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海洋钢结构预制建造精度控制研究

2019/11/28 阅读:

摘要:焊接作业被广泛应用于海洋钢结构的建造过程中,结构件在预制环节的焊接收缩成为制约建造精度的关键因素。为提高建造精度,首先需详细了解预制环节各阶段的超差类型,包括组合梁、节点、立柱和拉筋等关键杆件的预制过程,以及各类杆件组成甲板片的组对焊接过程,然后有的放矢地制订提高建造精度的措施。实践证明,明确预制阶段的公差要求,在加工设计技术方案中针对焊接收缩提前考虑余量,采用反变形法对甲板片水平度公差进行控制,都是能够切实提高预制焊接建造精度的措施。

关键词:海洋钢结构;建造精度;预制公差;精度控制

引言

海洋钢结构的建造一般分为预制阶段和总装阶段。预制阶段的工作由两部分组成:一是结构杆件预制,如组合梁预制、节点预制、立柱拉筋卷制接长等;二是甲板片预制,即根据车间的建造能力和吊装运输设备的作业能力,将结构杆件,如组合梁、型钢、筋板、立柱拉筋等,组对焊接成甲板片。总装阶段是将预制喷涂完成的甲板片运输到场地进行吊装合龙的过程。不论哪个阶段都离不开焊接作业,而焊接作业带来的固有的收缩变形则是影响海洋钢结构建造精度的关键因素。随着海洋钢结构建造行业的发展,建造精度越来越被人们所重视[1-2],无余量施工的概念应运而生。一般来说,为保证钢结构总装完成后能够满足规格书公差要求,甲板片在总装合龙口位置都会保留余量,在甲板片吊装合龙之前,根据实际情况将余量切除。所谓无余量施工,即将预制阶段的杆件保留与焊接收缩量相匹配的余量,从而避免甲板片总装之前的余量切除工作,这显然对预制阶段的精度控制提出了更高的要求。海洋钢结构预制阶段的精度控制问题任重道远,本文结合近年工程项目中对总装影响较大的预制阶段尺寸超差问题,对施工过程中用于提高预制阶段建造精度的措施进行初步分析和总结,对后续项目的开展有一定的参考意义。

1预制阶段超差问题

根据钢结构预制阶段的工作内容,超差问题相应地可以分为两方面:一是结构杆件的预制超差;二是甲板片预制过程中的超差。

1.1结构杆件预制超差

对甲板片预制过程影响较大的结构杆件预制超差主要体现在组合梁的高度超差和立柱的椭圆度超差上。(1)组合梁高度超差。一般来说,组合梁都由专门的预制厂家完成,考虑到筋板需要准确定位,设计于组合梁上的筋板都是在后续甲板片预制阶段中安装的。根据国内组块建造规格书的要求,组合梁的高度公差为±4mm,如果组合梁预制完成后高度公差为-4mm,则后续焊接筋板,尤其是焊接厚筋板,必然会导致组合梁的高度进一步减少,而造成超差。图1为焊接收缩典型案例,此处组合梁理论高度H=1500mm,实际高度H=1496mm,上下翼缘钢板厚度为80mm,节点管壁厚为60mm。从图1的测量数据看出,在甲板片预制阶段,节点管焊接完成后,组合梁高度H=1494mm,减少2mm,因而最终高度超差。(2)立柱椭圆度超差。管径大于406mm的立柱或者拉筋一般都需要使用钢板卷制,按照建造规格书的要求,卷制管的椭圆度公差为最大与最小内径的测量值之差,应不超过6mm。由立柱椭圆度超差引起的最大问题是因为相邻管段椭圆度偏差的方向不同,而在后续对接过程中引起环缝错皮超差。如图2所示,立柱与其下方大小口由于椭圆度超差而出现的环缝错皮为29.5mm,远远超出规格书对环缝错皮的规定,即0.2t(t为壁厚)或6mm中的较小值。

1.2甲板片预制超差

甲板片预制过程中的超差主要体现在甲板片预制完成后的整体尺寸和水平度超差问题上。(1)甲板片整体尺寸超差。通常,受车间预制能力、场地吊装运输设备作业能力的限制,大尺寸的甲板片在预制阶段都被拆分为若干小甲板片,然后在总装阶段再焊接合龙。图3所示的甲板片由于尺寸和质量较大,在预制阶段被分解为3个小片。此方法能够降低甲板片预制的施工难度,但对甲板片的整体尺寸精度控制却有不利影响。建造规格书只规定了甲板片预制完成的尺寸公差,具体要求为任意平面内立柱之间的对角线最大允许误差在±19mm范围内。对于拆分后小片的预制公差并无明确要求,因此小片预制完成后的尺寸报检也是依据±19mm执行的。这就导致所有的甲板片的尺寸在预制阶段都是合格的,但是到了总装阶段则出现了无法正常合龙的问题。(2)甲板片水平度超差。设备的安装一般是在组块甲板片总装完成之后进行的,因此甲板片的水平度超差对设备安装的影响很大。如图4所示,甲板片局部标高偏低,设备底座安装后不能满足设备的标高要求,只能通过增加垫板来调整。甲板片主体由组合梁、型钢组对焊接完成,甲板片预制完成后通常会出现中间低、四周高的变形。其根本原因是组合梁与型钢的对接要求上表面平齐,所以组合梁上翼缘区域的焊接工作量远大于下翼缘区域,组合梁上翼缘区域的热输入也较大,因此焊后就出现了中间低、四周高的变形。

2提高预制精度的措施

优化焊接工艺可以减少焊接变形,提高预制精度[3-6],但对于焊接工作量巨大、施工过程复杂的甲板片预制,还需要着重从以下3个方面对预制阶段的精度进行控制。

2.1增加预制阶段公差要求

增加预制阶段的公差要求并作为甲板片报检的依据是确保甲板片预制精度的根本措施。第1节的预制超差问题分析表明,预制阶段对总装阶段影响较大的公差主要有组合梁高度公差、立柱椭圆度公差、甲板片尺寸公差和甲板片水平度公差。国内组块建造规格书对组合梁高度的公差要求是±4mm,即组合梁预制高度-4mm也满足规格书要求,但如果后续需要焊接筋板或半圆管,组合梁高度就会减少,从而出现超差问题。所以,如果能够在组合梁预制阶段考虑到后续焊接引起的收缩,将部分组合梁的预制高度改为正公差要求,就可以避免后续的超差问题。一般钢板卷制立柱或拉筋的最大与最小内径之差不超过6mm,为使立柱或拉筋在甲板片预制阶段或总装阶段能够顺利拼接,拼接口处的椭圆度可以从严要求,比如将最大与最小内径之差缩小到4mm。建造规格书只规定了甲板片预制完成的尺寸公差,具体要求为任意平面内立柱之间的对角线最大允许误差在±19mm范围内,施工检验一般都是以此公差要求对各分片进行检验,这显然是不合理的。针对各分片的结构特点,对各分片执行更为严格的整体公差要求,才能保证各分片合龙后能够满足±19mm的公差要求。与此类似,只有对各分片执行更为严格的水平度公差要求才能保证分片合龙后整体水平度在13mm以内。

2.2技术文件增加焊接收缩余量

焊接收缩是焊接过程的固有属性,结构件焊接工作量越大,焊接收缩量也越大。为使结构件焊后能够满足公差要求,可以根据实际情况在加工设计方案中增加下料余量,以补偿焊接收缩量。例如:总装现场口处的组合梁在长度方向上增加20mm的余量;总装现场口的立柱在高度方向上增加50mm的余量;甲板片组对过程中,组合梁跨距比理论尺寸增大3~5mm,以补偿甲板片组合梁、型钢及筋板焊接完成后的尺寸收缩。技术文件中增加的下料余量只有立足于施工过程中关于焊接收缩的基础数据积累,才能保证此余量与焊接实际收缩量相当,否则就会增加现场对多余的下料余量进行切割的工作量。

2.3反变形法控制甲板片水平度

根据第1.2节内容,甲板片焊后最明显的特点就是中间低、四周高,因此可以采取反变形法保证甲板片的预制精度。采用如图5所示的高度可微调的甲板片预制垫墩,在甲板片预制的各个阶段,如组合梁组对焊接、次梁型钢组对焊接以及甲板板的焊接,可以方便地降低甲板片四周区域的垫墩高度,达到反变形的效果。同样,反变形量也必须立足于施工过程中的基础数据积累,才能保证预设的反变形量与焊接变形相当,不至于出现反变形量过大或不足的问题。

3结论

提高结构预制阶段的建造精度可以着重从以下3个方面入手:(1)增加预制阶段的公差要求。增加杆件预制和甲板片预制的公差要求并作为报检依据,对提高预制阶段建造精度有关键性作用。(2)在技术文件中增加焊接收缩余量。在技术文件中增加下料余量,补偿施工过程中的焊接收缩,能有效地保证预制阶段的结构件和甲板片的公差要求。(3)采取反变形法控制甲板片的水平度。针对甲板片焊后中间低、四周高的变形特点,在甲板片组对阶段预先采取反变形措施,能够有效保证甲板片焊后的水平度。

参考文献

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[2]孟令河,秦野,王建喜,等.海洋钢结构尺寸误差分析新方法[J].石油工程建设,2016,42(04):80-82.

[3]区达铨,王发展,赵申,等.大型复杂框架结构焊接变形与应力控制仿真[J].中国机械工程,2018,29(05):616-622.

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[6]周晓兵,韩枫.钢结构焊接变形与焊接应力研究[J].建筑工程技术与设计,2018(02):2331.

作者:王永兴 刘进华 石守义 豆小艳 常小龙 单位:海洋石油工程有限公司

海洋钢结构预制建造精度控制研究

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