深海养殖平台的导轨施工工艺改良与精度控制研究

胡晓洵

(福建东南造船有限公司,福建 福州 355000)

1 概述

深海养殖平台是一个海洋工程平台,由结构浮体、养殖网箱、起升框架、回转轴承主要部件组成。结构浮体为整个装置提供浮力,并具有足够的强度;养殖网箱通过回转轴承基座安装在结构浮体上,通过起升框架导轨进行限位,并可绕转轴做360°旋转。养殖网箱内安装渔网,其内部形成封闭的养殖空间。养殖网箱浸入水中部分为鱼类活动区域,上部露出水面部分,通过日晒、风干等过程去除附着的海生物,并通过旋转定期将水下部分转动出水,实现对水下渔网的自清洁;起升框架可以将养殖网箱进行抬升,使之完全脱离水面,对于收获期的捕捞比较方便。

起升框架对本装备的作用十分重要。而限位导轨主要对回转轴承基座进行限位,保证整体在提升的过程中不容易发生窜动,也保证整个系统不会发生卡阻现象,所以限位导轨的施工也是本装备非常重要的环节。具体装备布置见图1。

图1 深海养殖平台布置图

不管是船体还是养殖平台的生产设计,施工工艺与精度控制是密不可分的,不同施工工艺的精度控制效果也不同。科学选择施工工艺并改良,对生产进行精度化的管控,严格按照工艺要求制造所需零部件,确保零部件的精准度符合生产标准,能进一步完善养殖平台精度控制体系的应用[1]。良好的精度控制体系能反馈到现场施工。经过严格的控制精度,能够避免分段的整体施工的变形,对现场焊接施工和零部件的装配也有良好效果。从经济效益看,一个科学的施工工艺与完善的精度控制体系能够为船厂节约施工成本,提高产品质量和生产技术水平。从长远角度看,能推动我国深海养殖平台市场的发展。

2 起升框架限位导轨精度方案与施工工艺

2.1 常规机械精度方案

2.1.1 机械精度方案确定

浮体结构为框式矩形结构,在首尾横向浮体的中段处设置用于支撑内部养殖网箱的箱体结构,适当加强该结构以满足支撑养殖网箱的需求。养殖网箱为八棱柱体,养殖网箱两端由圆形浮箱和辐射状桁架结构组成,网箱中部为由管材搭建的桁架结构。

养殖网箱通过回转轴承基座安装在结构浮体上,并经过导轨限位,通过绞车设备和滑轮组进行抬升。整个起升框架可以看成一个起重设备,首尾的起升框架距离约60m。为防止养殖网箱在抬升过程中因为定位精度不准而发生卡阻现象,初步的限位导轨精度方案敲定为机械精度方案。

单个回转轴承基座长度方向通过导轨进行限位,横向通过焊接在框架上的贴板进行限位,同时,贴板和导轨均有粗糙度要求,以保证耐磨板寿命,所以精度控制在±0.5mm的公差范围内,具体方案如图2所示。

图2 机械精度控制图

2.1.2 机械精度方案的施工工艺

为保证回转轴承基座上耐磨板的使用年限,同时确保首尾端两个回转轴承基座在各自轨道中运行且抬升的过程中不会发生卡阻的情况,对限位导轨和限位贴板均有粗糙度的要求,而粗糙度可经过设备机加工实现,并且设备机加工对于精度的控制反而有利。在确定常规的机械精度方案的设计后,现场可将起升框架整体焊接施工,完成后对外报检,合格后交付厂家进行局部区域机加工。这种方式的施工工艺对于精度的控制较为容易,避免了焊接过程中产生的变形影响,能够达到控制在±0.5mm的公差范围内,并且能缩短工期。

2.1.3 可实施性

起升框架整体高为23m,宽度约为3m,整体运往厂家的费用巨大。在进行局部机加工时,需要以起升框架的长宽高特制模具和工装,导致船厂的生产成本提高,不满足经济效益的条件。从经济效益和现场施工成本的角度出发,该机械精度方案的成本高,可实施性不高,必须对整个结构进行分析,重新制定精度方案和施工工艺改良。

3 施工工艺改良与精度方案

3.1 施工工艺改良

对起升框架的施工工艺改良和精度方案的更改是需要攻破的技术难题。为了符合船厂的发展理念和控制施工成本,又能同时满足粗糙度的要求,最终决定将限位导轨和限位贴板单独机加工完成后再进行焊接施工。

这一施工工艺的改良能够较好地控制成本,但对精度的控制难度更大,在施工过程中需对精度控制进行分析研究。

3.2 焊接精度方案

通过结构分析发现,回转轴承基座安装在养殖体轴承上,并且在船首端部存在一个挡板对整体进行限位。为了保证方便安装,同时让整个回转轴承基座处于养殖体网箱轴承的特定安全范围内,挡板进行结构限位后能够确保回转轴承基座不易脱离结构或与网箱结构、浮体结构发生碰撞,但与首端的回转轴承基座依旧存在3mm的间隙,如图3所示。

图3 养殖体回转轴视图

同时,经过对回转轴承基座和耐磨块的安装分析,两者与限位导轨、限位贴板存在5mm的间隙,这样保证整个养殖体能够进行3～5mm小范围的纵向窜动和横向窜动。所以,最后确定的精度控制范围只要保证达到3～5mm即可,如图4所示。

图4 耐磨块安装图

综合评估后,新的焊接精度范围控制在公差为±2mm,如图5所示。

图5 焊接精度控制图

4 精度控制方法和效果

4.1 焊接方式和装配顺序

限位导轨在机加工后进行焊接施工,此过程容易产生变形,对精度控制不利。可以通过改变装配顺序和焊接顺序来达到控制变形量的效果[2]。

不同的装配顺序和焊接顺序对于焊后产生的变形量是不同的,所以在施工过程中应采取合理的装配和焊接顺序。焊接时尽量采用对称焊接和分段焊接相结合,焊接一侧等待冷却,观察和测量变形后再去焊接另外一侧,通过两边相对同时受热的方式,达到变形量的相互消除。

在焊接过程中,也应该优先焊接错开的短焊缝和收缩量及受力较大的焊缝。同时,根据不同的焊接结构采取相应的焊接顺序,这才能够使焊缝有较大的收缩自由,尽可能减少焊缝中的残余应力。

限位导轨和横向加强筋先焊接做成一个整体框架后,再安装在起升框架主体上。在这个过程中,横向加强筋优先焊接,这样可以形成一个拉力,减少局部的波浪曲向变形,后续焊接限位导轨时不会因为受热而造成大范围的角度变形,导致精度无法满足要求,或者因为角度不统一而形成导轨错位,如图6所示。

图6 优先装配和焊接图

4.2 控制焊接热输入

焊接的热输入对焊接残余应力和变形有很大影响,对焊接质量的影响也较大。它是焊接材料特性、内部热传导、焊缝与空气的对流换热、堆焊过程中的热输入等因素综合作用的结果。

在焊接过程中,焊缝高温区膨胀受到了低温区的限制和挤压,在冷却过程中会产生局部压缩变形[3]。在能够保证焊缝形成良好的情况下,尽可能采用小的焊接热输入,或者在保证焊接质量和焊脚形成的情况下加快焊接速度。这是因为随着焊接速度的加快,单位时间的热输入逐渐减小,温度场分布的梯度逐渐减小。在焊缝内部热传导和焊缝与空气对流换热的联合作用下,焊缝的最大残余应力和形状变量逐渐减小。

综上,焊接过程需要根据经验和实际情况选择适当的焊接电流、方向、速度和顺序,以达到减少变形的要求。

4.3 工装夹具辅助

施工过程中也可以采用固定距离的工装夹具,将限位导轨固定起来进行焊接,增加其刚性。由于受到固定工装夹具的外力制约,在焊接过程中的变形量出现大幅度减小,能够实现对焊接变形的有效控制。

4.4 适当采用反变形法

导轨等焊接零件焊接完成后,由于热胀冷缩的影响,会使得构件发生变形,可根据焊接经验适当采用反变形法[4]。所谓反变形法就是对即将发生的变形进行预判和控制,向相反的方向预留出变形的大小和余量。此方法需要焊接人员具有丰富的施工经验和提前需要做好成熟的焊接工艺试验,根据实际情况调整好焊接规范和工艺。所以,此工艺在施工过程中对于防止变形存在一定的借鉴情况,在一些极难控制变形部位可以少量采用。

4.5 焊接节点设计

限位导轨的焊接有其强度的要求,在满足结构强度的基础上,限位导轨与起升框架主体是进行全焊透。

经过起升框架使用分析,养殖体网箱在起升框架上缓慢上下抬升,速率较低,并且在几个高度点位会进行插销限位,防止意外坠落,或者在台风等恶劣天气与完工拖航的过程中,会进行网箱定位,确保整个平台不发生事故。这三个高度分别为网箱最高高度、网箱拖航高度和网箱最低高度。所以,除了这三个高度外,网箱整体在限位导轨其他地方接触时间短,只是起到限位导向作用,焊接方式仅需深熔焊即可。

深熔焊和全焊透节点相比,焊接的变形量和精度较好控制。因为全焊透需要进行探伤检测,而为了保证焊接的质量,进行全焊透填焊的过程中热输入较大,对于变形更加不好控制。按照实用性原则,减少全焊透的长度距离对于精度控制和变形控制均有良好效果,如图7所示。

图7 焊接节点设计图

4.6 精度控制数据

精度控制过程中,现场施工按照公差进行数据化,通过数据点位进行焊接变形的控制。细致的精控测量可以将变形进行数据化处理,变形情况一目了然。通过数据可以提供机加工的局部位置,也可以进行局部变形的返修和焊接控制,对焊接工艺的完善与改良有重大意义。

数据点位的反馈体现了现代精细化船舶、海洋工程平台建造技术的进步,重大工程细致化处理对于系统地控制精度和工艺改良都具有重大意义,如限位贴板数据点位图(图8)和限位导轨数据点位图(图9)。

图8 限位贴板数据点位图

图9 限位导轨数据点位图

5 完工后的抬升试验

起升框架限位导轨和限位贴板施工完成后,测量精度满足要求,对外报检符合标准,与养殖体网箱整体组合进行抬升试验过程中并未出现卡阻和急速下坠情况,完工后整个装备顺利交付并成功服役。

6 结束语

为了提高船厂的经济效益,降低施工成本,本文对一种智能深海养殖平台上作业的起升框架限位导轨进行施工工艺改良。最终确定限位导轨和限位贴板采用零部件先机加工、再焊接的施工方式,并通过设计焊接节点、改变装配顺序和焊接方式等工艺,将精度控制在公差为±2mm的范围内,保证平台正常作业。

随着造船技术的不断升级和发展,在生产设计中科学地改良施工工艺和应用精度控制技术,不仅能够实现生产过程存在焊接变形的有效控制,还能有效降低生产施工的成本。