沙建

5摘  要：平台在建造过程中会刻意预留余量，余量是指零部件加工过程中，经过预处理、校正、焊接等多次处理之后，钢板会产生变形收缩。所以在进行工艺量值的留取时会刻意多留一些，然后在制定的工序时进行余量切除。同样为针对变形收缩，在进行平台建造时，会刻意增加工艺量值，这部分的多余材料称为补偿量，补偿量会在建造过程中慢慢消耗掉。余量补偿系统属于精度控制的一部分，对于平台的建造精度以及利润都有很多的影响。这些年在各大船厂以及研究机构都有意进行这方面的研究和统计。我厂基于自身优势，通过统计建造过程中的相关数据，建立自己的精度控制数据库。通过借鉴以往的建造精度控制经验数值，对在建的产品进行指导，达到提高产品建造精度的目的。

如上假设所示，焊件的纵向收缩量可以忽略。焊缝的沿纵向变形小，所以公式（1）可以进行变形为：

其中，、—焊接缝的横截面积

焊接齿条的凝固态时的密度选取室温25°时的密度值，如圖1.1所示;在进行焊接时，焊剂等焊材状态处于流动，忽略变形，可取时的密度，，以下为各焊接层的横向变形计算公式。

第一阶段的焊接层为三角形，如图4.15所示，设焊接完成后的焊接坡口变成，由此焊接缝的横截面积：

式中，dh1为第一焊接层的厚度，同时是熔池的深度（cm）。

将式（3）代入到（2）中可以求得第一焊接层的变形收缩量：

其中，为第一阶段焊接层的表面高度（cm）。

三角形焊接截面只会在第一焊接层出现，如图1.2所示，其他焊接层均是以梯形为主。在进行理论计算时要可做更一步的简化，梯形简

化为矩形。其中矩形的长为梯形的上下底和的一半：，

矩形宽为W_w=dh，W_n' 为第n层的焊接缝的表面宽度，h_n表示为坡口处的焊接层的表面宽度。

焊后的接缝处的宽度变化量小，长度方向较长，所以考虑焊缝的长度变化。根据质量守恒定律，可得：

焊接过程中，齿条与焊剂之间会存在温度差，处于150℃至200℃之间，焊接完成之后齿条焊接处会冷却至室温，至此形变值最大。在进行计算时，选在室温25℃下的弹性模量，对照应变率0.001下的塑性应力应变曲线，可以得出焊接处的应力为

假设齿条的焊接处的应力应变一直处于弹性变化范围内，而齿条本身与焊接材料之间有相互作用，计算不同焊接层在受到约束作用下的横向角变形量与收缩量。焊接层已至第n层，现求第n+1的横向的角变量以及收缩量：

根据正反面的焊接顺序，分别计算各个焊接层的横向角变量和收缩量。在焊接的过程中，为保证焊接的精度，会根据现场焊接的结果进行调整，调整焊接顺序以及焊接参数。

1.4自升式海洋平台桩腿齿条焊接变形计算结果分析

齿条的焊接单面为23层焊接层，双面一共有46道焊接层。其中1～11层焊接层的厚度为4.2mm，2～23层的焊接层的厚度为3.8mm。如上，焊接热量输入不同时，熔池深度会不同。821A9AA0-B032-4355-8AC5-CDFF244BC32D

通过比较焊接完成之后的截面图，可知当热量较大时，焊接出现了新的裂纹，当热量输入较小时，焊接质量较好。这是由于热量输入较大时，会破坏原先焊接好的焊接层。

焊接进行时，采用正反面轮流焊接的方式进行。焊接过程中不断通过正反面的焊接来控制调整变形。对于50KJ/cm和15KJ/cm这两种工况进行计算，其中单次焊接第一层、第二层和第三层时的角变量和横向的收缩量。计算表明，15KJ/cm工况下的焊接变形小于50KJ/cm工况下的焊接变形，在进行这三层焊接层焊接时，后面的焊接层对前面的焊接层变形起到矫正作用，最终保证角变形的变形量。

2.采用余量补偿法的精度控制

平台在建造多采用分段建造法，精度的控制也是伴随分段建造进行，最终达到精度控制要求。阶段性的精度控制有助系统总结阶段性控制建造精度，有助于精度控制数据化。

建立余量补偿系统有助于精度控制，但是如何进行余量补偿系统的建立则是一大难点。首先借助于船厂的自身优势，进行相关数据的统计，即在各个阶段需要的变形量、余量以及切割量等。尤其是现代计算机技术的飞速发展，有助于数据收集和统计。

在系统数据收集的过程中，一般会使用以下方法。对建造中的分段或总段对比直方图，测量偏差值。对各个工序进行分别测量，测量过程中，各个结构件不仅仅是结构件进行测量，结构件中型材等都要进行测量。直观的解释就是各向都需要进行测量。对建造过程中变形进行余量补偿，余量补偿过程中也要记录相关的偏差值。

在平台建造过程中，各阶段的补偿量的确定是依照标准偏差值为参照。建造各个阶段的标准偏差量各有不同，所以对应的补偿量可作为对应偏差量的正态分布^[1]。由梳理统计，正态分布叠加之后仍然是正态分布。所以各阶段的补偿量是可以按照各个阶段制定，最终叠加之后即为最终的补偿量。

由于平台尺度大，建造过程中，会引起变形的因素有很多，所以补偿量的确定过程即为艰巨和复杂。参考因素主要包括以下一些方面：平台的结构形式，建造的分段形式，分段数量，建造方式，装焊顺序，装焊方法，生产水平等等。在进行余量补偿的时候，可遵循以下建造原则：如果建造的平台与之前的建造平台类似，那么建造过程中可以借鉴以往的数据好经验，从而预先有一个比较好的计划。在进行装配时，应选择较好的建造工艺和装配人员，尽量做到最好，避免劳动密集型的恶性循环^[2]。在建造过程中，相关的管理监督部门要做好管理和监督工作，步步为营，切忌随意改动。在实行局部精度控制时，要尽量精确，不能随意加减建造余量。

3.优化余量补偿精度控制的措施

3.1自建建造数据库，逐步推行余量补偿方法

作为船厂，有着自身的优势，有着第一手船舶建造资料，这是全面实现质量管理、缩短建造周期的基础。这对船舶这种建造周期长的建造业而言，数据库是先进的数据处理模式，数据库能帮助船舶建造实现全面建造精度控制。

在船厂会设置专门的精度室，专门负责施工过程中的检验线、中心线和边框线等网络线的绘制工作。负责对建造过程中的数据进行收集和整理，建立各工序的精度数据库，为补偿系统的建立打下基础^[3]。在相关数据收集之前，就要先行建立硬件库以及数据库，用于帮助工作人员进行数据收集和存储。

各建造周期内的统计数据相差较大，这对于统计来讲不利。这些不确定性主要是由于施工人员经验不足，导致建造质量时好时坏。所以船厂方面首先要对施工人员进行系统的培训，其次在施工过程中要注意施工必须按照施工要求进行，避免人为操作导致严重的建造质量问题。

此外精度控制部门要进一步做好数据统计整理工作，在制定建造手册时，补偿量的确定要更精确细化。但是通过统计建造数据，可见主船体的合拢基本可以做到无余量建造。这主要是因为在建造过程中，实时进行反馈和修正。比如肋距之间的间隔在原来设计的基础上进行了放宽，这是由于现场操作时，焊接电流较大，熔化量超过了设计值。但是并非所有的分段都是如此，部分分段的建造时，保持电流和建造余量不变建造出来的质量很好，所以针对各个分段的建造措施是不一样的^[4]。在进行余量補偿精度控制时，统计数据的细化及其重要。

余量补偿法的精度控制可用于桩腿制造的精度控制，对于提高桩腿的精度有一定的作用，制造过程中的误差统计，对于桩腿整体精度的管理有着重要意义。

3.2 三维测量法在桩腿建造中的应用

桩腿尺寸大，为方便测量，船厂引入了三维测量仪。在引进三维测量仪之后，对桩腿结构的测量取得了很好的研究成果。引进这套系统之后，公司可以自行测量相关数据，且不会造成工期延误，对于检验过程，也便于船东检验，直观且有说服力。

首先是要明确测量要求以及相关规定，其次测量人员要掌握各测量要点。对于自升式海洋钻井平台井架基座的测量，主要是测量基座的主尺度超差是否在精度控制范围之内。在进行测量时，要事先拟定测量手册，确定测量顺序，保证测量数据的连贯性。光靶片要永久性进行保护，确保测量过程中时刻都能进行测量，且保证每次测量都是独立的。

4小结

本文对基于余量补偿理念的精度控制方法做了阐述，对于在各个建造阶段如何进行余量控制也做了很好的解释。同时介绍余量补偿过程中所使用的新型仪器，并简述仪器使用方式。采用理论推导的方式对焊接变形值进行计算，从而为焊接工艺的改进提供有益的借鉴意义。

参考文献：[1]Wang G， Meng X W， Peng M， et al. Design and analysis on fixation and jacking system of jack-up platform[J]. Journal of Machine Design， 2011， 28（7）：42-46.