淺談機(jī)艙半立體分段及總段變形控制

楊 瀛 胡少軍

(廣船國(guó)際技術(shù)中心)

0 前言

在船舶建造中，機(jī)艙、艏艉區(qū)域因其線型較大，船體結(jié)構(gòu)、鐵舾件和管線復(fù)雜等特點(diǎn)，成為船舶建造精度控制的重難點(diǎn)區(qū)域，其建造、總組和搭載過(guò)程中的精度控制，往往制約著該船的周期進(jìn)度，甚至影響到整體生產(chǎn)節(jié)拍。因而，研究機(jī)艙半立體分段的結(jié)構(gòu)形式和變形特征，探索對(duì)應(yīng)的工藝控制措施，對(duì)提高建造效率將起到至關(guān)重要的作用。

圖1 典型機(jī)艙區(qū)半立體分段立體視圖

1 機(jī)艙半立體分段/總段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

機(jī)艙和艉部區(qū)域的分段總段劃分，因受船舶空船重量和吊機(jī)起重能力的限制，不可避免地會(huì)將其劃分成若干個(gè)半立體分段，無(wú)法靠自身結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)固性和抗變形性好的封閉式受力體，見(jiàn)圖1。這種結(jié)構(gòu)形式造成較多的“軟檔”，相比于雙層底等箱型分段，其堆放運(yùn)輸和翻身吊裝的施工難度更大，保型要求更高。

平臺(tái)和內(nèi)部功能艙室壁板的板厚多為7~12mm的較薄板，自身剛度較差，如果變形控制措施未做好，極易因焊接收縮變形和角變形等原因?qū)е路侄谓ㄔ炀绕畲螅绊懞罄m(xù)分段總組或搭載精度。

圖2 平臺(tái)板波浪變形

2 機(jī)艙半立體分段/總段的變形特征

以散貨船為載體，通過(guò)調(diào)研同類(lèi)型多條船的總組及搭載精度情況，反映出系列船型及同類(lèi)型分段的變形趨勢(shì)及精度超差整體情況分布規(guī)律。

2.1 平臺(tái)板中拱、波浪變形

在總段定位后，部分型船的上下平臺(tái)板及其反頂骨材出現(xiàn)波浪狀扭曲，甚至整體中拱，左右舷合攏的裝配作業(yè)難度較大，造成大量開(kāi)刀矯正或換板現(xiàn)象，見(jiàn)圖2 和圖3。

圖3 平臺(tái)板骨材扭曲變形

2.2 機(jī)艙前壁板扭曲變形、垂直度超差

在機(jī)艙半立體總段搭載過(guò)程中，如果因部分結(jié)構(gòu)間隙超差、結(jié)構(gòu)短料或波浪變形等原因，對(duì)定位數(shù)據(jù)取舍不當(dāng)，容易造成區(qū)域性垂直度和平整度不滿足要求，圖4 為某系列船之一的機(jī)艙前壁垂直度測(cè)量數(shù)據(jù)，可以看出，上平臺(tái)總段定位角尺向艉偏移，導(dǎo)致整體垂直度偏差較大，而在合攏口區(qū)域的錯(cuò)位矯正僅能使局部平整度符合要求。

圖4 某散貨船機(jī)艙前壁垂直度測(cè)量數(shù)據(jù)（“+”表示壁板凹陷，“-”表示壁板凸出）

2.3 機(jī)艙區(qū)總長(zhǎng)、半寬超差

監(jiān)測(cè)部分載體型船從分段完工到預(yù)搭載過(guò)程中的整體長(zhǎng)度和寬度變化，見(jiàn)表1 和表2。

研究其長(zhǎng)度和寬度的整體尺寸收縮量分布規(guī)律及趨勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)上甲板板厚大于機(jī)艙內(nèi)部的上下平臺(tái)板板厚，因而其平均收縮量也小于上、下平臺(tái)；因機(jī)艙區(qū)域的骨架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，長(zhǎng)度方向的平均收縮量小于寬度方向的平均收縮量；設(shè)計(jì)補(bǔ)償值6mm 僅能滿足分段甲板區(qū)域完工后的變形收縮補(bǔ)償，遠(yuǎn)無(wú)法滿足板厚較小的上、下平臺(tái)變形收縮，以及預(yù)舾裝和預(yù)搭載階段的收縮補(bǔ)償；最大收縮量出現(xiàn)在預(yù)舾裝階段，甲板在長(zhǎng)度方向的平均收縮量為7.3mm，在寬度方向的平均收縮量為13.42mm；上、下平臺(tái)在長(zhǎng)度方向的平均收縮量為24.1mm，在寬度方向的平均收縮量甚至達(dá)到35mm。

圖5 平臺(tái)板凹陷積水現(xiàn)象

圖6 平臺(tái)板大量火工矯正后的情形

3 變形成因分析

分段在完工余量劃線測(cè)量時(shí)，上、下平臺(tái)的長(zhǎng)度和寬度方向端口補(bǔ)償為+6mm、+8mm，但是到了預(yù)舾裝開(kāi)始，分段收縮量達(dá)到30mm 以上，精度開(kāi)始出現(xiàn)大幅超差。因此，根據(jù)分段完工→預(yù)舾裝→預(yù)搭載階段的變形趨勢(shì)，從該階段的施工方式和作業(yè)特點(diǎn)入手，并結(jié)合其他階段的施工工藝過(guò)程，逐層深入分析各階段的變形主要成因，為探索工藝控制措施提供先期依據(jù)。

機(jī)艙區(qū)域的總體布置決定了在板厚較薄的上、下平臺(tái)，存在大量的管碼及管支架等舾裝件，其安裝焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱收縮應(yīng)力導(dǎo)致平臺(tái)板出現(xiàn)大范圍波浪變形，同時(shí)，因堆放運(yùn)輸及翻身吊裝過(guò)程的操作不當(dāng)，也容易產(chǎn)生多處凹陷變形，因此需進(jìn)行大量的火工作業(yè)矯正，火工作業(yè)會(huì)導(dǎo)致板材收縮進(jìn)而使得平臺(tái)長(zhǎng)度及寬度值變小，這也是導(dǎo)致變形和收縮的主要原因，見(jiàn)圖5 和圖6。

表1 上甲板總長(zhǎng)和總寬收縮量變化統(tǒng)計(jì)

在預(yù)搭載及船塢搭載的定位過(guò)程中，為保證部分主要結(jié)構(gòu)不離空錯(cuò)位，犧牲部分定位數(shù)據(jù)則會(huì)進(jìn)一步加劇總長(zhǎng)及半寬數(shù)據(jù)的變小。

結(jié)合以上分析，造成機(jī)艙區(qū)域半立體分段/總段變形較大的主要成因有：

（1）板材堆放、分段堆放運(yùn)輸以及翻身吊裝過(guò)程導(dǎo)致的變形，板越薄，影響程度越大；

（2）舾裝件的安裝焊接造成大量的收縮變形和波浪變形；

（3）火工矯正作業(yè)導(dǎo)致板材收縮；

（4）定位時(shí)犧牲半寬及長(zhǎng)度數(shù)據(jù)導(dǎo)致整體偏差。

整理該過(guò)程產(chǎn)生的一系列變形成因及相互作用情況見(jiàn)圖7 所示。

4 工藝控制措施研究

機(jī)艙半立體分段主要出現(xiàn)長(zhǎng)度及寬度縮短，平臺(tái)板平整度較差，機(jī)艙前壁垂直度局部超差，分段預(yù)搭載后出現(xiàn)“扭曲”問(wèn)題，主要為舾裝件的焊接及火工矯正導(dǎo)致的平臺(tái)板收縮，反之因?yàn)槠秸炔罴哟蠡鸸ち?，?dǎo)致長(zhǎng)寬收縮更加嚴(yán)重，因此，需要結(jié)合從分段建造到船塢搭載的各階段的工藝特點(diǎn)，對(duì)整個(gè)流程中的精度及施工過(guò)程加以控制。

4.1 精度管理

（1）應(yīng)確定從分段下料→劃線→完工→預(yù)舾裝退火→預(yù)搭載定位→預(yù)搭載焊后各階段明確的精度目標(biāo)，對(duì)不能滿足該階段精度目標(biāo)的分段提前制定處理方案進(jìn)行整改，各階段嚴(yán)格把關(guān)，禁止流入下道工序。

（2）將各分段精度數(shù)據(jù)和分段/總段定位數(shù)據(jù)應(yīng)納入精度軟件進(jìn)行模擬分析，為后續(xù)分段的建造和分段/總段的定位提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考依據(jù)。

（3）持續(xù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行跟蹤及數(shù)據(jù)收集，建立各系列船的數(shù)據(jù)庫(kù)，在統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值和分析值綜合進(jìn)行后續(xù)船和類(lèi)似型船的精度補(bǔ)償值設(shè)計(jì)和精度目標(biāo)策劃，以提高船廠整體精度管理水平和船舶建造實(shí)力。

4.2 分段建造控制

（1）上、下平臺(tái)的拼板焊接、骨材裝焊等過(guò)程，應(yīng)參照薄板建造的控制原則進(jìn)行控制。

（2）在半立體分段的自由端口和強(qiáng)度較弱的片體上增加保型槽鋼作為加強(qiáng)，對(duì)于需翻身的分段，需對(duì)分段整體剛度進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)吊碼位置布置相應(yīng)的吊裝加強(qiáng)。

4.3 做好堆放及運(yùn)輸過(guò)程中的防變形措施

（1）板材及分段的堆放運(yùn)輸必須嚴(yán)格按工藝要求執(zhí)行，禁止墊塊、支撐、門(mén)架等直接頂在無(wú)結(jié)構(gòu)的板上或弱結(jié)構(gòu)處，防止產(chǎn)生凹陷變形。

表2 上下平臺(tái)總長(zhǎng)和總寬收縮量變化統(tǒng)計(jì)

圖7 機(jī)艙半立體分段變形的形成過(guò)程

（2）注意選擇運(yùn)輸路線，對(duì)于路面不平或有局部沉陷的位置應(yīng)盡量避開(kāi)或者采用鋪設(shè)鋼板墊平等處理措施，防止在運(yùn)輸過(guò)程中因受力不均、顛簸等原因致使分段變形。

（3）堆放地面的承載力和平整度應(yīng)滿足要求，避免因地面不平或者沉降造成局部失去支撐作用而使分段局部受力過(guò)大而變形。

4.4 嚴(yán)格控制舾裝件的安裝焊接

（1）嚴(yán)格控制電流電壓、焊接順序和焊腳大小，減少熱輸出，以控制平臺(tái)板變形量。

（2）焊縫要分段焊接，每段焊縫長(zhǎng)度宜不超過(guò)150mm，焊縫段間的溫度控制在50℃以下，在保證焊接質(zhì)量的情況下盡量使用較快的焊接速度，減少溫度應(yīng)力。

4.5 控制火工矯正量

（1）分段離胎前，按船體火焰矯正工藝規(guī)程對(duì)分段進(jìn)行背燒退火，以矯正焊接角變形，減少總組階段的火工矯正量，并可提前發(fā)現(xiàn)部分因火焰矯正導(dǎo)致板材收縮的精度偏差。

（2）在平臺(tái)板的火焰矯正階段，應(yīng)嚴(yán)格控制好火焰參數(shù)，并選派經(jīng)驗(yàn)豐富的操作工人進(jìn)行作業(yè)，減少因火工作業(yè)不當(dāng)以及過(guò)度火調(diào)導(dǎo)致的板材收縮。

4.6 定位數(shù)據(jù)的取舍

分段及總段定位時(shí)，應(yīng)在肋檢線、水線、半寬線定位正確的基礎(chǔ)上，進(jìn)行總組總段的半寬和總長(zhǎng)數(shù)據(jù)整體把控，對(duì)于部分間隙過(guò)大的板材和結(jié)構(gòu)，該進(jìn)行局部更換的應(yīng)更換處理，而不能僅為了保部分結(jié)構(gòu)間隙而犧牲整體數(shù)據(jù)。

在做到以上控制措施的基礎(chǔ)上，還應(yīng)加強(qiáng)該工藝過(guò)程的監(jiān)控力度；對(duì)分段尺寸發(fā)生較大變化的階段，要制定詳細(xì)的監(jiān)控計(jì)劃；定時(shí)對(duì)預(yù)搭載階段的總段進(jìn)行長(zhǎng)度及寬度的測(cè)量；檢查現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)作業(yè)的規(guī)范性；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況進(jìn)行分析，并做好記錄；對(duì)不規(guī)范的行為及出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)解決。

5 結(jié)語(yǔ)

分段變形和精度超差的影響是連續(xù)相關(guān)的，單個(gè)或多個(gè)分段的變形和精度超差將影響其總組的定位策略及精度控制策略，總段的變形和精度超差將影響其搭載階段的定位策略及精度控制策略，甚至可能影響船舶的型寬及總長(zhǎng)等主尺度。

半立體分段及總段的變形控制應(yīng)做好從板材堆放階段開(kāi)始直至船塢搭載的整個(gè)過(guò)程控制，包括減少堆放變形、做好保型加強(qiáng)措施、控制焊接變形、減少火工收縮等一系列工藝措施，還必須從設(shè)計(jì)上進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)和施工上嚴(yán)格進(jìn)行把控，以做到精細(xì)生產(chǎn)和精益造船。