豪华邮轮薄板建造控制变形措施研究

王永强

(招商局重工(江苏)有限公司,江苏 南通 226100)

0 引言

目前薄板变形已成为船舶建造行业必须要面对的难题。豪华邮轮客房区、客滚船汽车滚装甲板与跳板均采用超薄板来达到减轻空船重量、降低重心、提高稳性的目的,但薄板变形难以控制。船舶分段建造过程中,船厂常用的变形控制措施主要为火工校正,此方法费时费力且效果欠佳[1]。

本文在分析薄板变形原因的基础上,对豪华邮轮建造过程中片体、分段、合龙阶段引起薄板变形控制措施进行研究,同时结合世界邮轮建造发展现状,指出用先进设备和流水线来解决薄板变形的趋势。

1 豪华邮轮薄板使用要求

(1)优先考虑船舶的安全性。豪华邮轮甲板以上客房区高达十几层楼高,横向受风面积巨大,因此降低主甲板以上客房区的重量是保证船舶稳性最有效的措施。目前邮轮甲板或壁板的板材厚度、管材壁厚都很薄,钢板厚度为3～6 mm,管子多用薄壁(1.5～3.0 mm)合金管代替普通厚壁碳钢管。

(2)追求舒适性。为提高邮轮乘客居住和娱乐空间,客观上就要求横向跨度大、纵横向骨材高度小。同时,为保持安静,客房区实行柔性化设计,以减少刚性传导和振动、噪声等。

(3)追求邮轮外表的美观性。豪华邮轮是一座移动的小镇,供游客居住和享受,内部装修美轮美奂,免税店、酒吧、娱乐城、游泳冲浪等应有尽有[2]。这就要求船壳光顺无瘦马现象,每层客房甲板和房间内外走廊甲板都要达到很高的预制平整度,邮轮顶部露天的休闲娱乐区甲板平整度要求更高,而这些区域都使用超薄钢板制造。为满足超薄钢板超高平整度要求,大量薄板集中使用时势必产生较大的焊接变形[3]。

2 薄板变形原因分析

薄板在卸货进库、打砂油漆、切割下料、钢板拼板、骨材安装、焊接、火攻校正、翻身吊运等工序均会受到外力或热量输入的影响,这些工序都会在板内产生残存应力。变形的片体用强制外力矫正,虽然解决了平整度问题,但内应力一直聚集在片体里,这个力会不断寻找板片结构相对薄弱的区域释放出来。这种情况下,即使是很少一点切割、焊接或外力挤压都会造成板片无规则的严重变形。

3 片体小组立阶段的控制变形措施

3.1 薄板使用前校平释放内应力

薄板轧制的成材率很低,因规范对超薄板平均厚度和厚度公差要求远高于中厚板。为保证钢板厚度均匀,会增多碾压次数,而多次碾压会产生内应力,因而这种钢材使用前要校平释放应力。

3.2 选择适当的装卸货和运输工具

薄板极易发生角变形折弯,一般选择多点磁力吊来装卸,这样薄板起吊时整个板面受力均匀,也可使用先进的多点式真空吸盘吊装。严禁在薄板上焊接吊耳起吊和使用钢板铁钩起吊。

要使用特制“门”字型平板托架存放和运输薄板,避免转运挤压产生变形。也可以斜靠在“立柱”托架上运输(使用钢质平托盘效果更好)。

3.3 薄板预处理和下料后校平

薄板打砂预处理和数控下料一样是一个热加工过程。为防止薄板下垂,薄板通常被放在简易圆钢制作的网状托架上进入预处理流水线的。预处理和下料后均需要对薄板进行1～2次的校平,以释放薄板加工产生的内应力。

下料开孔采用套料过桥方式,板材开孔下料切割时预留搭桥,保留开孔区局部强度,防止后续施工过程中产生变形。采用手工、半自动或自动割刀切割时均需用小号割嘴进行切割,同时保持稳定的速度,从而防止边缘切割变形。

3.4 钢板拼板后校平

拼板作业需在表面平整且刚度好的钢结构平台上进行,拼板间隙应控制在0～0.5 mm范围内。为保证拼板平直度,一般用厚钢板或者压铁在焊缝间隙处采用刚性固定,且距焊缝间距达到埋弧焊机行程即可[4]。拼焊好后的板可以放在多滚矫平机上释放应力,太宽的板片可以采用震动压路机2次碾压焊缝释放焊接应力[5],或使用薄板拼板流水线,焊缝实行反变形FCB焊接。也可以使用线能量输入更小的激光焊接拼板流水线(TWP)。激光焊接不用考虑焊接变形,但激光流水线造价很高。

3.5 型材安装注意事项和使用先进的工装

型材在预制装配前必须矫正,变形的型材禁止直接流到下个安装工序。所有拼板和型材的安装都拒绝使用传统的焊接码板或门子架,建议采用磁力或真空无码工装装配。型材安装或焊接若有缺陷需返工,用打磨或铲边的方法来校正。

3.6 选择合适的焊接方法及焊接顺序

所有焊材应与母材相匹配,严禁用大直径焊丝(焊丝直径不大于1.0 mm)和大电流施焊。上建扶强材尽量多使用间段焊和单面焊代替双面全焊接,以减少焊接量和焊接变形。实践证明：控制焊脚高度是控制片体变形的最有效措施之一;厚度6 mm以下薄板结构角焊缝焊脚控制在2.5～3.5 mm,需由业务能力高的二氧化碳焊工作业。平直片体上结构和甲板纵骨的角焊接应用双数半自动角焊机,采用对称、交替和间隔中间到两端焊接。若片体上型材焊接后产生角变形,则在板片翻身后采用双头半自动烘枪,对型材反面左右两侧进行背烧处理,释放装焊过程中的焊接应力。

严格控制施焊顺序,按照从中间到四周、先对焊后角焊、先立焊后平焊、先焊结构焊缝后焊收缩量小的钢板对接焊缝的顺序施焊。对板片面积相对较大且扶强材较长的构件,用分步退焊法焊接,从中间向四周焊接,用跳焊法分散焊接量,避免在一个区域集中施焊。整个片体焊接完成后,翻身、自由状态下校平,以消除片体上的焊接角变形[5]。

3.7 提高片体铁舾装率

舾装安装工序前移,减少分段阶段预舾装,在片体阶段尽量安装一些不影响翻身、运输的舾装件。长的舾装可在片体上先校平,进入组立阶段再接长,尽量减少在薄板上热工的次数以减小焊接变形[6]。贯穿件如电缆或管材穿过薄板,需要一次性在薄板上开好孔并做相应的加强补偿和校平应力释放,确保后续构件穿舱时不会引起这个区域变形。

4 分段建造阶段的控制变形措施

4.1 薄板分段建造的胎架要求

胎架基座需要有非常强的刚性,横、纵向胎板的间距小于500 mm;横纵方向的连接模板高度为250 mm,模板厚度大于10 mm,保证分段胎架板具有足够强度,并采取固定措施,不得使胎架处于自由状态。曲面胎架要求严格按照外板形值表中的数据制作,并报精度管理部测量检验,确保曲面上胎板的精度满足要求后才能使用。

4.2 分段装焊变形控制措施

为控制装焊变形,胎架板需使用“7”字形胎架与卡板进行拉靠固定;卡板拉靠需根据分段实际情况进行增设,禁止用耳板、胎架板和胎架直接施焊。型材、构件应按照图样核对形状、尺寸和数量,扭曲或变形的型材修整或更换后才能安装。

分段焊接完毕后进行火攻校正以满足精度要求,经船东、船检外检全部通过后方可下胎。下胎后的分段除了分段合龙口外尽量不要再有热工发生[6]。脱胎吊运前评估分段的局部强度,强度不足的地方增加辅助小型材,防止吊运时发生变形。

为减少结构的变形和保证光面的美观,因吊运或合龙要求设置的分段吊码及其加强材应设置在分段的结构面,杜绝设置在分段的光面。这些吊码或加强材在不影响内部其他结构的情况下,切割留根后要进行打磨处理,以减少切割引起的变形。

4.3 减少分段预舾装阶段变形

分段下胎后进入预舾装阶段,该阶段是引发分段薄板变形最主要的时期。为防止薄板变形,禁止一切舾装件直接焊接在薄板上。除连接在片体阶段已经预埋“短根”上的舾装件,其他所有舾装件都要生根在临近的骨材上,用桥接或转角连接等方式把舾装件的根连接到骨材上。

4.4 减少分段临时加装舾装件措施

根据舾装件承载的大小,临时增加的小电缆托架或通风小舾装件应尽量避免设计为全焊。承载力小的舾装就点焊,不得不焊在薄板上的舾装件要采用线能量输入很小的特殊焊接方法(如电阻焊)来减少薄板的变形。

5 分段总组和大合龙阶段控制变形措施

5.1 保留加强绑材

为减小成形分段翻身吊运及合龙口焊接变形,合龙前保留分段和结构风道合龙口处的加强绑材,一直留到合龙焊缝及结构焊接完成后方可拆除。

5.2 客房区合龙后的变形校正

客房区合龙校正工作在焊接工作结束后方可进行,并时时测量每层客房层高,防止校正收缩影响精度。校正顺序如下：先上层后下层,先甲板后围壁,先室内后室外,先扶材后板材,先远后近,先轻后重,先疏后密;应力太过集中而形成凸起的部位,可采取开刀或挖换板材处理后再校正;对严重折角的板缝部位,则切开板缝释放应力,重新调平后施焊,焊后火攻消除焊接应力并调平。

5.3 添加永久加强筋

结构薄弱的客房区壁板合龙口是最容易变形的,这些区域增加些直径小的加强筋板作为永久加强结构。新增加强筋板采用间断焊,从而补偿这些区域的强度以达到永久抵御外力变形的目的。

5.4 合龙后甲板校平

合龙后甲板凹凸不平是很常见的,这时应加外力将凹陷部位顶住后在反面斑点状干烘矫正,切不可用拉条状直接烘甲板下横梁,以免甲板整体凹陷或拱起。高效中频矫平机EFD作校平设备效果很好,尤其对起伏波浪变形和“瘦马”变形最为有效。其原理是利用中频加热“抽出”加热部位的薄板金属形成条状隆起,释放应力并拉平变形区域[7]。

6 结语

本文按照建造工艺流程阐述了豪华邮轮薄板变形的原因及控制措施,重点概述了各工序对薄板变形的影响。豪华邮轮和豪华客滚船超薄板变形的防控,在未来很长一段时间仍将是业界难题。随着先进设备设施的投入使用,特别是激光切割和焊接设备应用,平直分段薄板变形将得到很好控制,未来超薄板变形控制将放在曲面分段外板上。