矿砂船舱口盖防变形控制技术与火工矫正研究.pdf

2023年第3期文章编号：2 0 9 5-37 47（2 0 2 3）-0 3-0 0 13-0 5青岛远洋船员职业学院学报Qingdao Yuan Yang Chuan Yuan Zhi Ye Xue Yuan Xue BaoVOL.44NO.3矿砂船舱口盖防变形控制技术与火工矫正研究孙冰妍，于功志（大连海洋大学，辽宁大连116 0 2 1）摘要：利用偶然性偏差控制技术、规律性偏差控制技术以及火工矫正技术这三种技术方法有效防控矿砂船舱口盖的变形问题。通过研究并结合现场生产实践积累的数据，分析出控制要点，从以往的事后被动应对变形，转变成施工过程中控制变形，使其少产生最终不产生，从而使矿砂船舱口盖精度标准达到了事半功倍的效果，同时为精度管理体系提供了技术支撑。关键词：矿砂船；舱口盖；防变形；控制点；火工矫正中图分类号：U671文献标识码：A0引言鉴于目前国内对于舱口盖这种特殊功能性薄板产品的研究成果较少，本文开展了提高矿砂船舱口盖制作精度的专项研究，根据舱口盖结构特点，分析了产生变形的原因和影响因素，运用了精度控制技术的两个部分一一偶然性偏差控制技术和规律性偏差控制技术，全面梳理工艺流程并制定施工过程中的控制要点，深人研究了针对舱口盖的火工矫正技术，由原来的完工后被动地去消除变形，转变为过程中主动控制变形，起到事半功倍的效果。1研究对象本文研究对象为某32.5万吨矿砂船，舱口盖的设计为单块侧开式。全船共有7 个货舱口，N0.1货舱舱盖尺寸为2 0.16 m16.5m，NO0.2NO.7货舱舱盖尺寸为2 5.2 m19.8m。7 块舱盖预估总重量9 0 0 t。不同于一般的船体分段结构，舱口盖因其特殊的功能性，结构设计较为特殊，施工工艺较为复杂。本研究主要针对舱口盖制作过程中的变形原因，探讨如何科学合理地去收稿日期：2 0 2 30 411第一作者简介：孙冰妍（19 9 9 一），女，研究生控制变形，以及出现变形后如何应用火工矫正技术矫正，力求论证出一套新工艺，形成专项研究成果，并通过在生产现场中实际应用验证其实效，逐步固化为企业工艺标准或作业指导文件。2矿砂船舱口盖制作工艺流程和设计特点及变形原因分析2.1舱口盖施工工艺流程（如图1）钢材进厂钢材预处理整体二次矫正板装件装焊精度测量预密性试验图1舱口盖施工工艺流程图2.2舱口盖设计特点和变形原因矿砂船舱口盖的设计特点：外形体积较大，内部结构强度较弱，板材以6 一11mm的薄钢板为主，装件种类繁多，其中对滚轮、齿条等功能性装件安装精度有特殊要求，舱口盖的整个制作工艺流程较为复杂，对平整度和水密性能要:13号料切割吊装下胎调平完整性报验零件配套精度测量主体一次矫正冲砂涂装上船台部件制作盖板拼接焊后处理船上安装调试胎上制作焊前测量冲水试验2023年第3期求也很高。矿砂船舱口盖的这些特点给精度控制带来一定难度：第一，因为体积较大，结构强度不足，翻身吊装和转运时易出现变形。第二，因为钢板较薄，所以产生的焊接收缩量很大。第三，工艺流程复杂。舱盖主体结构焊接和装件焊接不能并行，因为装件的安装对精度有特殊要求，必须是主体结构焊接结束，然后矫正平整后，才能进行装件的安装工作。这就造成主体结构焊接产生的变形经过矫正平整后，后续装件的安装焊接又造成了第二次变形。瓣装件的装焊使得舱口盖重量和体积加大，盖板和侧板局部出现了凹凸变形，整个舱口盖的焊接收缩规律变得难以掌控，因此二次变形后的矫正难度更大。3研究过程控制舱口盖变形和矫正技术是一项系统工程，需从源头开始，贯穿整个建造过程，还要考虑很多其他因素，比如：装配和焊接时应力的释放方法，火工矫正技术，作业时间（白天与夜晚的温差对舱口盖主体外形收缩有很大影响），船上安装调试时产生的变化，以及制作场地的选择、翻身、运输存放及吊装上船等，需要系统地研究所能引起变形的诸多原因。研究侧重点放在板材的预处理、下料切割、部件装配焊接、舱口盖主体装焊、装件安装、吊装转运等这几个关键工序。3.1施工过程中的控制点3.1.1钢材预处理阶段舱口盖结构使用的钢板须经严格筛选和预处理。控制点：喷砂后表面粗糙度为30 7 5m。粗糙度过大，将会在钢板内部产生应力。3.1.2下料切割阶段零件下料时气割产生热量的收缩和吊运产生变形。控制点1：为了补偿各种收缩现象及一些不可预知的变形，要在下料时加上余量。这些余量在确定所需准确尺寸后割掉。例如：舱口盖顶板四周边缘加的余量，要在主结构焊接完毕并检查尺寸之后才能切割。控制点2：首先7 mm以下的钢板在预处理和切割下料后，必须进行两次校平，以释放板材青岛远洋船员职业学院学报Qingdao Yuan Yang Chuan Yuan Zhi Ye Xue Yuan Xue Bao的内应力。3.1.3内部组合部件装配与焊接为了达到最佳的控制变形效果，减少焊接变形，以下方面需要注意：制作组合件，可以在装配前先对组合件校正，使用固定夹具等，在焊接时使结构固定，尽量减小根部间隙。要选择能尽量对母材产生热量少的焊接方法。焊脚尺寸精确，不可过大。组合部件在焊接工作中应在平面钢桩场地施工，可以缩短周期，便于施焊，控制变形。在焊接过程中产生变形，需对结构进行校正使其恢复原始尺寸。如果组合件的尺寸不正确，那么下一道工序将会相当困难。控制点1：焊角高度。控制点2：刚性约束，限制变形。3.1.4舱口盖主体的装配和焊接控制要点（1）主体装配控制点1：反变形控制法。控制点2：刚性固定法。控制点3：焊接顺序。控制点4：焊接应力释放口。首先采用15mm厚的钢板制作网格状水平胎架，保证胎架的表面平整度达标，以确保装焊过程中舱口盖主体的结构部分不发生改变，这是保证精度的一个关键2。其次是将舱口盖的侧板，在安装前加工出（用火焰三角形加热法）反变形，反向变形的最大值1620mm。（2）盖板焊接顺序对舱口盖板的A、B、C 三块分别进行焊接，每一块的焊接顺序如图2（b）所示；正面焊接完成后，翻身进行反面焊接。A、B、C 三块分别焊接完成后，再进行盖板整板拼接，由盖板中心线处向两端对称焊接，焊接完成后对焊缝接头进行碳弧气刨清根，气刨长度不小于10 0 mm，然后用CO气体保护焊进行补焊，如图2（a）所示；正面焊接完成后，翻身进行反面焊接。A舱口盖顶板中心线、舱口盖顶板中心焊缝VOL.44NO.3BC142023年第3期舱口盖顶板中心线a)整板焊接顺序图32123b）块板焊接顺序图图2 舱口盖盖板拼接焊序示意图（3）舱口盖主体焊接顺序平整度控制是焊接工作的难点3，因此焊接过程必须严格把关。焊接前应考虑到焊接变形量。严控焊脚尺寸减少焊接产生的热输人是防止变形的有效措施之一。舱口盖的横梁面板设计有加厚板（厚度45mm）与齿条移动装置的生根件连接。此处焊接产生的内应力相对集中，控制方法是预先留出焊接应力释放口，通过取焊接参数下限的方式控制焊接时的热输入量，缓慢释放焊接应力。舱口盖主体焊接顺序如下：为控制焊接变形，应先焊收缩量大的焊缝，后焊收缩量小的焊缝；由中间向两边对称焊接。对于平台拼板，先焊接端焊缝，后焊接边焊缝。对于内部结构，先焊接对接焊缝，后焊接角接焊缝；先焊接立角焊缝，后焊接平角焊缝。纵桁、横梁两侧的角焊缝应由中间向两端同时对称焊接。3.1.5晒装件安装控制点1：制作专用工装。控制点2：刚性支撑。控制点3：调成水平状态。装件安装前，舱口盖应能达到成品状态，因此安装装件时舱口盖应放置在装围架上。瓣装件安装前准备：（1）装围架。由两组平直、稳固的支撑青岛远洋船员职业学院学报Qingdao Yuan Yang Chuan Yuan Zhi Ye Xue Yuan Xue Bao工碳弧气创舱口盖顶板中心焊缝VOL.44NO.3组成。围架长度要足以放置舱口盖，高度一米，上表面水平，支撑需与地面牢固系稳。（2）在矫正舱口盖时，应在四角侧板止挡块处进行支撑。矫正时和精度测量时的作业时间必须是同一个时间段的（避免因为昼夜的温差导致数据不一致）。（3）当仅4个角支撑时舱盖中间下垂量为3-6mm；所有支撑块下面均设置临时支撑时舱口盖为水平状态，使支撑受力处略高于理论值5mm。3.1.6吊装转运控制点1：吊装受力。控制点2：吊环与结构融合，设计成永久性吊环。吊装前进行有限元分析和吊装稳性计算。设计人员应对吊排设计、索具选用、吊车安全负荷等方面进行复核，确保安全。应对舱口盖重量重心、吊孔受力进行计算，并对整体结构进行有限元计算，确保结构应力在许用应力范围内。吊索具选用，应对钢丝绳受力进行计算，确保钢丝绳受力不超过额定拉力。吊车方面，计算各吊钩承受的拉力，确保单钩不超、总重不超。尽量利用舱口盖本体上的结构，在结构上设计切割吊孔，贴上加强，设计成永久性吊环。3.2变形种类和火工矫正技术火工矫正是钢结构领域生产实际中对焊接变形进行矫正的常用方法4。要掌握火工矫正的规律和操作技术，就必须对焊接变形产生原因和变形种类进行研究，选择适宜的加热办法与加热温度是修正、修复结构变形样态的重要基础条件。几种较为常见的变形类型及可采用火工矫正的方法如下5。3.2.1舱口盖常见的五种变形（1）横梁（T型）弯曲变形。（2）盖板“瘦马”变形。（3）侧板边缘荷叶状变形。（4）局部凹凸变形（5）四周有骨架的球面变形。3.2.2火工矫正技术概述（1）加热温度：火工矫正时一直加热到钢板温度达到7 0 0（伸缩模板接近零度），颜色呈深红或红色，最大加热温度不可超过8 0 0，这对高强度钢和普通钢均适用。另外除非钢板温度降低到6 0 0 以下（钢板加热区域是暗红色或152023年第3期颜色不再变化）方可允许使用水冷方案。（2）常用的加热方法：长条形（线状加热法;短条形加热法；松叶状加热法；圆点形加热法；链式密点加热法；U形加热法；边缘短条加热法；楔形三角状加热法。3.2.3火工矫正演示（1）横梁部件弯曲变形的矫正技术楔形（三角状）加热法：加热高度为1/22/3腹板高度，楔形角度30，加热温度7508 50，最高9 0 0。此法专用于矫正T形构件、I形构件及其他型材。步骤1：加热腹板（三角形），校直横梁的主尺寸。如图3。步骤2：不规则不对称的面板或横向的变形，需加热面板，沿方向2 校正。步骤3：在腹板弯曲的情况下（万一出现大范围的自由面时）校直3区域。步骤4：面板角变形可以再用长条状加热法矫正。如图4。图3舱口盖横梁（T型材）弯曲示意图加热位置加热位置面板图4T型材面板角变形示意图（2）舱口盖盖板“瘦马”变形的矫正如图5所示，此种变形采用长条形火工矫正法。若变形较严重则采用双条；若变形较小，只需采用单条直接施于骨材背部的中心。加热温度16青岛远洋船员职业学院学报Qingdao Yuan Yang Chuan Yuan Zhi Ye Xue Yuan Xue Bao约7 0 0 8 0 0 左右。L图5舱口盖板“瘦马”变形示意图L=直尺接触点之间的距离，不小于1米，但不大于扶强材的间距t=最大允许变形 2 mms=板厚（3）侧板边缘荷叶状变形的矫正短条形加热法：加热线宽度10 2 0 mm，长度10 0 150 mm，加热温度7 0 0 8 0 0，最高8 50，4mm以下薄板不超过7 50 为宜。（4）局部凹凸变形链式密点加热法：密点直径10 2 0 mm，间距30 50 mm，加热温度6 50 7 50，最高800。2（5）四周有骨架的球面变形十字形（松叶状）加热法：加热带的宽度1522mm，长度8 0 10 0 mm，加热线交角直角，对6 mm以下薄板加热温度6 50 7 50，适用于变形较大、矫正要求较高的薄板结构。4结论矿砂船舱口盖不同于一般的船体分段结构。其整体是由钢结构、晒装件、齿条移动装置、液压设备、电力系统等组成的功能性产品，制作工艺流程复杂。本文结合生产实践进行了一系列论证，形成了如下研究成果，为精度管理体系提供技术支撑。（1）控制舱口盖变形和矫正技术是一项系统工程，需要综合考虑诸多因素，从源头开启一系列控制方法。（2）运用精度控制技术中的偶然性偏差控制技术和规律性偏差控制技术以及火工矫正技术这三种技术方法解决了变形问题。（3）针对舱口盖制作变形从以往的被动应VOL.44NO.3用直尺测量2023年第3期对，转变为施工过程中的主动控制，使其少产生最终不产生，从而事半功倍地达到了精度标准。随着企业数字化技术的推进，生产将进一步向智能化转型，如：（1）薄板预处理前平板消应，引进具备薄板先矫正后预处理能力的设备；（2）高精度激光切割机的应用；（3）应用热输人量更小的焊接设备；（4）应用机械式切削、机械矫形等冷加工设备，规避热加工变形；（5）应用焊接机器人实施焊接过程；（6）应用滚轮传导、电磁吊传递，避免外力变形，实施流水作业；（7）应用顶升方式下胎，避免吊装变形；（8）应用智能互联信息管控系统；（9）编制舱口盖制作智能化作业专用指导书。从而更加高精度高效率地生产加工舱口盖产品。青岛远洋船员职业学院学报Qingdao Yuan Yang Chuan Yuan Zhi Ye Xue Yuan Xue Bao参考文献：1袁红莉，等.8 50 0 PCTC薄甲板分段制造工艺设计J.船海工程,2 0 18,47(0 5):19-2 2.2王立.邮船型客滚船薄板分段制作工艺及精度控制J.造船技术,2 0 19,(0 4):6 1-6 6+7 3.3楚立民，等.船舶上建总段合拢口板材平整度控制工艺概述和探讨J.船舶标准化与质量,2 0 2 0,(0 4):13-15+32.4杨忠望，等.钢箱梁板单元件变形火工矫正技术J.舰船科学技术，2 0 12,34(0 2):133-139.5甄咏鹏，等.船舶钢结构变形火工矫正方法分析J.中国设备工程,2 0 2 1,(0 9):10 9-110.VOL.44NO.3Study on Anti-deformation Control Technology andPyrotechnic Correction of Sand Cabin CoverSUN Bingyan,YU Gongzhi(Dalian Ocean University,Dalian116021,China)Abstract:The purpose of the study is how to effectively prevent and control the deformation of the hatchcover of ore cabin.This paper proposes three technical methods to solve the problem,namely,accidentaldeviation control technology,regular deviation control technology and pyrotechnics correction technology.Through research and combining with the data accumulated in the field production practice,the control pointsare analyzed,and the result is that the former passive response to the deformation after the event is transformedinto the control of the deformation in the construction process,so that the deformation will be less generated andeventually not generated.A series of demonstrations have been carried out step by step with objective,analysis,emphasis and method,and a set of special research results have been formed,which make the door of ore cabinreach the accuracy standard with twice the effort,and at the same time provide technical support for the accuracymanagement system for domestic shipping enterprises reference.Keywords:sand ship;hatch cover;anti-deformation;control points;fire correction17