自升式平台桩腿超厚度齿条切割工艺

2018-11-14冯小东王维玉马向前李虎请贾宝春张永杰

船舶与海洋工程 2018年5期

冯小东，王维玉，马向前，李虎请，贾宝春，张永杰

（1. 郑州天时海洋石油装备有限公司，河南郑州 450000；2. 大连船舶重工集团海洋工程有限公司，辽宁大连 116000）

0 引言

随着我国海洋油气开发的进程不断加快，适应更深水域油气勘探和开采的移动式海洋工程平台越来越重要。自升式平台在各类工程平台中占有很大的市场份额，主要由平台主体、桩腿、升降机构和其他专用设备组成。桩腿齿条是自升式平台的核心组成部分，承载着平台的全部重量和载荷，桩腿齿条的材料和性能决定着自升式平台的承载能力和适用的海域[1-2]。随着平台承载能力的提高和作业水深的增加，桩腿齿条的厚度越来越大。为解决适用于深海域自升式平台的超厚度桩腿齿条（厚度≥210mm）的材料和制作工艺等方面的问题，对产品的生产工艺进行研究是现阶段海工装备企业亟待重点关注、重点突破的项目。

1 超厚度齿条的材料性能和公差尺寸要求

所涉项目对自升式平台桩腿齿条的设计技术要求及超厚度齿条的材料和加工技术要求为：

1) 210mm超厚齿条的材料为可焊高强度调制钢，牌号为ASTM A517GrQ，屈服强度为690MPa，抗拉强度＞790MPa，-40℃温度下CVN冲击值＞69J；

2) 齿条的模数为95，采用火焰切割一次成型，不再进行其他后续成型加工；

3) 齿条的尺寸公差要求见表1。

表1 齿条的尺寸公差要求

2 影响超厚度齿条切割的关键因素的分析

对于厚度≤177.8mm 的齿条板切割，目前国内外的切割技术已较为成熟并已得到广泛应用；对于厚度＞200.0mm的超厚度齿条板的切割，国内尚无明确的应用实例。这主要是由于板厚增加对切割工艺的要求更高，工程项目尽量慎用超厚度齿条，本文所述的超厚度齿条为目标平台将要应用的新型齿条。该齿条板应用的钢板牌号为ASTMA517GrQ，其熔炼化学成分见表2。

表2 ASTM A517GrQ熔炼化学成分

2.1 合金成分对钢材切割的影响

钢材中合金元素的成分和含量不同会改变钢材的相变点温度，改变共析点S的位置，改变Y相区的形状、大小和位置[3]。此外，合金的结晶温度区间越宽，合金的流动性越差。在熔炼大厚板时，适当增加合金元素的含量有助于保证板材的综合力学性能，但可能会使钢材的流动性更差。

钢板常用的切割下料方式有火焰切割、等离子切割、激光切割和水切割等。但对于超厚度的齿条钢板而言等离子切割和激光切割无优势。经济环保的水切割同样无明显优势。因此，在目前的技术条件下，超厚钢板的切割采用的还是操作相对复杂、技术要求较高的火焰切割方式。

钢板中合金元素铜、铬、镍、锰等的含量过高会增加切割难度，不利于火焰切割。

2.2 厚度增加对切割的影响

当利用火焰切割技术加工零件时，钢板切口下部的氧气流量越小、纯度越低，气流挺度越弱，工件越厚，上述现象越明显，切割表面越易产生弧度。切割时上下燃烧不均匀会使切割质量变差。另外，切割是对局部进行快速加热，在热量传递过程中，温度分布并不均匀，切割边附近的冷却收缩与其他部分的冷却收缩不一致，这会使工件产生热变形，对于超厚板来说引起热变形的可能性会更大[4]。

3 超厚度齿条切割关键点及解决方法

齿条最后的精度尺寸是评定齿条切割成功与否最主要的条件之一，保证齿条一次性切割成型之后的尺寸符合要求尤为重要。影响切割质量的因素有很多，大致可分为内因和外因。内因即钢板的成分、厚度和表面状态等；外因即氧气含量、预热温度、切割速度和切割参数等。

为解决超厚齿条切割易出现的问题，采用以下措施：

1) 严格控制钢板自身的平整度；对承载平台进行改进，以便在平台上放置钢板后受力均匀，整体平整度符合要求。

2) 改进钢板固定约束工艺，结合定向约束法对钢板四周进行约束，防止钢板飞边弯曲变形影响成品齿条的精度。

3) 在切割完成之后，对成品齿条进行保温缓冷，起到防裂纹和防变形的作用。

4) 严格控制钢板表面的状态，清除表面的锈渍、油污等；适当提高钢板切割前的预热温度。

5) 严格控制氧气和燃气的纯度；在切割前对原有设备的气路管道系统进行改进，保证硬件设施达到要求；在切割时保证氧气压力和燃气压力的稳定。

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6) 优化相应规范，根据合理的切割工艺规范，对氧气压力、预热温度、切割速度和切割参数等进行优化调整，获取适合大厚度齿条的材质和厚度。

4 超厚度齿条切割工艺

超厚度齿条的制作环节需具有技术积累、设备能力和管理能力，并按照合理的工艺程序完成。制定合理的工艺流程可减少切割工作的盲目性，提高工作效率。大厚齿条的工艺完全按照图1所示的流程制定。

图1 工艺制定流程图

采用ASTM A517 GrQ的调制钢板，钢板中含有较多的合金元素，有些合金元素可能会提高钢板的冷裂敏感性，在火焰切割齿条时可能会出现淬硬组织，因此必须在切割前进行预热，在切割后进行保温缓冷。根据合金钢切割预热温度的计算式[5]进行分析可知，工件的碳当量越大、厚度越厚，切割时的预热温度就越高。对于本文所述超厚齿条来说，经计算，碳当量Cep= 0 .79，Tph=305℃。而在实际生产中，车间的环境温度、工况条件和生产效率等对产品的预热温度设定都有一定的影响，结合实际生产经验将切割前的预热温度确定为170～200℃。

采用火焰切割钢板件时，若要获得良好的切割表面质量，必须有一个完善的切割工艺规范。特别是在切割超厚度钢板件时，更需使气割氧气压力、行走速度等工艺参数完美结合。在切割大厚度钢件时，由于氧气压力较高，不但会使氧气流变成圆锥形，而且会增大氧气流的冷却作用，进而影响切割质量和切割速度。实现大厚度钢板气割最重要的条件是向气割区提供足够的氧气流量。钢板中的铜、铬、镍、锰等合金元素的氧化物的熔点比合金元素本身的熔点高。若钢板中合金元素的含量过高，会增加切割难度，不利于火焰切割的进行。在生产中，切割速度过快会造成切割面出现波浪状等缺陷，甚至导致切不透；而切割速度太慢会造成切割面上部被烧伤，出现过烧现象。

采用原成熟的齿条切割工艺对该210mm大厚度齿条进行试切割，得到一个表面质量，将其与177.8mm成品齿条的切割表面质量相对比，结果见表3。

表3 切割表面质量对比

造成表3中210mm切割面表面质量较差的原因可能有氧气压力过小、切割速度过快和割嘴高度过高等。原成熟切割工艺规范已无法满足210mm超厚度齿条的切割要求，必须进行优化。

根据工艺规范制定流程，首先将切割机各项参数设定为原成熟切割工艺规范，然后对钢板进行直线试切割，检测切割之后的表面质量。观察切割表面是否有缺陷，若有缺陷，记录缺陷的类型并分析可能的原因，从而对切割机的切割氧压力、预热氧压力、燃气压力、行走速度和割嘴高度等进行调整。在直线试切的表面质量（粗糙度和垂直度）符合要求之后再进行齿形试切割。齿形切割与直线切割最大的区别是在进行齿形切割时，枪头行走不平行或垂直于导轨切割行走过程中有圆角。行走轨迹不同会对工件的热变形和切割表面的垂直度有一定影响，但对切割表面的粗糙度影响不大。一般情况下，直线试切的表面粗糙度完好，齿形试切割只需根据试切数据对变形量和表面垂直度进行修正。

结合工艺规范和大量的试切数据，运用有限元分析法和极限法等方法，经过多次调试，最终得到切割表面质量较好、尺寸精度合格的齿条（见图2）。由此制定一套合适的针对210mm超厚度齿条的切割工艺规范。

在制定该切割工艺规范时，首先考虑到钢板厚度增加会提高对支撑平台的刚性要求，工件变大使热变形控制变得困难，因此须改进对工件的固定约束装置。在改进切割工艺规范时，考虑到钢板的厚度增加因素，在试验时提高钢板的预热温度并采取保温处理，防止变形和冷裂；同时，为使钢板充分燃烧，应提高氧气流量等参数值。当然，最主要的还是各参数间要相互配合。