关于18000TEU舱口围与抗扭箱一体化建造的工艺及质量控制分析

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  [摘 要]我国首次建造1.8万TEU超大型集装箱船,对于舱口围和抗扭箱一体化建造的技术经验积累尚属起步阶段,对于此类分段的高强度超厚板工艺及质量控制需要所有造船人的共同努力,将技术经验进行积累和优化,这些技术经验的优化过程是艰难的,本文针对舱口围和抗扭箱的一体化推进及其建造工艺和质量控制这一过程进行分析研究,总结出船厂建造过程中用以提高造船质量和效率的有效措施和经验。
  [关键词]超大型集装箱船 一体化建造 高强度超厚板 工艺及质量控制 分析研究
  中图分类号:TP025 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)37-0309-02
  1.选题背景
  1.1 本选题来源、目的及意义
  我国造船厂首次建造1.8万TEU超大型集装箱船,这是我国造船企业首次承接的1.6万箱级超大型集装箱船,打破了韩国船厂在该领域的垄断地位,标志着中国船舶工业跨入了世界超大型集装箱船建造的第一方阵。
  集装箱船的特点之一是宽大的舱口。为了充分利用货舱舱容,船底与舱口一样宽。与其他船型不同,大开口线要宽得多,甲板面积大部分被舱口占去,甲板的宽度变得极窄。带来的问题是影响船体的总纵强度和抗扭强度。随着船舶尺度的增大,船体的应力和强度问题就显得越来越重要,必须采取加强措施,在设计上比杂货船复杂。为了弥补强力甲板面积的不足,就增加甲板边板和舷侧顶列板的厚度。但随着船舶尺度的增大,厚度却不能无限增加,增加了自重,增加了费用。于是大型船采用了双壳结构,来提高总纵强度,又可作为压载、油舱使用,主甲板以上为通道,在结构上称为抗扭箱。
  但是,由于是我厂首次建造此类船型,国内也属首造,其中与其他船型最大的不同与施工难点就在于抗扭箱包含EH40、EH47(TMCP)的高强度超厚板,最大板厚在85mm左右,此类高强度超厚板的切割及装焊的工艺工法与其他类钢板有较大不同,为了突破这一技术难点,设计部门做出了很大的努力,也提出了很多有效的施工方法,提高了现场施工管理部门的精度质量控制能力,但是现场施工依然有许多问题是需要经验和技术的总结来提高现场施工能力及效率的,以使得抗扭箱又好又快地顺利完成,保证船坞对分段的需求,也就是为工厂节点的顺利完成提供有力的保障。为了更好地改善生产实绩,我们对舱口围与抗扭箱一体化建造的工艺及质量控制进行分析,形成可参考的总结就有很大必要了。
  1.2 集装箱船在国内外的基本研究概况
  集装箱运输的历史可追溯到1956年,美国油轮Ideal-X改装成首艘集装箱船,20世纪60年代,最大型的集装箱船仅为1500TEU,70年代开始超过2000TEU,进入80年代出现了第一艘3800TEU巴拿马型集装箱船,90年代开始大型化加速90年代末已突破6000TEU,2005年突破7000TEU,2006年开始突破10000TEU,目前世界上投入運营的最大的集装箱船是2006年马士基建造的18000TEU。
  目前在探讨中的最大集装箱船是STX提出的22000TEU集装箱船,该船主尺度达到总长460m,型宽59.5m,吃水14m,该尺度的船型在理论上是可行的,但市场是否能接受,任然需要进一步的研究。
  2.组立阶段舱口围与抗扭箱建造现状分析
  2.1 分段建造流程概述
  根据对图纸关于抗扭箱的生产DAP流程的分析,如图1所示,抗扭箱的生产依次包括甲板组立DA1A,舱口围组立DK2A,甲板与舱口围合拢的中组立DK1B,内纵壁片状LB1A,DK1B与内纵壁LB1A合拢为LB1B,外板片状SS1A,最后是LB1B与SS1B还有隔舱部件合拢形成抗扭箱大组立。可将流程分解如下:抗扭箱和舱口围的拼板及中组立在曲面工场内部制作;主甲板中组立和舱口围中组立二次合拢在300T区域上专用胎架进行合拢;抗扭箱大组立建造在300T区域进行大组立建造。
  现阶段抗扭箱建造受组立部场地限制和起重能力限制的影响,综合考虑将DK1A和DK2A在组立部曲面高跨上游同步建造,原本的DAP流程是DK1A和DK2A要先合拢结束后再与LB1A合拢形成LB1B中组片状,但是现场为了能减少翻身与合拢次数,不再另做专用模板胎架、减少精度测量次数和减少吊车平板车配合次数,避免等工,在能够满足甲板与舱口围合拢精度的条件下就省去了这些流程。LB1A和SS1A也是在曲面高跨上游拼板,但是因上游的吊车起重能力不足,上游最多两个32T起重行车只能吊运不超过50T的半立体分段,LB1A和SS1A的重量都在60T左右,因此LB1A和SS1A的拼板在上游拼装,纵骨构架和肋板构架不能在上游安装,上游只进行LB1A和SS1A的拼板,拼板完成以后到下游胎架上进行构件的安装,其中二氧拼板也在DE跨下游进行装焊。由于下游的最大起重能力是两台150T行车联吊不超过240T,行车空中翻身重量不大于150T,又由于LB1B重量在151T左右,因此LB1B无法在DE跨进行翻身,只能在300T以SS1B作为基面,LB1B翻身与SS1B合拢,最后将隔舱部件吊到合拢分段上,形成最后的抗扭箱与舱口围合拢的大组立。
  2.2 分段建造难点
  由于现场施工综合考虑了组立部的生产实际,更改了部分建造流程,建造过程中也相应增加了一些控制难点,需要现场根据实际经验的积累加以修正,提高施工质量和效率。综合实际情况总结建造难点如图2:
  难点一:厚板拼板平直度的保证和反变形数值的确定。
  由于厚板的板厚最大在85mm左右,厚板拼板的焊接必须多层多道焊,且焊前和焊接过程中要保证焊接温度,因此要防止焊接变形就是一个难题,为了保证拼板的平直度,除了严格按照工艺要求的焊接顺序施工外,还需要加放焊接收缩反变形量,以保障厚板平直度和精度的要求。由于此种厚板焊接结束后要想通过火攻来矫正焊接变形几乎是不可能,所以对厚板平直度和精度的要求就提高了很多,不能像之前的船型那样就算焊前焊中控制不到位,还可以寄希望于火工矫正,因此该难点是我们建造抗扭箱保证精度和质量的必攻之城。   难点二:片状中组立精度控制。
  片状中组的精度控制最难的是LB1B,它包含甲板组立、舱口围组立和內纵壁片状,三者合拢时就形成如图2所示DET.”C”所示节点,中间甲板与舱口围和纵壁平面存在一个角度,具体抛势数值可计算得上下口抛势差为82.3mm,这个数值必须在片状中组合拢焊前,通过测量来确认保证。该片状在合拢时是卧态,因此焊接时“C”节点左侧焊缝为平角焊,可以先焊,节点右侧焊缝属仰角焊,焊接难度大,因此右侧焊缝要等到该片状组立翻身180度合拢结束时再焊接。焊前必须将甲板、舱口围、内纵壁三者用加强固定好,然后再按照工艺要求烧焊,同样由于厚板的焊接收缩量较大,且无法预估准确收缩值,就算加了加强也是需要通过加放反變形来控制最终精度。
  难点三:分段合拢精度控制。
  分段在300T大合拢时,以外板为基面,LB1B片状中组立翻身后扣到外板上进行定位。第一要保证外板的平整度和水平度,第二要保证LB1B的片状中组的精度,第三要保证图2中“E”节点合拢时的角度跟位置的准确,即保证主甲板的抛势准确。
  3.舱口围与抗扭箱一体化建造工艺及质量控制分析
  我司在建造18000TEU超大集装箱船之前已有相当多的集装箱船建造经验,从最开始的8530TEU,到5100TEU、4700TEU、4600TEU、9000TEU等等,建造抗扭箱的经验已相当成熟,舱口围和抗扭箱的一体化建造也属于刚刚起步,只在建造9000TEU时使用了该工艺。当时9000TEU的一体化建造工艺的选用时,综合考虑了公司生产实际,为了保证舱口围的质量和精度的一次合格,采用了立态建造法,该方法因能在烧焊时采用双人对称分中退焊法进行焊接,防止焊接收缩不对称造成的变形,充分保证了客户和公司对舱口围精度的高标准要求。此次18000TEU船舱口围和抗扭箱采用一体化建造工艺时,考虑到板厚的大幅增加,分段吨位较高,厚板焊接过程精度控制的经验已相当成熟,故选用了卧态建造法。
  3.1难点一分析:厚板拼板平直度的保证和反变形数值的确定
  根据以往经验,厚板拼板可选用多次翻身对称烧焊的方法,该方法可根据烧焊后变形量的测量动态修正焊接层数来保证厚板拼板的平直度,该方法最终平直度可控性好,但是因翻身次数多,而当板厚较厚时,吊车配合时间久,若吊车在其它工位的事情较多,反而容易造成等工现象,影响施工效率,因此选用了一次翻身两次焊接成型的方案。由于两边烧焊的不对称性,需在首次焊接时加放反变形,反变形量的确定就成了施工中的一项技术难点。为了攻克该难点,首先进行理论分析,然后再在实际操作过程中根据以往经验初选值,然后根据结果测量和计算最终确定反变形数值,以达一次烧焊成型得到好的平直度的目的。
  以保证质量同时提高效率为前提,超厚板主甲板和舱口围的85mm和80mm板第一面烧焊时采用在平直胎架直接烧焊的方法,坡口形式如图3所示,待坡口正面烧焊填充结束,测得拼板端头抬起量为80~90mm,然后翻身好后焊缝下面焊缝中心处加放支撑,使得焊缝中心距胎架基面抬高100~120mm,该支撑最好是可调节的,以便焊接过程中可根据焊接情况随时进行调节。
  其中需注意的是,焊接过程中需保持温度稳定,不能出现温度过高,焊接电流电压也需按工艺要求调节,翻身后反面坡口碳刨出白去除缺陷,且应使整条坡口碳刨深度形状一致,防止焊接收缩量不一致致使拼板扭曲变形。
  3.2 难点二分析:片状中组立精度控制
  甲板组立、舱口围组立和內纵壁片状,三者合拢时就形成如图2所示DET.”C”所示节点,抛势差为82.3mm,这个数值必须在片状中组合拢焊前时通过测量来保证。该节点左侧为平角焊,其反面仰焊的焊接难度大,且速度将很慢。因此选取了暂时反面仰焊不焊,等到分段大合拢后焊接的方式,来提高施工效率。但是这样一来该片状节点因只焊接了一面,产生了一定收缩,如若焊前不加放反变形,舱口围上口将向舷侧翘起,而且在翻身焊接以后,因有一面已经焊接结束,反面焊接时收缩受前次焊缝约束力的影响,焊接变形较小,变形收缩量不一致将导致无法保证舱口围与纵壁的平面度要求。因此可将舱口围组立焊前加放反变形,具体方法为舱口围上口向下放低2~3mm,然后按照工艺图要求加放槽钢固定,然后再来烧焊,这样可很好的保证该节点的精度和质量。
  3.3 难点三分析:分段合拢精度控制
  如若在难点一和难点二都得到了相应较好的控制与解决的情况下,那么难点三将变得较为容易解决,分段大合拢时除了要保证图2中 “E”节点的角度跟位置的准确,还要将整个分段的水平度,内纵壁平整度都调整好,然后再进行焊接,进行焊接时应先焊接的“C”节点未焊的焊缝,然后按照正确的焊接顺序进行烧焊。因外板外侧存在厚度差,合拢时的胎架需使用专用模板胎架,这样可以保证外板水平,对整个分段的合拢的精度控制奠定了基础。抗扭箱承载了整条船大部分的应力,其质量和精度的保证是整条船能否顺利交船的重要环节之一,所有的焊接反变形量需根据现场实际积累的数据不断优化并最终固化。
  4.总结
  船舶设计与建造过程是一个非常复杂繁琐的过程,实际生产中许多生产的细节只能通过在现场多学多看多问多参与才能有所成长,很多业界人士仅仅通过理论学习也是无法完全了解现场实际存在的问题的。本文通过对18000TEU船抗扭箱和舱口围一体化建造过程精度和质量控制方面的研究与分析,详细讲解了生产过程中遇到的难点和解决难点的办法分析,归纳总结了一些建造经验,但是这绝对不是最优的方案,更加科学高效的方法还需船人们的不懈努力,在保证质量的前提下最大限度地提高生产效率是我们每一个船人所应努力的方向。1.8万TEU船的建造成功将是我国从造船大国走向造船强国迈出的坚实的一步,相信我国造船实力必将成为世界第一。
  参考文献
  [1]雷周 王建.9000TEU舱口围与舷侧分段一体化建造工法研究和应用.江南造船.2013年4月
  [2]林上丰、郑雷、陈兵.大型集装箱船前沿技术展望. 江南舰船技术. 2013年3月
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