收縮。為保證焊接后的整體尺寸要求,下料時在前面板的下端及左右兩側(cè)均加有裕量(前面板下端預(yù)留50 mm,左右兩側(cè)預(yù)留5 mm),在齒輪箱焊接完成后進行尺寸檢驗,劃線后切割裕量,最終使齒輪箱結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。
齒輪箱的關(guān)鍵尺寸是齒輪孔之間的相對距離。對前面板4個齒輪軸套進行大量焊接施工必然會因熱脹冷縮產(chǎn)生焊后變形,而齒輪間距只允許存在1 mm的尺寸公差,因此必須在下料時留出適當(dāng)?shù)氖湛s裕量。結(jié)構(gòu)預(yù)制期間確定的下料尺寸如圖5所示。建造完成后的測量結(jié)果顯示,該下料放樣尺寸完全滿足設(shè)計要求,如表1所示。
圖5 齒輪間距示例
表1 焊接后軸套間距 mm
為保證后面板開孔直徑的精度,在預(yù)制下料后面板時,開孔放樣的孔直徑比設(shè)計圖紙的孔直徑少10 mm,在齒輪箱焊接加工完成后再進行機加工,使后面板開孔直徑滿足設(shè)計要求。
為保證齒輪箱建造精度,必須制作精準(zhǔn)且有剛性約束的胎架,如圖6所示。采用工字鋼制作胎架主體,為方便調(diào)平及剛性固定,在胎架的上表面焊接均勻分布的支撐板,如圖7所示。這既有利于施工,又能很好地調(diào)節(jié)胎架的水平度,進而有效地控制齒輪箱的整體水平度。
圖6 胎架整體圖 圖7 胎架上表面支撐板
在胎架上固定前面板,考慮到前面板與軸套的焊接變形,在胎架調(diào)平時對其水平度做適當(dāng)反變形處理,使其中心比邊緣高3~4 mm,以抵消實際上翹的收縮裕量,并結(jié)合剛性固定,最終使齒輪箱整體水平度符合制作要求。
另外,為保證胎架的精準(zhǔn)性,要求布置胎架之前標(biāo)定的地樣線以及齒輪箱的地樣線或樣沖眼在施工周期內(nèi)清晰可見。
在焊接過程中隨著熱量的輸入,構(gòu)件金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,產(chǎn)生應(yīng)力及應(yīng)變,其表現(xiàn)形式就是焊接變形。焊接的接頭對接形式、坡口形式不同,造成焊接變形在表現(xiàn)形式上也各不相同,可分為縱橫向收縮變形、撓曲變形、角度變形等[1]。在鋼結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域,焊接變形是施工過程中的主要變形,并且極難控制,焊接變形控制是質(zhì)量控制方面的主要課題,下述3種方法能有效控制焊接變形在齒輪箱預(yù)制過程中的影響。
3.3.1 剛性固定法
焊接過程是一個不均勻受熱的過程,除遵循事先制定的焊接程序之外,還可借助外力作用抵消鋼結(jié)構(gòu)不均勻受熱產(chǎn)生的變形。剛性固定法是利用強制手段來減小焊后變形的方法。
在齒輪箱箱體的預(yù)制過程中,有很多不對稱焊縫,該類型的焊接變形控制非常困難。按照正常施工焊接完成后,受焊接熱影響,有的構(gòu)件會向焊縫多的一側(cè)發(fā)生偏移變形。為了更好地控制并減少此類變形,在組對時提前對部件進行剛性固定,以減少整體變形,如圖8所示。
圖8 部件剛性固定步驟
3.3.2 反變形法
反變形法是指根據(jù)生產(chǎn)中已掌握的焊接變形規(guī)律,預(yù)先人為制造一個變形,使該變形與焊后發(fā)生的變形方向相反而數(shù)值相等[2],即事先估計結(jié)構(gòu)變形的大小和方向,然后在裝配時給予一個相反方向的變形,與焊接變形相抵消。在一般的鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制施工中,反變形法的應(yīng)用非常廣泛。
在齒輪箱制作過程中,在前面板上胎架之前,由于齒輪箱上部焊接量比下部大,焊接完成后,齒輪箱整體向焊縫比較密集的上部變形,因此在胎架找平時,對其水平度做適當(dāng)反變形處理,使其中心比邊緣高出3~4 mm,然后再把前面板放到胎架上進行多點剛性固定,保證整體達到反變形效果。主體焊接完畢,把胎架上的多點固定打開后,隨著主體焊接應(yīng)力的消除,整體產(chǎn)生上翹,從而抵消預(yù)留的反變形,最終滿足齒輪箱整體水平度要求。
在齒輪箱側(cè)板組對過程中,同樣考慮焊后整體上翹變形,將側(cè)板上部向外傾斜3 mm,在焊接完成后,側(cè)板在焊接應(yīng)力的作用下向內(nèi)收縮,有效確保側(cè)板的焊后尺寸。
3.3.3 合理安排組對及焊接順序
齒輪箱是一個復(fù)雜的構(gòu)件,制定合理的組對焊接工藝對防止變形非常重要。隨著各個部件的裝配,每個部件的應(yīng)力隨之變化,而且變化規(guī)律很難掌握,因此在施工過程中不同的裝配、焊接順序會產(chǎn)生不同的變形,這也是影響焊接結(jié)構(gòu)變形的主要因素之一。
在施工準(zhǔn)備階段,根據(jù)齒輪箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點確定裝配、焊接順序。考慮到天氣原因,需采用電加熱和火焰加熱方式對構(gòu)件進行焊前預(yù)熱工作。焊接時遵循以下原則:
(1) 焊接預(yù)熱。焊接時鋼板瞬間達到高溫,因熱脹冷縮作用,焊接處產(chǎn)生較大變形甚至裂紋,為保證焊接質(zhì)量,需對焊接處進行預(yù)熱,采用電加熱和烤槍火焰加熱,如圖9所示。
圖10 兩焊工正在進行對稱焊接
圖11 機械調(diào)直的兩種方法
(2) 盡量采用分段退焊及對稱焊接。對應(yīng)焊道較長的構(gòu)件采用分段退焊;焊縫對稱的構(gòu)件采用對稱焊接,由成對的焊工對稱進行焊接,如圖10所示,這樣可使各焊縫引起的變形相互抵消一部分。
(3) 對某些焊縫布置不對稱的結(jié)構(gòu),先焊接焊縫短的一側(cè)。
在齒輪箱預(yù)制過程中,當(dāng)焊接產(chǎn)生的彎曲變形超出建造設(shè)計規(guī)格書要求的尺寸公差范圍時,需進行變形調(diào)直工作,現(xiàn)場一般采用機械調(diào)直和熱調(diào)直兩種方案。
現(xiàn)場施工過程中的機械調(diào)直主要利用外力的影響對構(gòu)件進行尺寸調(diào)整,包括千斤頂頂升后增加臨時支撐約束以及增加配重壓力約束,如圖11所示。
(1) 在兩個桿件之間的相對距離小于公差要求的情況下,利用千斤頂頂升的力量使之達到理論尺寸后增加臨時支撐約束,配合后續(xù)的熱調(diào)直進行尺寸調(diào)整。
(2) 配重壓力約束主要針對整個平面方向某一區(qū)域出現(xiàn)的隆起,當(dāng)該隆起明顯比其他部分高時,將配重放在該區(qū)域,通過配重的重力作用對隆起區(qū)域的變形進行矯正。
圖12 熱調(diào)制法調(diào)整變形
當(dāng)變形過大,或出現(xiàn)波浪形變形時,需采用熱調(diào)直工藝進行調(diào)直。熱調(diào)直方法是利用熱脹冷縮原理,采用火焰對變形的地方進行加熱,通過不同位置不同形狀的加熱達到調(diào)整變形的目的[3],如圖12所示。用烤槍加熱前,先用粉筆在加熱區(qū)域或路徑上進行標(biāo)記,避免在焊道處直接加熱,禁止用水加速冷卻,加熱火把采用多孔加熱型烤槍,熱調(diào)直溫度嚴禁超過600 ℃。
綜上所述,為保證齒輪箱的制作尺寸公差在允許范圍之內(nèi),制作過程中需注意以下幾方面:
(1) 齒輪箱是鉆井船升降系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu),精度要求很高,建造前必須準(zhǔn)備精準(zhǔn)的胎架,提供約束變形的剛度和水平建造平臺。
(2) 為滿足齒輪箱的總體尺寸和焊接后結(jié)構(gòu)相對尺寸的要求,下料尺寸必須精確,關(guān)鍵部位桿件需預(yù)留下料切割裕量。
(3) 為減小焊接變形,焊接前必須預(yù)熱焊接構(gòu)件,采取正確的焊接順序,盡量采用分段退焊和兩側(cè)對稱焊方法。
(4) 對于建造過程中不可避免產(chǎn)生的過大變形,采用機械調(diào)直和熱調(diào)直措施來矯正變形。
通過采取上述措施,可有效解決齒輪箱制作過程中產(chǎn)生的變形問題,為其他船體結(jié)構(gòu)和海洋平臺結(jié)構(gòu)的建造提供借鑒。