黃建軍，王少華，楊飛飛，李 進(jìn)，李 輝

（中船黃埔文沖船舶有限公司, 廣州 511462）

1 前言

以我司建造的鉆采船為例，其船體建造精度要求高，在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計中根據(jù)精度管理要求，在結(jié)構(gòu)零件中增加余量、補償量或焊接收縮量，確保零件在焊接收縮后仍能夠保證理論尺寸；負(fù)余量是通過對特殊位置的零件進(jìn)行減少尺寸設(shè)計，使零件之間存在一定的間隙，以確保零件順利裝配；負(fù)余量的設(shè)計一般是在零件端部進(jìn)行加放，所加放的范圍主要依據(jù)船體零件的安裝順序以及零件所在的空間位置。本文主要根據(jù)各類結(jié)構(gòu)特點，對角接和對接的典型連接形式進(jìn)行負(fù)余量設(shè)計。

2 可行性分析

在機械零件的設(shè)計建造中，負(fù)余量設(shè)計較為常見。在造船領(lǐng)域，引入負(fù)余量設(shè)計的概念可以方便船體結(jié)構(gòu)零件的裝配和焊接。負(fù)余量的設(shè)定值不僅需要從方便施工方面進(jìn)行考慮，還需要從技術(shù)工藝層面考慮，如是否滿足規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和焊接工藝等要求。根據(jù)焊接方式不同，可將焊接分為以下類型（表1）。

表1 焊接方式分類

所有類型的焊接形式和間隙，均根據(jù)船級社認(rèn)可的焊接工藝評定，不同焊接類型對焊接間隙的要求均不相同。在實際建造過程中，準(zhǔn)許存在一定的焊接間隙偏差，國標(biāo)GB-T34000-2016《中國造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中船體構(gòu)件在對接焊和角接焊可允許的公差范圍如下：

角焊縫形式時，焊接間隙標(biāo)準(zhǔn)范圍≤2 mm，允許極限≤3 mm；對接焊形式時，手工焊、CO2焊的焊接間隙標(biāo)準(zhǔn)范圍為0～3.5 mm，允許極限≤5 mm；對接焊采用襯墊焊時，其焊接間隙標(biāo)準(zhǔn)范圍為2～8 mm，允許極限≤16 mm。

按照現(xiàn)場經(jīng)驗，負(fù)余量的需求基本在1～2 mm之間，但在實際設(shè)計和施工裝配過程中，需確保不同船體結(jié)構(gòu)件的負(fù)余量設(shè)置值，以滿足規(guī)范對焊接間隙公差的基本要求，避免造成零件短尺、焊接間隙過大影響焊接質(zhì)量。

3 負(fù)余量設(shè)計

3.1 型材間加強筋負(fù)余量

船體外板、內(nèi)底板、甲板、平臺和艙壁板等平面板，設(shè)計有橫向或縱向型材，如球扁鋼、T 型材、扁鋼、角鋼等；型材與型材之間，設(shè)計有垂直于主型材的加強筋，即使主型材嚴(yán)格通過劃線、定位和裝配，但位于主型材間的加強筋往往仍然可能無法嵌入其中。如果使加強筋整體尺寸略小，則有利于其裝配和焊接，因此可考慮在加強筋的端部進(jìn)行負(fù)余量設(shè)計。

如圖1 所示：按照生產(chǎn)經(jīng)驗，在設(shè)計階段將位于兩根型材之間的加強筋兩端加放-1.5 mm 的余量，可確保加強筋順利裝配。

圖1 型材之間的加強筋負(fù)余量

3.2 加強圈開孔負(fù)余量

在艙壁、甲板、平臺板和桁材腹板等板件存在開孔，可能是艙室通道孔、管子貫穿孔或管子貫穿孔，有時需要在開孔邊緣增加加強圈，以補強結(jié)構(gòu)開孔后對剖面模數(shù)和剪切面積的損失。當(dāng)加強圈外徑與開孔內(nèi)徑理論尺寸相等時，如果加強圈的加工有偏差，則加強圈無法順利嵌入至內(nèi)孔，需要進(jìn)行手工擴(kuò)孔，故可以考慮對結(jié)構(gòu)開孔大小進(jìn)行負(fù)余量設(shè)計。

如圖2 所示：在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計階段可以通過軟件參數(shù)設(shè)定，使結(jié)構(gòu)開孔與加強圈外徑保證單邊3 mm 的間隙，確保加強圈能順利嵌入至開孔。

圖2 加強圈與開孔負(fù)余量

3.3 筒體內(nèi)平臺板負(fù)余量

在圓形筒體內(nèi)如設(shè)計有平臺板結(jié)構(gòu)，按照常規(guī)加工順序，首先需要將筒體使用壓型設(shè)備加工為圓形并焊接成型，再將內(nèi)部的平臺板結(jié)構(gòu)嵌入其中，如筒體圓度存在偏差，將導(dǎo)致平臺板無法嵌入其中。因此需要將平臺板進(jìn)行負(fù)余量設(shè)計，并適當(dāng)考慮在圓筒滾圓后增加適當(dāng)加強。

如圖3 所示：在設(shè)計階段將圓形平臺板外徑設(shè)置-1.5 mm 的負(fù)余量，同時筒體加工過程中注意內(nèi)徑的精度控制，確保平臺板順利安裝至筒體內(nèi)。

圖3 筒體內(nèi)結(jié)構(gòu)負(fù)余量

3.4 嵌入板負(fù)余量

3.4.1 加厚板拼板件負(fù)余量

在應(yīng)力較大或重要設(shè)備位置，部分甲板、艙壁板和內(nèi)底板等結(jié)構(gòu)設(shè)置有嵌入的加厚板，以加強局部結(jié)構(gòu)強度。嵌入板的理論尺寸與開孔邊緣尺寸相同，由于切割誤差、板材變形等情況造成嵌入板無法順利嵌入的情況，因此此類嵌入板需要進(jìn)行負(fù)余量設(shè)計。

如圖4 所示：在嵌入板與主板對接位置，一般采用埋弧焊焊接方式。根據(jù)各個船級社的焊接工藝評定標(biāo)準(zhǔn)，埋弧焊焊接間隙一般為0～1 mm，因此設(shè)置-1.5 mm的負(fù)余量較為適宜，既可保證加厚板順利嵌入內(nèi)孔，同時也滿足焊接工藝評定標(biāo)準(zhǔn)的焊接要求。

圖4 嵌入板負(fù)余量

3.4.2 施工工藝孔負(fù)余量

為確保工人能夠順利進(jìn)入艙室內(nèi)部進(jìn)行相應(yīng)的焊接、打磨和油漆等相關(guān)工作，在船體分段生產(chǎn)設(shè)計階段，需根據(jù)《工藝孔布置圖》進(jìn)行工藝孔的設(shè)計。工藝孔在結(jié)構(gòu)零件下料階段進(jìn)行數(shù)控切割，其封板貼裝在工藝孔附近，待艙室內(nèi)相關(guān)工作完成后在總組或搭載階段進(jìn)行回封。

如圖5 所示：在設(shè)計階段使工藝孔封板較開孔邊緣尺寸略小，一般保留6 mm 的間隙，這樣一方面可確保工藝孔封板能夠順利嵌入開孔內(nèi)，同時也是二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的常規(guī)焊接間隙。

圖5 施工工藝孔示意圖

3.5 型材與艙壁角接負(fù)余量

當(dāng)甲板、平板、內(nèi)底板或艙壁結(jié)構(gòu)有斷開的型材且有壁板插入斷開處時，其零件安裝順序是型材先于艙壁板進(jìn)行安裝和焊接的，如果型材定位存在偏差或艙壁板零件存在變形，則容易造成艙壁板插入卡裝的情況，因此需要在型材端部設(shè)置負(fù)余量。根據(jù)現(xiàn)場實際裝配經(jīng)驗，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，此類型材端部設(shè)置-1.5 mm 的負(fù)余量，如圖6 所示。

圖6 嵌入板負(fù)余量

3.6 肋板、縱桁負(fù)余量

在船體雙層底、首部等區(qū)域，橫向的肋板與縱向的縱桁相互交錯連接。為確保肋板或縱桁在裝配過程中順利安裝至指定位置，需要依據(jù)部件或零件的安裝順序在其左右或上下位置設(shè)置負(fù)余量，有效保證負(fù)余量的加放能夠消除卡裝情況。根據(jù)現(xiàn)場裝配經(jīng)驗，在肋板和縱桁兩端設(shè)置-1 mm 的負(fù)余量，可以保證其順利裝配，如圖7 所示。

圖7 肋板、縱桁負(fù)余量

3.7 上下型材間扶強材負(fù)余量

位于上下型材間的扶強材結(jié)構(gòu)，多位于雙層底或雙殼空艙內(nèi)。如果在裝配過程中，位于型材之間的扶強材在安裝過程中出現(xiàn)偏上或偏下情況，則扶強材端部將與上下型材相干涉，因此有必要在此類扶強材上下端部進(jìn)行負(fù)余量設(shè)計，一般各設(shè)置-1 mm的負(fù)余量，如圖8 所示。

圖8 型材間扶強材端部負(fù)余量

3.8 多邊界肘板負(fù)余量

肘板是兩個或多個部件連接時常用的端部形式，兩邊界焊接肘板不存在裝配問題，但在三邊界或超過三邊界的肘板裝配時，則可能出現(xiàn)卡裝的情況。如圖9 所示：不規(guī)則形式的肘板多邊界與結(jié)構(gòu)焊接，較容易發(fā)生卡裝情況，因此需要在肘板的趾端考慮加放負(fù)余量，一般設(shè)置-1 mm 負(fù)余量即可。

圖9 多邊界肘板負(fù)余量

3.9 型材貫穿孔負(fù)余量

當(dāng)型材貫穿壁板、甲板或T 型材腹板時，需要開設(shè)貫穿孔，其中型材的一側(cè)需要與貫穿孔的邊緣進(jìn)行焊接。在部件與部件裝配時，為確保型材順利通過貫穿孔，需要在貫穿孔與型材焊接的一側(cè)設(shè)置負(fù)余量，一般為-2 mm，如圖10 所示。

圖10 型材貫穿孔負(fù)余量

4 結(jié)束語

負(fù)余量設(shè)計廣泛應(yīng)用于機械設(shè)計領(lǐng)域，參照機械零件的負(fù)余量設(shè)計理念，將其運用至船舶設(shè)計領(lǐng)域中，結(jié)合船體結(jié)構(gòu)連接的不同形式和安裝順序，在可能出現(xiàn)卡裝的部位進(jìn)行負(fù)余量設(shè)計。負(fù)余量的加放位置和數(shù)值，需要結(jié)合現(xiàn)場實際的劃線、裝配誤差經(jīng)驗，在滿足規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)以及焊接工藝評定文件的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計。負(fù)余量在船舶設(shè)計中的廣泛應(yīng)用，使船體零件之間的裝配和焊接更為方便，避免了卡裝以及手工切割的情況，使分段裝配和制作效率進(jìn)一步得到提升，降低了施工成本，為船體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了重要借鑒。