自升式工程船舶桩腿齿条损伤原因研究及修复

陶倬君，苑思敏

（上海振华重工集团股份有限公司，上海 200125）

自升式工程船舶是工作在离岸深水条件下的自升式工作船，主要用于海上工程的建造、安装、运行及维护等作业，是整个海上工程的关键设备。通常有4条桩腿，每条桩腿有两根齿条，齿条与升降系统爬升齿轮啮合，驱动船体或桩腿上下移动。桩腿和平台主体主要受风浪流等外界环境负荷的周期性影响以及平台自身的重量及设备冲击、震动等复杂载荷作用，易造成桩腿齿条等部位疲劳损伤。而且，工程船船的工作特点与一般钻井平台还有很大区别，钻井平台升降系统工作频率非常低，一年就升降几次。但是，工程船齿轮齿条不仅负荷大、冲击载荷、转速低，而且在恶劣海洋环境下频繁插拔桩作业。经过几年的频繁使用，在日常检验发现一些齿条损伤比较严重。为了排除隐患，延长桩腿齿条的使用寿命，对桩腿齿条进行了全面的检测。根据检测的结果，研究齿条损伤机理，提出修复方案。

1 齿条检测及结果分析

桩腿齿条材质为ASTM A514。桩腿长度90m，每条桩腿对称分布两根齿条，单侧齿条324个齿。齿条宽度为140mm。升降系统和桩腿图片见图1。利用大模数齿条齿形测量专用工具、无损探伤设备对齿条磨损量、表面金属疲劳剥落、裂纹等进行了全面的检测，并对每个齿进行编号记录。每条腿共检查360个齿。从检测的结果看，齿条齿面主要有以下缺陷：（1）齿面塑性变形（翻边）。（2）齿条表面磨损。（3）齿表面金属层状剥落。（4）齿面裂纹。（5）齿顶严重磨损。

齿面塑性变形（翻边）比较明显，特别是在经常使用的桩腿50～65米位置，最大翻边在10几毫米；最大单齿面磨损达到7.5毫米；部分齿面存在金属疲劳层状剥落；部分齿面存在裂纹，初步处理后，裂纹仍然不能去除；桩腿40米以上齿条齿顶磨损较为严重，磨损量最大20mm。齿条典型损伤图片见图2。

图1 升降系统和桩腿

图2 齿条损伤图片

2 齿条损伤原因研究

齿条损伤的影响因素很多，下面对各种原因进行分析。首先升降系统的齿条工作工况恶劣，钻井平台一年才升降几次，但是工程船舶一个星期就需要升降2次左右。钻井平台就位后进行载荷转移，船上载荷全部由锁紧承担，然后几个月都不会再移动；工程船舶在工作状态，大车载荷在月池内不断移动，可能会发生桩腿下沉，需要随时调整船体水平状态，所有的载荷都需要齿轮齿条承受，锁紧很少能分担载荷。而齿条啮合表面有从海里带上来的泥沙、贝壳等与润滑油一起形成磨粒，容易造成磨损。人工涂抹润滑油效果差，特别对于频繁升降工况。

超大模数齿轮齿条传动重合度低，效率较低。考虑到装配、制作误差及导向作用，实际上大部分齿轮齿条是单齿啮合，单个齿条承受的载荷比理论上要大。齿轮齿条接触实际上是一条宽度很窄的接触面。而考虑到成本、材料性能、使用寿命、工况等因素，齿轮和齿条采用调质处理，齿面硬度偏低。综合以上因素，在频繁升降、重载、振动等作用下，达到一定寿命后易发生齿面磨损、塑性变形。齿条火焰切割时，在表面形成了2mm左右厚度的硬化层，在爬升齿轮反复碾压下，硬化层和母材脱离，形成金属的层状剥落。

齿顶的磨损主要是与导向的摩擦引起的。摩擦力的大小主要是由摩擦系数和正压力决定。现场润滑条件差，摩擦系数较大。而桩腿倾斜会导致导向处水平力增大。

3 齿条修复要求

通过计算分析齿条的强度以及齿轮齿条啮合情况和整个升降系统的受力情况，在实际检测数据的基础上提出以下修复技术要求。

（1）齿面磨损量＞=6mm需要修复。修复尺寸到原齿面，模板测量，齿面允许公差为-1～0mm。模板应在齿面多次测量，保证同一齿面压力角相同。

（2）齿条齿顶磨损＞5mm，补焊修复到全齿高为152±1mm。

（3）修复后打磨后齿面粗糙度＜0.1mm。修复完成后齿面和齿顶要保证平整度±0.3mm。

（4）对围井结构上部和中部导向块内开档尺寸进行调整。

（5）齿条有裂纹必须打磨直到裂纹去除，打磨裂纹产生的凹坑应该打磨光滑然后补焊。

（6）修复后齿面和齿顶需要进行100%外观检验和100%MT检验，不允许出现裂纹。

4 齿条的焊接修复工艺

4.1 齿条无损检测与清理

通过磁粉探伤或者相控阵检测，确认并标记出表面、内部裂纹或其他缺陷的形位尺寸信息，在焊接修补前完成缺陷的打磨清除。要获得关于齿面磨损量和齿顶磨损量的确切数值，考虑以图纸和设计要求为基准，参照的铝制齿条模板，测得准确数值并根据需要进行标记，为接下去的堆焊及打磨处理做好准备。

4.2 焊前预备

焊接人员要求必须持证上岗。在使用焊条前，必须保证焊条满足在350～400℃的温度下烘焙1小时这一要求，随后，保温所需的温度要求为100～150℃。焊条的领用量为每次2.5kg，其在通电保温桶中的保温时间上限为4小时，如有超时，焊条必须退回焊条间，根据要求烘干方可再次使用，3次为焊条的烘干次数上限。领用烘焙完成的焊条后，必须保证其被保存在通电的保温桶内，保存温度要求为120℃。齿条的预热和保温，可以通过在需要补焊或堆焊的齿条周围搭建加热工装并固定电加热设备来实现。同时，为在位置和空间条件方面，保证焊接实施所需的条件，需要在施工区域范围内搭建平台或脚手架。因焊接施工对风速条件较为敏感，为了避免焊接件的冷却速度受过大风速的影响，需要在施工现场设置相应的防风设施。在齿条上随意点焊或搭焊都是不被允许的，并且加热要求也有严格限制。

4.3 缺陷清理

打磨及加热处理都能够去除不满足要求的齿形表面的铁锈、油污以及氧化皮等杂质。

应先确认焊件表面的裂纹及缺陷已经全部去除，为满足这一准备要求，施工前，需要将齿面或者裂纹清除部位打磨光滑平顺，在待修补位置周边至少50mm范围内，清除油污和铁锈等杂质，最后，针对焊接部位实施MT100%（干式）检测。

4.4 齿面和齿顶的堆焊实施

焊前，要求预热返修件的每个单齿距，预热和道间温度范围的上下限为别为200和230，每小时50度温升是预热和后热的理想速率，时长不小于2h。

为确保焊接工作的顺利开展，在施焊工作开始前，需要提前对计划修补件做预热处理，并安排专人对预热温度进行检测及记录。

10mm（φ4.0mm）为SMAW单道焊的宽度上线，热输入的热量范围必须控制在1.8～2.3KJ/mm之间。使用回火焊道技术进行焊道，在最后两层，焊接顺序从坡口两边向中间焊接。焊接位置因齿的不同而异，可依据WPS文件来确认焊接工作的要求。3mm为齿面堆焊时焊缝的常规打磨余量。考虑到实际情况下，不同齿的实际磨损量各有不同，需要现场计算每个齿的堆焊高度，可以通过参考实际测量的磨损量和技术要求来计算。堆焊施工结束后，需要立即实施后热，温度范围要求为280℃±20℃，时限最低要求为2小时。焊缝加热及保温在整个堆焊过程中需要一直保持并持续到后热结束。完成后热后，因保持焊件的冷却速率≤100℃/h。同时，通过硅酸铝纤维毯的使用，双面覆盖焊缝，实现冷却至室温的目的。

齿面或齿顶的打磨，需要在结束堆焊并待齿条冷却至室温以后进行，打磨齿面或齿顶并确保其平整，之后测量磨损量，确保齿面及齿顶的磨损量数值在涉及允许的最大范围之内。磨损量的测量方法可以依据原方法，数据测量使用齿条模板和测量工具实施，同时需要做好结果记录工作。

4.5 齿条补焊修复后检测

在齿的修复工作完成后，包括焊接、后热冷却及齿形修磨，和目视检测需要在72小时后进行。肉眼可见的表面缺陷在目视检测中不被允许，同时，还需要进行100%磁粉探伤（MT）检测，以确保缺陷完全修复且焊缝满足标准要求。为确保焊件的焊件质量及使用安全，在条件允许的情况下，还可通过CTOD进行内部缺陷的检测。对齿形参数进行测量，确保齿面、齿顶的磨损量在设计允许的范围内。最终修复完成后效果见图3。

图3 齿条修复后效果

5 结语

本文先对齿条损伤的原因进行了研究和探讨，为以后的齿条设计提供了借鉴。比如，可以考虑适当增加齿轮齿条表面硬度，提高耐磨能力；增加自动润滑系统，避免润滑不足；改变齿条压力角和模数等参数，提高强度和寿命；选用更好的材质等。然后对此次需要修复的齿条提出了修复要求，制定了修复工艺。最后共计修复了447个齿，修复后经过检测并评审，修复质量达到了预期的效果。修复后进行了升降试验并在现场进行了工程作业，目前桩腿性能良好，满足使用要求。在修复的过程中，我们对每一个齿的修复前后、修复期间的各个数据都进行了详细的记录，并把所有的数据归档，以便在以后的日常维护检查的时候提供参考。

参考文献：

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