310t深海船用A架吊的安装工艺研究

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摘 要：本文针对深海采矿船大型水下采矿设备布放回收系统A架吊机高精度的安装要求，通过对船舶结构的受力、安装精度、安装方法及安装过程质量控制方法的研究，制定合理的安装工艺，从而达到提高安装精度，确保安装质量达到设备厂家的要求。

关键词：有限元；安装精度；变形控制；焊缝检验

中图分类号：U662 文献标识码：A

Abstract：In order to meet the high installation precision for A-Frame crane of large subsea mining equipment launching and recovery system for deep-sea mining vessel， a reasonable installation technology has been developed after the investigation and analysis on ship hull structure and reinforcement， requirement of installation precision， installation method and method of process quality control to improve the assembly precision and ensure that the installation quality can be accepted by the crane vendor.

Key words：FEA； Installation Precision； Deformation control； Weld inspection

1 概述

深海中蕴藏着丰富的矿产资源，我国深海采矿装备研究主要是结合国际海域矿产资源勘探工作开展，在多金属硫化物开采技术方面的研究基本上还是空白。我司目前承建的世界首制深海采矿船可开采1 500 m水深的多金属硫化物，根据采矿作业特点，需要经常使用大型A架吊对水下大型采矿设备进行下放和回收，其两侧跨度长，焊接量大，安装定位精度要求高，对现行的安装工艺方法带来了严峻的挑战。本文通过对A架吊焊接变形控制，安装定位精度，过程质量控制方法的研究，为设备的实船安装制定了切实可行的工艺方案。

2 有限元分析

根据ABS相关规范，对该船310 t A架吊基座及其下结构有限元建模计算。根据A架吊的安装位置，建立从船舶尾封板至FR27横舱壁、二甲板至主甲板的有限元舱段模型，该舱段采用板梁组合结构模型。主甲板下3 m所有结构为高强度钢（355 Mpa），其余为普通碳素钢。根据A架吊系统的实际使用要求对各工况进行强度校核分析。

计算时是根据规范取1.25的安全系数，结果强度满足规范和设备的使用要求。该结构为强受力构件，因而对设备的装配和安装精度要求高。

3 安装工艺研究

3.1 安装形式及要求

310 t A架吊散装供货，现场组合、安装。如图1所示，A架安装精度要求两侧铰链中心间距15.6 m，安装误差±3 mm，铰链孔同轴度为±3 mm。基座左右两侧高度近7 m，直接焊接在100 mm的EH36甲板面上，要求全焊透。左侧基座带连接绞车的滑轮及伸缩液压油缸，重量为50 t，与甲板的焊接周长约为19 m，其中壁厚40 mm的对角焊约3 m，120 mm的对角焊约16 m。右侧基座重量为34 t，与甲板的焊接周长约为15 m，其中壁厚40 mm的对角焊约6 m，120 mm的对角焊约9 m。

EH级钢低温冲击性能好，但易产生冷裂纹。船厂根据AWS标准及ABS规范的要求，采用焊接新技术、新工艺和新材料对厚板EH级高强度钢的焊接性能进行了一系列试验和分析，最后确定为陶质衬垫CO2气体保护焊单面焊，并配合预热工艺措施，制定了EH级高强度钢焊接工艺规程WPS指导生产。

中心跨距15 m远的基座处的甲板分处在两个分段上，CSQS标准每档肋距变形允许极限值是6 mm，根据船舶建造经验两处大平面长距离的平行度通常只能控制在10 mm以内，难以满足WPS的焊接间隙4～12 mm的要求。

综上安装同轴度及焊接工艺规程WPS的要求，需要对基座底部甲板面焊接区域进行机加工。单侧基座底部甲板面焊接区域机加工后的平面度为0.6 mm，两侧基座底部甲板面焊接区域机加工后的平行度为1 mm。

A架基座底部的焊接坡口已经由设备供应商按要求开设好，焊接节点如图2所示，装焊钢衬垫前要求在内场清除坡口表面油漆。钢衬垫与母材材质一致，钢衬垫斜坡口采用机加工设备加工，厚度20 mm，高度30 mm，钢衬垫与底座接触的下边缘先点焊，上边缘连续焊，钢衬垫突出基座底部长度为6±0.5 mm。

3.2 甲板面现场机加工的关键技术

甲板面机加工存在着超宽距离加工，现场加工精度要求相对较高，单个基座垫板加工面积大的难点。

为达到加工要求，设计考虑采用三维龙门式结构铣床，加工效率高且能保证加工精度，确保两侧基座垫板的平行度达到要求。

3.3 吊装定位

（1）准备起吊前要检查吊具质量检验的合格有效期内，确保起吊过程的安全；

（2）基座翻转过程，需要采用两个吊钩分别控制收放，小心翻至正装位置；

（3）采用拉琴丝线的方式，建立两侧基座定位的理论中心线；

（4）调整测量定位；

（5）用钢板尺测量钢丝线到铰链孔壁的上下左右四个方向的距离，配合使用千斤顶来调整两侧基座的位置；

（6）基座定位后，在基座的两侧安装临时支撑，将两侧基座与甲板临时固定。

3.4 焊接变形控制

高强度钢中厚板焊接时要严格按照WPS逐步施焊，并派专人监护，进行变形测量监控，及时采取措施，尽量减少焊接变形。

（1）A架的焊接为多层多道焊，分3部分完成。第1部分焊接3层，第 2部分焊接一半坡口深度，第3部分完成盖面焊及光顺过渡。每层每道焊缝分成多段焊接，后一道焊缝的接头（熄弧处）应与前一道焊缝的接头错开30 mm左右。

（2）第1部分前3层焊缝应一次施焊完成。如图3所示，前道焊缝焊完2段后就开始焊下一道焊缝。其余部分焊缝，前一层焊完后再焊后一层焊缝。

（3）右侧基座的焊缝分成4段，由4人同时施工。每个焊工分别从a、b、c、d 4个位置开始焊接，到e或f位置结束，见表1及图4。

（4）左侧基座的焊缝分成11段，由5～6人同时施工。每个焊工焊接开始和结束位置如表2及图5。

（5）每段焊缝应分段退焊，焊接起弧和熄弧应避开结构端头折角位置至少50 mm，焊接过程中应测量并记录铰链孔内壁上下左右到钢丝线中心的四个径向距离，实际可根据测量数据适当调整焊接顺序。

3.5 焊缝质量的监控和检验

在第1部分焊完冷却后采用磁粉探伤及时检查根部的焊接质量，一旦发现问题及时修补缺陷再焊接第2部分，随后分别用超声波在第2部分与第3部分焊完后进行探伤并修补缺陷。

由于板厚，且只有一面可以接近的情况下，为确保无损探伤能全覆盖被检查的焊缝，以保证焊缝质量100%全焊透，船厂进行如下论证。

一般焊缝的晶粒较细，可选择较高频率；对厚板焊缝和材质衰减明显的焊缝，应采用较低频率探伤，以保证探伤灵敏度。该基座厚度达到120 mm，选择2.5 MHZ的斜探头，保证有足够的探伤灵敏度。通过研究该基座采用70°和45°2种探头进行检测。

因基座板材比较厚，选用多侧一次波入射法，二次波不采用，具体方案为：如图6探头在1面检测时O为入射点最大的检测区域为ABF，通过几何计算，探头采用70°角2.5 MHZ，移动区域OD为102 mm，按垂直深度调节仪器时，因OC=43，H=80，所以显示在超声波仪器上的波形43～80之间的波形为缺陷波。如果在“1”面的甲板面上用二次波检测时，如图6所示最多只能检测到REF区域，AER区域还是漏检，而且用二次波检测干扰波很多，不予考虑。通过“1”面的检测发现漏检了AEB区域，需要在其它面对AEB区域进行检测。因“2”面有结构不能检测，只有到甲板下进行补检即“3”面进行超声波检测。

在3面检测示意图如7，角∠EKX=arctan（EX/KX）=37°，选用45°角探头大于37°符合要求。能够检测到E点探头往后移动，入射点到达N点时波形刚好能够通过F点到达A点，采用45°探头在“3”面检测，因为角∠MNF=角∠AFE=45°。所以在“3”面探头的移动区域KN=EF=50 mm。其中第一次入射点到焊脚的距离KP为35。

通过上述计算，采用45°角探头能够对AEF区域全扫查，保证100%的超声波检测。因为AQ=73，甲板厚为100，在不考虑其它波形影响的情况下在超声波仪器上显示的100～173之间的波形就为缺陷波（按垂直深度调节仪器）。因为在“3”面检测时干扰波比较多比较难判断，只能作为1面检测的补充检验。通过1面和3面的配合检测可以看出，用超声波可以对该基座的全焊透区域AEF进行100%检测。

4 结束语

各主要设备的定位安装结束后，将根据设备厂家指导组装A架、调试、上钢缆及负荷试验。本文通过研究和大量实验，专门编制了大型A架吊基座的焊接和安装工艺，通过现场机加工设备加工船体甲板面，焊接变形控制，安装精度控制等措施确保A架吊安装达到设备厂家给定的精度要求，并且工艺通过了ABS船级社审核，为后续该类型船舶设备的安装提供了参考。

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