自升式平台基于余量补偿理念和桩腿精度控制
2022-07-01沙建
沙建
5摘 要:平台在建造过程中会刻意预留余量,余量是指零部件加工过程中,经过预处理、校正、焊接等多次处理之后,钢板会产生变形收缩。所以在进行工艺量值的留取时会刻意多留一些,然后在制定的工序时进行余量切除。同样为针对变形收缩,在进行平台建造时,会刻意增加工艺量值,这部分的多余材料称为补偿量,补偿量会在建造过程中慢慢消耗掉。余量补偿系统属于精度控制的一部分,对于平台的建造精度以及利润都有很多的影响。这些年在各大船厂以及研究机构都有意进行这方面的研究和统计。我厂基于自身优势,通过统计建造过程中的相关数据,建立自己的精度控制数据库。通过借鉴以往的建造精度控制经验数值,对在建的产品进行指导,达到提高产品建造精度的目的。
如上假设所示,焊件的纵向收缩量可以忽略。焊缝的沿纵向变形小,所以公式(1)可以进行变形为:
其中,、
—焊接缝的横截面积
焊接齿条的凝固态时的密度选取室温25°时的密度值,如圖1.1所示;在进行焊接时,焊剂等焊材状态处于流动,忽略变形,可取
时的密度,
,以下为各焊接层的横向变形计算公式。
第一阶段的焊接层为三角形,如图4.15所示,设焊接完成后的焊接坡口变成
,由此焊接缝的横截面积:
式中,dh1为第一焊接层的厚度,同时是熔池的深度(cm)。
将式(3)代入到(2)中可以求得第一焊接层的变形收缩量:
其中,为第一阶段焊接层的表面高度(cm)。
三角形焊接截面只会在第一焊接层出现,如图1.2所示,其他焊接层均是以梯形为主。在进行理论计算时要可做更一步的简化,梯形简
化为矩形。其中矩形的长为梯形的上下底和的一半:,
矩形宽为Ww=dh,Wn' 为第n层的焊接缝的表面宽度,hn表示为坡口处的焊接层的表面宽度。
焊后的接缝处的宽度变化量小,长度方向较长,所以考虑焊缝的长度变化。根据质量守恒定律,可得:
焊接过程中,齿条与焊剂之间会存在温度差,处于150℃至200℃之间,焊接完成之后齿条焊接处会冷却至室温,至此形变值最大。在进行计算时,选在室温25℃下的弹性模量,对照应变率0.001下的塑性应力应变曲线,可以得出焊接处的应力为
假设齿条的焊接处的应力应变一直处于弹性变化范围内,而齿条本身与焊接材料之间有相互作用,计算不同焊接层在受到约束作用下的横向角变形量与收缩量。焊接层已至第n层,现求第n+1的横向的角变量以及收缩量:
根据正反面的焊接顺序,分别计算各个焊接层的横向角变量和收缩量。在焊接的过程中,为保证焊接的精度,会根据现场焊接的结果进行调整,调整焊接顺序以及焊接参数。
1.4自升式海洋平台桩腿齿条焊接变形计算结果分析
齿条的焊接单面为23层焊接层,双面一共有46道焊接层。其中1~11层焊接层的厚度为4.2mm,2~23层的焊接层的厚度为3.8mm。如上,焊接热量输入不同时,熔池深度会不同。821A9AA0-B032-4355-8AC5-CDFF244BC32D
通过比较焊接完成之后的截面图,可知当热量较大时,焊接出现了新的裂纹,当热量输入较小时,焊接质量较好。这是由于热量输入较大时,会破坏原先焊接好的焊接层。
焊接进行时,采用正反面轮流焊接的方式进行。焊接过程中不断通过正反面的焊接来控制调整变形。对于50KJ/cm和15KJ/cm这两种工况进行计算,其中单次焊接第一层、第二层和第三层时的角变量和横向的收缩量。计算表明,15KJ/cm工况下的焊接变形小于50KJ/cm工况下的焊接变形,在进行这三层焊接层焊接时,后面的焊接层对前面的焊接层变形起到矫正作用,最终保证角变形的变形量。
2.采用余量补偿法的精度控制
平台在建造多采用分段建造法,精度的控制也是伴随分段建造进行,最终达到精度控制要求。阶段性的精度控制有助系统总结阶段性控制建造精度,有助于精度控制数据化。
建立余量补偿系统有助于精度控制,但是如何进行余量补偿系统的建立则是一大难点。首先借助于船厂的自身优势,进行相关数据的统计,即在各个阶段需要的变形量、余量以及切割量等。尤其是现代计算机技术的飞速发展,有助于数据收集和统计。
在系统数据收集的过程中,一般会使用以下方法。对建造中的分段或总段对比直方图,测量偏差值。对各个工序进行分别测量,测量过程中,各个结构件不仅仅是结构件进行测量,结构件中型材等都要进行测量。直观的解释就是各向都需要进行测量。对建造过程中变形进行余量补偿,余量补偿过程中也要记录相关的偏差值。
在平台建造过程中,各阶段的补偿量的确定是依照标准偏差值为参照。建造各个阶段的标准偏差量各有不同,所以对应的补偿量可作为对应偏差量的正态分布[1]。由梳理统计,正态分布叠加之后仍然是正态分布。所以各阶段的补偿量是可以按照各个阶段制定,最终叠加之后即为最终的补偿量。
由于平台尺度大,建造过程中,会引起变形的因素有很多,所以补偿量的确定过程即为艰巨和复杂。参考因素主要包括以下一些方面:平台的结构形式,建造的分段形式,分段数量,建造方式,装焊顺序,装焊方法,生产水平等等。在进行余量补偿的时候,可遵循以下建造原则:如果建造的平台与之前的建造平台类似,那么建造过程中可以借鉴以往的数据好经验,从而预先有一个比较好的计划。在进行装配时,应选择较好的建造工艺和装配人员,尽量做到最好,避免劳动密集型的恶性循环[2]。在建造过程中,相关的管理监督部门要做好管理和监督工作,步步为营,切忌随意改动。在实行局部精度控制时,要尽量精确,不能随意加减建造余量。
3.优化余量补偿精度控制的措施
3.1自建建造数据库,逐步推行余量补偿方法
作为船厂,有着自身的优势,有着第一手船舶建造资料,这是全面实现质量管理、缩短建造周期的基础。这对船舶这种建造周期长的建造业而言,数据库是先进的数据处理模式,数据库能帮助船舶建造实现全面建造精度控制。
在船厂会设置专门的精度室,专门负责施工过程中的检验线、中心线和边框线等网络线的绘制工作。负责对建造过程中的数据进行收集和整理,建立各工序的精度数据库,为补偿系统的建立打下基础[3]。在相关数据收集之前,就要先行建立硬件库以及数据库,用于帮助工作人员进行数据收集和存储。
各建造周期内的统计数据相差较大,这对于统计来讲不利。这些不确定性主要是由于施工人员经验不足,导致建造质量时好时坏。所以船厂方面首先要对施工人员进行系统的培训,其次在施工过程中要注意施工必须按照施工要求进行,避免人为操作导致严重的建造质量问题。
此外精度控制部门要进一步做好数据统计整理工作,在制定建造手册时,补偿量的确定要更精确细化。但是通过统计建造数据,可见主船体的合拢基本可以做到无余量建造。这主要是因为在建造过程中,实时进行反馈和修正。比如肋距之间的间隔在原来设计的基础上进行了放宽,这是由于现场操作时,焊接电流较大,熔化量超过了设计值。但是并非所有的分段都是如此,部分分段的建造时,保持电流和建造余量不变建造出来的质量很好,所以针对各个分段的建造措施是不一样的[4]。在进行余量補偿精度控制时,统计数据的细化及其重要。
余量补偿法的精度控制可用于桩腿制造的精度控制,对于提高桩腿的精度有一定的作用,制造过程中的误差统计,对于桩腿整体精度的管理有着重要意义。
3.2 三维测量法在桩腿建造中的应用
桩腿尺寸大,为方便测量,船厂引入了三维测量仪。在引进三维测量仪之后,对桩腿结构的测量取得了很好的研究成果。引进这套系统之后,公司可以自行测量相关数据,且不会造成工期延误,对于检验过程,也便于船东检验,直观且有说服力。
首先是要明确测量要求以及相关规定,其次测量人员要掌握各测量要点。对于自升式海洋钻井平台井架基座的测量,主要是测量基座的主尺度超差是否在精度控制范围之内。在进行测量时,要事先拟定测量手册,确定测量顺序,保证测量数据的连贯性。光靶片要永久性进行保护,确保测量过程中时刻都能进行测量,且保证每次测量都是独立的。
4小结
本文对基于余量补偿理念的精度控制方法做了阐述,对于在各个建造阶段如何进行余量控制也做了很好的解释。同时介绍余量补偿过程中所使用的新型仪器,并简述仪器使用方式。采用理论推导的方式对焊接变形值进行计算,从而为焊接工艺的改进提供有益的借鉴意义。
参考文献:[1]Wang G, Meng X W, Peng M, et al. Design and analysis on fixation and jacking system of jack-up platform[J]. Journal of Machine Design, 2011, 28(7):42-46.