(海洋石油工程(青岛)有限公司， 山东 青岛 266520)

0 引 言

伴随着经济的高速发展，石油的消费量和需求量都急剧增加。在陆地油气资源被大量开采，储量无法满足经济发展要求的背景下，需大力开发海洋油气资源。目前，在世界各地大陆架的不同工作海域，各种各样的近海工程结构物被应用于海底油气资源的勘探和开发，其中自升式钻井船因其定位能力强和作业稳定性好，应用广泛，是海洋油气勘探开发的主力。

1 钻井船升降系统

自升式钻井船升降系统是控制钻井船升降的关键核心部分。钻井船共有3套升降系统分布在不同的船体位置上，其中艏部1套、艉部左右舷各1套，平面布置及编号如图1所示。

升降系统的核心结构为齿轮箱及升降底座(见图2)：齿轮箱位于上部，通过制动系统连接顶部齿条导向结构运行；升降底座位于下部，与桩腿围井结构安装固定在一起，通过上部齿轮箱的作业带动桩腿实现升降。本文主要就升降系统中的齿轮箱的制作展开论述。

图1 升降系统平面布置 图2 齿轮箱及其底座

2 齿轮箱制作流程

齿轮箱制作精度要求高，必须制作钢制约束胎架，保证在齿轮箱制作时水平度偏差不超过±1 mm。为保证精度，胎架的布置(包括地样线、齿轮箱中心线、结构线及指定的施工基准线的标定)必须严格按照公差要求进行。

第1步：将前面板放在胎架上，摆正位置后，与胎架支撑焊接固定。齿轮孔开坡口，轴套安放在齿轮孔位置后焊接，如图3a)所示。

第2步：组对两侧板。组对时注意板的方向，如图3b)所示。

第3步：组对内部结构并焊接。为减少焊接变形，采用对称焊方式，先焊接两侧板，后焊接中间肋板，最后焊接加强筋板，如图3c)所示。

第4步：组对并焊接后面板及后面板上的变速箱限位板条,如图3d)所示。

第5步：翻身焊接未翻身前不易焊接的位置，按照理论尺寸切割加工裕量，并焊接顶板及前面板上的导向结构，然后焊接前面板上的加强筋板，再次机加工轴套，使其精度满足要求，如图3e)所示。

图3 齿轮箱制作步骤

齿轮箱制作完成后如图4所示。

图4 齿轮箱制作完成后的安装图

3 齿轮箱制作过程变形控制

3.1 下料尺寸控制

焊接冷却后会产生结构体收缩。为保证焊接后的整体尺寸要求，下料时在前面板的下端及左右两侧均加有裕量(前面板下端预留50 mm，左右两侧预留5 mm)，在齿轮箱焊接完成后进行尺寸检验，划线后切割裕量，最终使齿轮箱结构满足设计要求。

齿轮箱的关键尺寸是齿轮孔之间的相对距离。对前面板4个齿轮轴套进行大量焊接施工必然会因热胀冷缩产生焊后变形，而齿轮间距只允许存在1 mm的尺寸公差，因此必须在下料时留出适当的收缩裕量。结构预制期间确定的下料尺寸如图5所示。建造完成后的测量结果显示，该下料放样尺寸完全满足设计要求，如表1所示。

图5 齿轮间距示例

表1 焊接后轴套间距 mm

为保证后面板开孔直径的精度，在预制下料后面板时，开孔放样的孔直径比设计图纸的孔直径少10 mm，在齿轮箱焊接加工完成后再进行机加工，使后面板开孔直径满足设计要求。

3.2 胎架制作

为保证齿轮箱建造精度，必须制作精准且有刚性约束的胎架，如图6所示。采用工字钢制作胎架主体，为方便调平及刚性固定，在胎架的上表面焊接均匀分布的支撑板，如图7所示。这既有利于施工，又能很好地调节胎架的水平度，进而有效地控制齿轮箱的整体水平度。

图6 胎架整体图 图7 胎架上表面支撑板

在胎架上固定前面板，考虑到前面板与轴套的焊接变形，在胎架调平时对其水平度做适当反变形处理，使其中心比边缘高3～4 mm，以抵消实际上翘的收缩裕量，并结合刚性固定，最终使齿轮箱整体水平度符合制作要求。

另外，为保证胎架的精准性，要求布置胎架之前标定的地样线以及齿轮箱的地样线或样冲眼在施工周期内清晰可见。

3.3 焊接变形控制

在焊接过程中随着热量的输入，构件金属内部组织结构发生变化，产生应力及应变，其表现形式就是焊接变形。焊接的接头对接形式、坡口形式不同，造成焊接变形在表现形式上也各不相同，可分为纵横向收缩变形、挠曲变形、角度变形等[1]。在钢结构制造领域，焊接变形是施工过程中的主要变形，并且极难控制，焊接变形控制是质量控制方面的主要课题，下述3种方法能有效控制焊接变形在齿轮箱预制过程中的影响。

3.3.1 刚性固定法

焊接过程是一个不均匀受热的过程，除遵循事先制定的焊接程序之外，还可借助外力作用抵消钢结构不均匀受热产生的变形。刚性固定法是利用强制手段来减小焊后变形的方法。

在齿轮箱箱体的预制过程中，有很多不对称焊缝，该类型的焊接变形控制非常困难。按照正常施工焊接完成后，受焊接热影响，有的构件会向焊缝多的一侧发生偏移变形。为了更好地控制并减少此类变形，在组对时提前对部件进行刚性固定，以减少整体变形，如图8所示。

图8 部件刚性固定步骤

3.3.2 反变形法

反变形法是指根据生产中已掌握的焊接变形规律，预先人为制造一个变形，使该变形与焊后发生的变形方向相反而数值相等[2]，即事先估计结构变形的大小和方向，然后在装配时给予一个相反方向的变形，与焊接变形相抵消。在一般的钢结构预制施工中，反变形法的应用非常广泛。

在齿轮箱制作过程中，在前面板上胎架之前，由于齿轮箱上部焊接量比下部大，焊接完成后，齿轮箱整体向焊缝比较密集的上部变形，因此在胎架找平时，对其水平度做适当反变形处理，使其中心比边缘高出3～4 mm，然后再把前面板放到胎架上进行多点刚性固定，保证整体达到反变形效果。主体焊接完毕，把胎架上的多点固定打开后，随着主体焊接应力的消除，整体产生上翘，从而抵消预留的反变形，最终满足齿轮箱整体水平度要求。

在齿轮箱侧板组对过程中，同样考虑焊后整体上翘变形，将侧板上部向外倾斜3 mm，在焊接完成后，侧板在焊接应力的作用下向内收缩，有效确保侧板的焊后尺寸。

3.3.3 合理安排组对及焊接顺序

齿轮箱是一个复杂的构件，制定合理的组对焊接工艺对防止变形非常重要。随着各个部件的装配，每个部件的应力随之变化，而且变化规律很难掌握，因此在施工过程中不同的装配、焊接顺序会产生不同的变形，这也是影响焊接结构变形的主要因素之一。

在施工准备阶段，根据齿轮箱的内部结构特点确定装配、焊接顺序。考虑到天气原因，需采用电加热和火焰加热方式对构件进行焊前预热工作。焊接时遵循以下原则：

(1) 焊接预热。焊接时钢板瞬间达到高温，因热胀冷缩作用，焊接处产生较大变形甚至裂纹，为保证焊接质量，需对焊接处进行预热，采用电加热和烤枪火焰加热，如图9所示。

图10 两焊工正在进行对称焊接

图11 机械调直的两种方法

(2) 尽量采用分段退焊及对称焊接。对应焊道较长的构件采用分段退焊；焊缝对称的构件采用对称焊接，由成对的焊工对称进行焊接，如图10所示，这样可使各焊缝引起的变形相互抵消一部分。

(3) 对某些焊缝布置不对称的结构，先焊接焊缝短的一侧。

4 齿轮箱制作变形调直

在齿轮箱预制过程中，当焊接产生的弯曲变形超出建造设计规格书要求的尺寸公差范围时，需进行变形调直工作，现场一般采用机械调直和热调直两种方案。

4.1 机械调直

现场施工过程中的机械调直主要利用外力的影响对构件进行尺寸调整，包括千斤顶顶升后增加临时支撑约束以及增加配重压力约束，如图11所示。

(1) 在两个杆件之间的相对距离小于公差要求的情况下，利用千斤顶顶升的力量使之达到理论尺寸后增加临时支撑约束，配合后续的热调直进行尺寸调整。

(2) 配重压力约束主要针对整个平面方向某一区域出现的隆起，当该隆起明显比其他部分高时，将配重放在该区域，通过配重的重力作用对隆起区域的变形进行矫正。

4.2 热调直

图12 热调制法调整变形

当变形过大，或出现波浪形变形时，需采用热调直工艺进行调直。热调直方法是利用热胀冷缩原理，采用火焰对变形的地方进行加热，通过不同位置不同形状的加热达到调整变形的目的[3]，如图12所示。用烤枪加热前，先用粉笔在加热区域或路径上进行标记，避免在焊道处直接加热，禁止用水加速冷却，加热火把采用多孔加热型烤枪，热调直温度严禁超过600 ℃。

5 结 论

综上所述，为保证齿轮箱的制作尺寸公差在允许范围之内，制作过程中需注意以下几方面：

(1) 齿轮箱是钻井船升降系统的关键结构，精度要求很高，建造前必须准备精准的胎架，提供约束变形的刚度和水平建造平台。

(2) 为满足齿轮箱的总体尺寸和焊接后结构相对尺寸的要求，下料尺寸必须精确，关键部位杆件需预留下料切割裕量。

(3) 为减小焊接变形，焊接前必须预热焊接构件，采取正确的焊接顺序，尽量采用分段退焊和两侧对称焊方法。

(4) 对于建造过程中不可避免产生的过大变形，采用机械调直和热调直措施来矫正变形。

通过采取上述措施，可有效解决齿轮箱制作过程中产生的变形问题，为其他船体结构和海洋平台结构的建造提供借鉴。