鋼質(zhì)船舶薄板成型質(zhì)量控制研究

徐興奎， 周昌盛

(大連遼南船廠， 遼寧 大連 116041)

鋼質(zhì)船舶薄板成型質(zhì)量控制研究

徐興奎， 周昌盛

(大連遼南船廠， 遼寧 大連 116041)

結(jié)合某鋼質(zhì)高速船的建造，針對(duì)該船薄板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別從鋼料加工、分段建造及合攏等方面闡述了該船薄板成型質(zhì)量控制的基本內(nèi)容，以及在船體建造的各個(gè)階段所采取的不同的變形控制及矯正措施。在產(chǎn)品施工過(guò)程中，由于各項(xiàng)控制措施使用得當(dāng)，有效地控制了薄板的變形，使該船薄板結(jié)構(gòu)的整體成型質(zhì)量達(dá)到了行業(yè)領(lǐng)先水平。

薄板 變形控制 水火矯正 加強(qiáng)措施

1 引言

隨著近年來(lái)我國(guó)造船業(yè)的蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)船舶市場(chǎng)正趨向大噸位、高附加值的方向發(fā)展，海工產(chǎn)品更是炙手可熱，對(duì)于中厚板船舶的建造工藝也日趨成熟，緊跟日、韓等現(xiàn)代造船強(qiáng)國(guó)的步伐。但對(duì)于噸位小、板材剛度高的中小型高速船舶的建造而言，在建造工藝方面，尤其是對(duì)于薄板成型質(zhì)量控制方面的研究還存在較大的提升空間。

考慮高速船舶的特殊性能，為了保證一定的航速，在設(shè)計(jì)時(shí)不得不盡量采用強(qiáng)度較高、厚度較薄的鋼板作為船體的主要材料，以降低船體自身重量。薄板成型質(zhì)量好壞直接影響船舶整體的美觀效果。如何提高薄板成型質(zhì)量也一直是船舶企業(yè)所面臨的一個(gè)難題。面對(duì)剛度大、板材薄的船體結(jié)構(gòu)，只能通過(guò)不斷探索新工藝、新方法來(lái)持續(xù)提高薄板的成型質(zhì)量。本文將結(jié)合某型高速船的建造，按照船體建造流程(船體建造一般分為鋼料加工、分段建造、分段總組、塢臺(tái)搭載等四個(gè)階段[1])和船體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)厚度為3 mm～6 mm的薄板成型控制工藝進(jìn)行總結(jié)和完善，供業(yè)內(nèi)同行參考。

2 鋼料加工

鋼料加工階段主要包括板材下料、零部件組對(duì)及焊接等工序。該階段是薄板結(jié)構(gòu)變形控制的基礎(chǔ)，控制措施使用不當(dāng)，內(nèi)應(yīng)力無(wú)法有效釋放，會(huì)給后續(xù)的薄板變形矯正工作帶來(lái)極大的不穩(wěn)定性和不確定性。

2.1 板材下料

板材下料是船舶建造的頭道工序，主要應(yīng)控制以下兩方面內(nèi)容。

(1) 板材平面度。下料前，重點(diǎn)檢測(cè)板材平面度。預(yù)處理后的3 mm～4 mm鋼板平面度每米不大于2 mm。5 mm～6 mm鋼板平面度每米不大于3 mm。板材平面度偏差對(duì)于薄板結(jié)構(gòu)成型質(zhì)量的好壞至關(guān)重要，平面度超差將導(dǎo)致在后續(xù)的組對(duì)、焊接過(guò)程中積累的內(nèi)應(yīng)力增大，不利于變形矯正。對(duì)于平面度超差的薄鋼板可采用十芯以上輥床輥壓，效果最佳。

(2) 水下切割。為了控制薄板在切割下料階段的變形，切割一般采用等離子弧水下切割的方式，該種方式是控制薄板切割變形的最有效措施之一。在實(shí)施水下切割前，檢測(cè)水槽內(nèi)托板的平整度也是必不可少的工作。

2.2 零部件組對(duì)

零部件組對(duì)包括平面接板、型材組對(duì)、安裝和焊接等工序，其控制要點(diǎn)如下。

(1) 平面接板。接板是將經(jīng)數(shù)控切割后的單張鋼板經(jīng)過(guò)自動(dòng)焊接，形成滿(mǎn)足設(shè)計(jì)圖樣要求的船體外板、甲板、艙壁等平直結(jié)構(gòu)的過(guò)程。接板應(yīng)在專(zhuān)用焊接平臺(tái)上進(jìn)行，平臺(tái)要有足夠的剛度，直徑3 m范圍內(nèi)平面度達(dá)到±1 mm。在接板焊接前，首先應(yīng)對(duì)接板對(duì)接縫間隙尺寸及單邊板的直線(xiàn)度進(jìn)行測(cè)量，如超差則采取研磨的方式進(jìn)行處理；其次要對(duì)接板的總體尺寸進(jìn)行校驗(yàn)，如有偏差則應(yīng)及時(shí)調(diào)整。尺寸校驗(yàn)合格之后對(duì)焊縫采用定位焊進(jìn)行固定。定位焊過(guò)程中也要注意定位焊的間距并控制定位焊焊點(diǎn)大小，必須嚴(yán)格按照工藝要求及焊接規(guī)范進(jìn)行施工操作。多張板材進(jìn)行接板時(shí)則應(yīng)注意接板順序，避免因施焊順序不當(dāng)產(chǎn)生應(yīng)力集中。接板結(jié)束后，應(yīng)采用輥床進(jìn)行輥壓，板材的正反面各輥壓一次，目的是消除鋼板拼接后的變形。輥壓后，對(duì)板材平直度進(jìn)行測(cè)量檢驗(yàn)，合格后方可轉(zhuǎn)到下道工序。

(2) 型材組對(duì)、安裝。這里的型材組對(duì)、安裝主要指“T”型材和球扁鋼與平面板材的裝配，形成板架結(jié)構(gòu)的過(guò)程。在結(jié)構(gòu)裝配過(guò)程中應(yīng)注重對(duì)結(jié)構(gòu)件的直線(xiàn)度及裝配間隙的控制。應(yīng)在專(zhuān)用的平臺(tái)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)組對(duì)、裝配，以此保證結(jié)構(gòu)件板架與平臺(tái)接觸無(wú)間隙，如有必要可采用自制的小型工裝對(duì)結(jié)構(gòu)件的裝配狀態(tài)進(jìn)行控制。3 mm～6 mm薄板及結(jié)構(gòu)的焊腳尺寸一般在3 mm左右，為了減少焊接填充物，降低焊接熱傳輸，型材(角鋼或球扁鋼等)焊接端的圓角應(yīng)磨平。定位焊應(yīng)分布均勻，焊點(diǎn)直徑在5mm左右，間距為50 mm為宜，并只釘焊結(jié)構(gòu)一側(cè)，不得使用拉桿固定。先焊無(wú)定位焊一側(cè)，另一側(cè)清除定位焊點(diǎn)后再焊接。

2.3 焊接

在此階段，焊接主要包括薄板自動(dòng)焊接板、板架焊接兩個(gè)方面。

(1) 薄板自動(dòng)焊接板。對(duì)于3 mm～6 mm的薄板自動(dòng)焊接板主要采用CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊和細(xì)絲埋弧焊兩種焊接方法，為達(dá)到提高焊接效率和保證焊接質(zhì)量，通常采用兩種焊接方法的組合方式，即正面采用CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊焊接，而反面則采用細(xì)絲埋弧焊。實(shí)踐證明，在薄板自動(dòng)焊接板過(guò)程中，采用組合焊焊接方式，即提高了焊接效率又有效地控制了焊接變形。

(2) 板架焊接。薄板平面板架的焊接效果是薄板成型的關(guān)鍵，焊接時(shí)的局部不均勻熱輸入是產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的決定因素[2]，該工序焊接方法使用不得當(dāng)會(huì)直接影響后續(xù)工序乃至全船薄板整體成型質(zhì)量。要想板架成型效果好必須做好以下三點(diǎn)：第一，焊腳尺寸一致且趨近設(shè)計(jì)尺寸下限；第二，板架整體受熱均勻；第三，做到焊接有序。

對(duì)于控制焊腳尺寸是硬性要求，要求提高焊接速度、控制焊接電流，在保證焊接質(zhì)量的前提下，盡量降低焊接熱輸入；板架整體受熱均勻是要求在板架結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中廣泛使用自動(dòng)角焊小車(chē)，盡量做到結(jié)構(gòu)的縱橫方向，即在同一個(gè)框架結(jié)構(gòu)內(nèi)熱輸入一致；正確的焊接順序是減小焊接變形的主要控制手段之一，在施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)焊工的工藝培訓(xùn)工作，杜絕隨意亂焊。另外，值得注意的一點(diǎn)是焊接前需將壓鐵或磁性壓碼放置在焊接結(jié)構(gòu)附近，使板架與平臺(tái)壓緊貼實(shí)。

2.4 變形矯正及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施

(1) 變形矯正。板架焊接結(jié)束后，其內(nèi)部產(chǎn)生了焊接應(yīng)力，這是一個(gè)不可避免的事實(shí)。板架在進(jìn)行分段裝配前必須進(jìn)行一次水火矯正，以最大限度地釋放焊接應(yīng)力、消除焊接變形。板架焊接后如果結(jié)構(gòu)變形較大，不能先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行矯正，應(yīng)先背燒(僅在結(jié)構(gòu)背面采用火工矯正)，再矯正凹凸面，最后再矯正結(jié)構(gòu)。

根據(jù)板架表面不平度的尺寸確定矯正先后順序，先矯正凹凸深度較大的部位；對(duì)于結(jié)構(gòu)變形超差的部位先進(jìn)行背燒，結(jié)構(gòu)背燒參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)背燒參數(shù)

背燒結(jié)束后，再測(cè)量肋骨間鋼板的平面度。如超差，先矯正上凸超差最大的鋼板。隨即進(jìn)行火焰線(xiàn)狀加熱，加熱線(xiàn)與結(jié)構(gòu)平行。加熱后矯正效果不明顯或變形較大的區(qū)域，加熱線(xiàn)在原始加熱區(qū)域內(nèi)加密，如圖1所示(圖中箭頭方向?yàn)榧訜峋€(xiàn)方向，序號(hào)為加熱順序)。對(duì)于板架波浪變形的矯正，可采用短線(xiàn)加熱矯正。其加熱線(xiàn)與骨架夾角為35°～45°，如圖2所示。

圖1 加密線(xiàn)布置示意圖

圖2 短線(xiàn)加熱線(xiàn)布置示意圖

(2) 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施。在平面板架變形矯正結(jié)束后，非結(jié)構(gòu)面安裝三根結(jié)構(gòu)加強(qiáng)扁鋼。分別沿對(duì)接板縫長(zhǎng)度方向距板架邊緣150 mm左右和板架中心三個(gè)位置布置安裝，如圖3所示。加強(qiáng)結(jié)構(gòu)要有一定的剛度，避免因剛度不足而失效。加強(qiáng)結(jié)構(gòu)在分段建造與分段合攏階段不予拆除，待合攏結(jié)束后一并拆除。

圖3 板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 分段建造

分段建造，是將鋼料加工階段所形成的部件和組件組裝成立體分段的工藝過(guò)程。一般分為正造、反造和側(cè)造等建造方式。鑒于本文所提及的高速船的實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在此階段主要是對(duì)分段甲板反造和舷側(cè)板架整體式安裝兩個(gè)方面進(jìn)行控制。通過(guò)采用合適的建造方式和采取適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施，使薄板分段的變形處在可控范圍內(nèi)。

3.1 分段的裝焊

(1) 甲板反造。甲板通常帶有梁拱，因此甲板一般采取反造方式。對(duì)于反造的甲板板架，是將接板后的成片平板鋪設(shè)在事先用角鋼支起的胎架上，調(diào)整定位后，按平面板架制作的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃線(xiàn)、安裝，其控制方法與鋼加階段相同。對(duì)于薄板結(jié)構(gòu)，胎架模板的疏密程度直接關(guān)系到薄板的成型質(zhì)量，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行加密。

(2) 舷側(cè)板架整體式安裝。對(duì)于高速鋼質(zhì)船舶而言，為減小阻力，其舷側(cè)多采用折角線(xiàn)船型。該船型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是舷側(cè)外板橫向線(xiàn)型多為斜直線(xiàn)型，即絕大部分為平直結(jié)構(gòu)。這為舷側(cè)平直結(jié)構(gòu)平面焊接、分段安裝提供了前提條件。如果按照常規(guī)的工藝，先定位安裝結(jié)構(gòu)之后再安裝外板板，不僅需要搭設(shè)大量腳手架、增加裝配工時(shí)和裝配難度。由于在此階段采用手工焊接，熱輸入不均勻，極易造成由于焊接變形而表現(xiàn)出的舷側(cè)外板凹凸不平，俗稱(chēng)“瘦馬”現(xiàn)象。如果舷側(cè)外板構(gòu)件在鋼加平臺(tái)上裝焊，通過(guò)Tribon軟件對(duì)外板進(jìn)行展開(kāi)，得到精確的二次劃線(xiàn)圖，實(shí)現(xiàn)舷側(cè)外板及結(jié)構(gòu)以板架的形式在分段上整體安裝，從而節(jié)省大量工時(shí)成本，有效地解決了由于外板散裝而造成的施工難度增加和成型質(zhì)量不易控制等問(wèn)題。實(shí)踐證明，將舷側(cè)結(jié)構(gòu)組成平面板架在鋼加階段進(jìn)行焊接，最后在分段建造階段整體安裝到分段上，這種“平面化”的施工方式既節(jié)省了工時(shí)又有利于薄板成型控制，顯著降低了施工難度，很值得推廣。

(3) 分段焊接。由于絕大部分施工過(guò)程的“平面化”，其焊接方法及控制措施與鋼加階段平面板架的焊接相同。只是在分段組裝、焊接過(guò)程中控制焊腳尺寸和采用合理的焊接順序就顯得十分關(guān)鍵。

3.2 變形矯正及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施

(1) 分段變形矯正。分段建造完工后，需對(duì)外板、甲板、艙壁等產(chǎn)生變形的部位進(jìn)行矯正。門(mén)、窗、艙口蓋開(kāi)口變形主要是由于鋼板失穩(wěn)所致。矯正方法為先在開(kāi)口周?chē)Y(jié)構(gòu)上進(jìn)行背燒，并水冷。開(kāi)口四周板材有波浪變形時(shí)，在門(mén)窗開(kāi)口的四角進(jìn)行三角形局部加熱，水冷。除此之外，還應(yīng)根據(jù)精控部門(mén)反饋的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)分段主尺度進(jìn)行統(tǒng)一修正。構(gòu)件的矯正應(yīng)根據(jù)變形原因、變形量及現(xiàn)場(chǎng)施工狀態(tài)選取合適的水火矯正方式，在板架強(qiáng)度允許情況下進(jìn)行作業(yè)，避免過(guò)度矯正引起板材的剛性變化。

分段在安裝舾裝件過(guò)程中也容易產(chǎn)生焊接變形，舾裝件待安裝區(qū)域及安裝后的矯正變形工作也應(yīng)在分段涂裝前階段一并完成。

(2) 分段加強(qiáng)措施。船體分段本身的板材較薄，在下胎吊裝過(guò)程中，由于分段強(qiáng)度不夠，很容易造成板材及結(jié)構(gòu)變形。在分段內(nèi)部及合攏口兩端適當(dāng)增加加強(qiáng)結(jié)構(gòu)是非常必要的。該加強(qiáng)結(jié)構(gòu)在合攏后拆除。

在吊裝過(guò)程中，采用常規(guī)的眼板吊裝則極易造成船體變形。因此船體分段吊裝可采用吊帶吊裝的方式，并適當(dāng)增加分段內(nèi)部臨時(shí)加強(qiáng)來(lái)避免分段吊裝時(shí)由于受到擠壓而產(chǎn)生的變形。

4 合攏

根據(jù)工序的相似性，這里所謂的合攏包括分段總組和塢內(nèi)搭載兩部分，主要是控制合攏口的變形。此階段是分段殘余應(yīng)力釋放的最后階段，分段合攏焊接前必須采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┍M可能釋放殘余應(yīng)力。分段涂裝后總組過(guò)程中產(chǎn)生的焊接變形，僅對(duì)合攏縫區(qū)域進(jìn)行矯正，其余變形待塢內(nèi)合攏完工后再進(jìn)行矯正。上層建筑分段合攏前，應(yīng)對(duì)上層建筑分段結(jié)構(gòu)安裝位置處甲板變形進(jìn)行矯正。所有分段合攏后，甲板或艙壁上舾裝件基本安裝結(jié)束，這時(shí)再進(jìn)行甲板、艙壁等的最后一次矯正。

至此，船舶在下水前，所有的薄板成型質(zhì)量控制工作已基本完成。船體外板、甲板、艙壁等結(jié)構(gòu)的變形均得到了有效控制。通過(guò)以上各階段的控制措施，某高速船的船體建造取得了巨大成功，尤其是外板的成型效果達(dá)到了歷史最佳，獲得業(yè)內(nèi)專(zhuān)家的一致認(rèn)可。

5 結(jié)束語(yǔ)

薄板成型質(zhì)量關(guān)系到船舶整體外形美觀程度，成型質(zhì)量的好壞直接反映了船企的建造水平和生產(chǎn)能力，是船企技術(shù)進(jìn)步不可獲缺的重要部分。本文緊緊圍繞提高船舶薄板成型質(zhì)量這一主線(xiàn)，緊跟新形勢(shì)下的新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)、新工藝的發(fā)展步伐，認(rèn)真研究和貫徹已有的工藝方法，密切聯(lián)系自身生產(chǎn)實(shí)際需求，推動(dòng)了薄板成型質(zhì)量控制舉措的不斷發(fā)展，對(duì)新時(shí)期的船舶建造有著積極的意義。

[1] 應(yīng)長(zhǎng)春.船舶工藝技術(shù)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2013.

[2] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)(第3卷)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

Quality Control for Sheet Forming of Steel Vessels

XU Xing-kui, ZHOU Chang-sheng

(Dalian Liaonan Shipyard， Dalian Liaoning 116024, China)

Combining with the steel structures’ construction of some high speed steel vessel and aiming at the structural features of sheet plates, this paper expounds the basic contents of quality control for the vessel’s sheet forming in terms of steel material processing, block building and assembly, etc. It also introduces the deformation control and corrective measures adopted at different stages in the whole construction process. The sheet deformation is controlled effectively by properly adopting each control measure, which made sheet structures’ overall forming quality achieve the leading domestic level.

Sheet Deformation control Fire and water correction Strengthening measures

徐興奎(1976-)，男，工程師。

U671

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