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。
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30~75μm。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7mm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16—20mm。
(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100mm,然后用CO2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。
(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入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:
①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;
②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。
③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。
④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舾装件安装
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。
舾装件安装前,舱口盖应能达到成品状态,因此安装舾装件时舱口盖应放置在舾装围架上。舾装件安装前准备:
(1)舾装围架。由两组平直、稳固的支撑组成。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700℃(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800℃,这对高强度钢和普通钢均适用。另外除非钢板温度降低到600℃以下(钢板加热区域是暗红色或颜色不再变化)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1/2~2/3腹板高度,楔形角度30°,加热温度750~850℃,最高900℃。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。
(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。加热温度约700~800℃左右。
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<2mm
s=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10~20mm,长度100~150mm,加热温度700~800℃,最高850℃,4mm以下薄板不超过750℃为宜。
(4)局部凹凸变形
链式密点加热法:密点直径10~20mm,间距30~50mm,加热温度650~750℃,最高800℃。
(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15~22mm,长度80~100mm,加热线交角直角,对6mm以下薄板加热温度650~750℃,适用于变形较大、矫正要求较高的薄板结构。