风车安装船桩腿焊接、安装及精度控制研究

1、风车安装船桩腿焊接、安装及精度控制技术研究庄建军、钱宝义、徐昊、蒋家坤、吴凤民、施海华、汪月洋、朱波波、刘琴、孟德全（南通中远船务）摘要：“决心1号”和“决心2号”是南通中远船务为英国“MPI”公司承建的两艘甲板载重6000公吨的姊妹系列自升式风车安装船。总长138.55米、型宽40.8米、型深10米，具备DP2动力定位系统、液压桩腿升降系统等，是一艘集当代世界最先进技术、设备于一身的自动化程度很高的船舶。建成后将作为海上风车运输与安装工具使用。桩腿高71.495m，截面为八边形结构，主板厚度为100mm，其中C-G作为整体进行安装。关键词：桩腿 焊接工艺 SMAW 永久吊耳 自转式吊柱 自锁

2、限位装置 消氢 超高强度钢 1 概述“决心1号”是目前全球最先进的自升式海洋风车安装船，配有目前最先进的JACKING SYSTEM。该船共有6条桩腿，每条桩腿自重630T（含桩靴）。根据我厂设备能力，将每条桩腿划分为Spud Can、A、B、C、D、E、F、G八节进行分段预制，然后A、B两节中组后上船台与Spud Can合拢、C-G五节中组后在海工坞整体安装。2 桩腿分布6条桩腿左右对称布置在距中16.5米处，以艏部为起点按顺时针依次命名为No.1、No.2、No.3、No.4、No.5、No.6。具体见下图：3 桩腿分段划分从下到上依次将桩腿划分为Spudcan、A、B、C、D、E、F、G

3、八节。4 桩腿焊接4.1 NV E690的焊接性分析风车安装船桩腿使用的NVE690超高强度钢，来自德国DILLINGER HUTTE，厚度是100mm，其化学成分实测值及力学性能见表1和表2。表1 NV E690化学成分实测值（%）CSiMnPSNCuMoNiCrVNbTiB0.1650.3011.290.0116E-040.0050.0490.10.3840.7720.0010.030.0030.002表2 NV E690的力学性能屈服强度（Mpa）抗拉强度（Mpa）延伸率（%）横向-40冲击吸收功（J）690770-94014461.2根据AWS D1.1，母材化学成分参量Pcm决定冷裂

4、纹敏感度指数的重要因素，根据表1的化学成分计算可以得到NV E690的化学成分参量：另外，NVE690的碳当量是：根据以上计算结果可以初步判定NVE690这种超高强度钢的焊接性较差，焊缝和热影响区的淬硬倾向和冷裂敏感性较大，并且厚度越大，冷却速度加快，热影响区易产生淬硬组织，易产生裂纹。4.2 焊接工艺评定 1）焊接方法及焊接材料的选择为了适应焊接位置的变化，并保证焊接质量，我们选择手工电弧焊（SMAW）,采用直流反接。为满足焊接接头与母材的强度匹配、焊接接头的韧性要求、以及DNV船级社对焊材的要求，焊接材料选用伯乐焊条Phoenix SH Ni2 K100，DNV认证级别4Y69H5用于填充

5、和盖面；考虑到690焊材强度太高，根部可能会产生小裂纹，我们选用低级别的林肯焊条KRYO1焊接打底焊道。分别按照制造商的推荐对这两种焊条进行烘干和保温。2）坡口制备由于母材本身的碳当量很高，不利于焊接，所以在装配前，对坡口表面进行打磨，完全去除切割造成的渗碳层.打磨过程中用便携式硬度计配合检测，直到坡口表面的硬度降到母材的正常硬度值。3）预热和层间温度的控制预热具有降低冷去速度、减少焊接应力、和防止冷裂纹的作用。针对NVE690碳当量高、冷裂敏感度大的特点，将焊接100mm厚NVE690板的预热温度控制在150200，为保证的预热作用和促进焊缝和热影响区中的氢扩散逸出，将层间温度保持在预热温度

6、以上，但不高于200。为了达到均匀预热的效果，我们采用温控柜控制的陶瓷加热片坡口两侧进行加热。4）焊接工艺参数根据DNV-OS-C401，分别对2G和3G位置的焊接工艺进行评定，焊接参数见表3和表4，焊接过程中将焊道宽度控制在焊条直径的2.5倍以内,焊道厚度不超过4mm。表3 焊接工艺参数-2G层号焊接方法填充材料Welding焊接焊接速度(mm/min)热输入量(KJ/mm)直径(mm)商标电流极性电流（A） 电压（V）最小最大打底SMAW3.2 Kryo 1DCEP123-13023-2360-652.6 3.0 填充SMAW3.2 Phoenix SH Ni2 K100DCEP125-1

7、4021-23165-1900.83 1.2 4.0 DCEP150-18622-25145-2600.76 1.9 盖面SMAW4.0 DCEP163-17722-24180-2800.77 1.4 表4 焊接工艺参数-3G层号焊接方法填充材料Welding焊接焊接速度(mm/min)热输入量(KJ/mm)直径(mm)商标电流极性电流（A） 电压（V）最小最大打底SMAW3.2 Kryo 1DCEP105-11520-2041-452.8 3.4 填充SMAW3.2 Phoenix SH Ni2 K100DCEP110-12021-2365-721.9 2.5 4.0 DCEP140-155

8、21-2380-1201.5 2.7 盖面SMAW3.2DCEP108-12521-2490-1301.0 2.0 5）背部清根由于打底焊道选用的是低级别焊条，所以背部清根时需要将打底焊道完全清除。碳刨前先预热至100-150，碳刨后，为防止渗碳层对焊缝不利，需要用角磨砂轮机磨掉坡口表面层大约1mm，并使坡口光顺，不留尖角，以防止焊接时应力集中产生裂纹。6）消氢处理焊后消氢处理能在一定程度上促使扩散氢的逸出，并可降低残余应力，可以防止产生延迟裂纹。所以焊接完毕或焊接中断后，在焊缝温度不低于预热温度前应立即进行消氢处理，消氢温度为200-250，保温时间为150min。7）焊后检验焊接完成72h

9、后，对焊缝进行MT和UT检验，NDT通过后再对每块试板进行10项拉伸试验、12项侧弯试验、7组冲击试验、1项宏观试验和1项硬度试验，进一步检验焊缝性能。试验结果完全符合DNV-OS-C401对E690的焊接要求，其中焊缝宏观照片见图1和图2。图1 宏观照片-2G 图2 宏观照片-3G8）焊接小结100mm E690超高强度钢的成功焊接使我们在超高强度钢焊接领域迈了一大步，为南通中远船务进军海工产品超高强度钢领域铺平道路。5 桩腿制作为满足桩腿建造的高精度要求，经过广泛调研和详细计算，设计了独特的桩腿制作专用胎架。此胎架不但可以方便桩腿建造，而且对桩腿制作精度具有极其重要的作用，专用胎架简图如下

10、：6 桩腿安装Supdcan 和A+B两节的安装不作叙述，以下重点说明C-G五节整体安装方法。6.1 吊点设计经过对图纸的详细分析与研究，设计了2只200T永久吊耳分别安装在桩腿主板顶端，此举大大减少了焊接、切割和油漆破坏量，提高了桩腿安装的效率。6.2 300T自转式吊柱设计在充分考虑桩腿的结构特点、中组状态和方向后，设计了可循环使用的自转式吊柱（额定载荷：300T），大大提高了安装速度、节约了工装成本。300T吊柱的结构设计简图如下：6.3 300T吊梁设计为避免在桩腿翻身过程中齿条板卡住钢丝绳，最大程度的规避吊装风险，设计了额定载荷为300T的吊杠将钢丝绳撑开，吊杠的结构设计简图如下：6

11、.4 桩腿的翻身与安装 6.5 安装总结C-G五节桩腿重400T、高50.9米，需要翻身后安装，其翻身重量和起吊高度均达到了600T龙门吊的极限，但整个吊装仅使用2只永久性吊耳。刷新了南通中远船务单钩起吊重量最大、起吊高度最高、单位重量使用吊耳最少、安装速度最快等记录。7 桩腿精度控制7.1 制作精度控制在桩腿制作阶段，主要依靠桩腿制作专用胎架来控制桩腿主板及侧板的尺寸。7.2 安装精度控制自锁限位装置可以控制桩腿5个方向的自由度，达到桩腿安装一次到位和精度误差小于2mm的高效率和高精度要求，彻底消除桩腿水平度、垂直度和安装位置的调节工作。自锁限位装置的结构设计简图如下：7.3 合拢支座合拢支座可以承担桩腿400T重量，在桩腿安装到位后可直接拆钩，然后开始下一吊。这不仅提高了桩腿的安装速度，也大大提高了600T龙门吊的工作效率、缩短了坞期。合拢支座的结构设计简图如下：8 与当前国内外同类先进技术的比较目前，在国内还没有出现此类风车安装船桩腿的安装先例，此次安装属首创。在国外，虽然有此类桩腿的安装，但能够做到五节整体一次性到位的安装方法实属罕见。此次桩腿的成功安装，标志着中远船务在桩腿焊接、建造、安装领域达到了世界先进水平。9 关键技术及创新点关键技术：1. 超高强度钢焊接2. 300T自转式吊柱设计3. 300T吊梁设计4. 永久吊耳设计5. 自锁限