鄒慶國(guó) 劉鶴 余青海 馬輝

摘 ? ?要：深海多波束測(cè)深系統(tǒng)是海洋工程中的一個(gè)重要聲學(xué)裝備，安裝在船體底部平滑區(qū)域或船底海水相連的密封筒體，用于海底的地形勘查工作。本文結(jié)合某新型深遠(yuǎn)海救助船多波束系統(tǒng)安裝工程，從基座高精度安裝需求，以及基座制造、加工、現(xiàn)場(chǎng)安裝對(duì)多波束系統(tǒng)基座進(jìn)行設(shè)計(jì)，保障了該救助船項(xiàng)目的順利施工安裝。本文可為類似設(shè)備在海洋船舶及海工平臺(tái)設(shè)計(jì)安裝提供參考。

關(guān)鍵詞：救助船；換能器陣列基座；精度控制；安裝定位

中圖分類號(hào)：U664.4?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Manufacturing and Installation Research on Deep-sea Multi-beam Bathymetry System Foundation of New Deep Ocean Salvage Vessel

Zou Qingguo， Liu He， Yu Qinghai， Ma Hui

（ China Merchants Heavy Industry （Shenzhen） co.， Ltd.， Shenzhen 518054 ）

Abstract： Deep-sea multi-beam bathymetry system is an important acoustic equipment in ocean engineering. It is a sealed cylinder installed in the smooth area at the bottom of a ship or connected with seawater at the bottom of a ship， and is used for topographic exploration of the entire ocean floor. In this paper， based on the multi-beam system installation project of a new far-reaching sea rescue ship， the multi-beam system base is designed from the perspective of high-precision installation requirements of the base， manufacturing， processing and on-site installation of the base， which ensures the smooth construction and installation of the rescue ship project. This paper provides installation guidance for the design and installation of other similar equipment in offshore ships and offshore engineering platforms.

Key words： Salvage vessel; Multi-beam base; Precision control; Positioning and installation.

深海多波束測(cè)深系統(tǒng)是海洋工程中的一個(gè)重要聲學(xué)裝備，該系統(tǒng)由船底換能器陣列發(fā)射聲波信號(hào)，聲波信號(hào)傳播到達(dá)海底后被反射回來并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再通過聲吶處理裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄海底位置及其他特征信息，可以用來測(cè)量海底地形和地貌檢測(cè)，迅速、精準(zhǔn)地獲得大面積3D海底起伏形態(tài)，為海洋地形地貌勘測(cè)提供了一種行之有效的方法。

常規(guī)的單波束測(cè)深系統(tǒng)，每一次測(cè)量?jī)H得到船豎向的海底測(cè)量數(shù)據(jù)；而多波束探測(cè)系統(tǒng)，可以得到覆蓋多個(gè)區(qū)域內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)，從而達(dá)到從點(diǎn)—線過渡至線—面的跨越。某新型深遠(yuǎn)海救助船搭載先進(jìn)的深海多波束系統(tǒng)，可完成11000 m深海底地形地貌測(cè)繪，具備較強(qiáng)的水下作業(yè)能力，完全滿足我國(guó)未來深遠(yuǎn)海應(yīng)急救援搶險(xiǎn)保障的需求。

1 ? ? 換能器陣列

深海多波束系統(tǒng)核心部件換能器陣列，安裝在船體底部前端，即靠近船艏的層流區(qū)域。該區(qū)域水流相對(duì)平緩，可減少船舶航行對(duì)探測(cè)波束的影響。

換能器陣列，分為外置式和內(nèi)置式兩種，如表1所列。

深海多波束系統(tǒng)的發(fā)射換能器陣列（簡(jiǎn)稱TX）和接收換能器陣列（簡(jiǎn)稱RX）相互垂直，呈T字型布置。TX布置靠前，平行于船舯線；RX 布置靠后，垂直于船舯線，如圖1所示。TX和RX含有許多個(gè)多波束組，各個(gè)組件都自帶安裝輔助支架，多波束組則由自帶安裝支架固定在基座上。

2 ? ? 換能器陣列安裝精度要求

某新型深遠(yuǎn)海救助船的換能器陣列采用內(nèi)置式安裝，整體外形尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。換能器陣列的安裝精度，直接影響深海多波束系統(tǒng)的性能，對(duì)安裝精度要求非常高。如果基座采用分片制作焊接于船體分段腔體的船底板上，僅通過焊接工藝很難保證基座的水平度要求，通常做法只能通過在基座與安裝支架間增加安裝墊片來逐個(gè)調(diào)平；本項(xiàng)目基座外形尺寸大，安裝支架數(shù)量多，導(dǎo)致鋼墊的數(shù)量多且墊塊厚度也不一致，需多次反復(fù)調(diào)整校平，安裝施工難度大、耗時(shí)長(zhǎng)，需研究新的滿足精度要求的基座制造和安裝方案。

多波束TX、RX基座都是箱形結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)包括框架、側(cè)板、底板、頂板、固定肘板、封圍板以及臨時(shí)吊耳等。兩個(gè)基座設(shè)計(jì)時(shí)，互相垂直構(gòu)成 T 字形撬塊，下水前安裝在船艏底部空腔內(nèi)。其中， TX 基座外形尺寸較大：長(zhǎng)×寬×高=8000 mm×1000 mm×350 mm； RX基座外形尺寸較?。洪L(zhǎng)×寬×高=700 mm×3800 mm×300 mm。

為保障多波束系統(tǒng)在海底獲得精準(zhǔn)度更高的三維微地貌地形圖，在換能器陣列基座安裝中需要達(dá)到更高的精度要求，具體包括以下幾個(gè)方面：

（1）基座底板與船底外板的高度差≤2 mm；

（2）TX 基座框架與船底板下表面的整體平面度差≤2 mm；

（3）TX 基座框架縱向中心線與船舯線差≤2 mm；

（4）RX 基座框架與船底板下表面的整體平面度差≤1 mm；

（5）RX 基座框架橫向中心線與船底肋位基準(zhǔn)線差為±2 mm；

（6）RX 基座框架橫向中心線與 TX 基座框架的縱向中心線夾角差為 90°±0.7°；

（7）在基座與底板上，任意螺栓孔之間的距離小于±0.8 mm。

3 ? ? 換能器陣列基座制作

為保證換能器陣列基座的安裝精度，盡量減小基座構(gòu)件焊接的變形量以及基座在船底分段上安裝的焊接工作量，同時(shí)根據(jù)船廠現(xiàn)有的機(jī)加工設(shè)備允許最大寬度尺寸，將換能器陣列基座從船底分段中單獨(dú)劃出兩個(gè)單元，此兩單元在車間內(nèi)場(chǎng)整體制作。

（1）基座制作總體方案

換能器陣列基座的兩個(gè)單元，分別在胎架上進(jìn)行整體組裝制作，焊接報(bào)檢完成后送至機(jī)加工車間，在銑床上依次完成粗、精加工；為保證換能器陣列基座的高精度安裝要求，以換能器陣列基座頂板為基準(zhǔn)面在2D平面立柱胎架上反造制作；為避免基座過長(zhǎng)在焊接過程中收縮彎曲變形，采用角鋼或槽鋼式胎架；在基座長(zhǎng)度方向加入5 mm的反向變形量。換能器陣列基座平面胎架布置圖，如圖2所示；建造示意圖，如圖3所示。

（2）基座下料

基座框架和底板下表面必須進(jìn)行平面加工和螺絲攻牙，在毛坯零件下料時(shí)考慮加工余量，其余量加放要求見圖4所示。

（3）基座焊接

為盡可能減小基座的焊接收縮變形量，制定專門的基座焊接工序指導(dǎo)文件：首先處理基座框架結(jié)構(gòu)的對(duì)接縫，接著處理基座頂板與側(cè)板間的角焊縫，最后處理加強(qiáng)筋板與底板間的角焊縫，整個(gè)焊接過程中始終采用小電流、雙數(shù)焊工從中間向兩端退焊或跳焊對(duì)稱施焊。

（4）基座精度測(cè)量及保護(hù)

換能器陣列基座制作完成后，先對(duì)基座焊接的焊縫進(jìn)行應(yīng)力消除處理，釋放基座焊接處的殘余應(yīng)力，然后松開固定胎架對(duì)基座制作精度進(jìn)行測(cè)量；精度測(cè)量完成后，根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)精度超差部位進(jìn)行火工校正，然后再次進(jìn)行二次精度復(fù)測(cè)，直至基座的制作精度滿足其基座的加工要求；最后在基座上安裝臨時(shí)的假框架，以防基座在吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)及安裝過程中發(fā)生扭曲變形。

4 ? ?換能器陣列基座機(jī)加工

換能器陣列基座的框架和下底板的結(jié)構(gòu)凹凸高度偏差精度要求極高，并且換能器陣列基座的框架、下部底板螺紋孔數(shù)量眾多。基座在平面立柱胎架上制作完成后，將整個(gè)基座框架翻身運(yùn)至機(jī)加工車間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)機(jī)加工及攻螺紋孔，完成后回裝基座支架工裝及臨時(shí)假框架，基座支架工裝及假框架與基座采用螺栓連接，從而減小基座變形。

5 ? ?換能器陣列基座定位安裝

換能器陣列基座完成機(jī)加工、回裝基座支架工裝及臨時(shí)假框架后，用液壓平板拖車運(yùn)至船底分段所在的建造場(chǎng)地。由于船底分段整體采取正造方式建造，換能器陣列基座的兩個(gè)單元分別在船底分段外底板單元中翻身安裝，待換能器陣列基座點(diǎn)焊定位完成后，再焊接換能器陣列基座與船底分段內(nèi)底板單元的焊縫；外底板單元翻身前、后均需對(duì)換能器陣列基座安裝精度復(fù)核確認(rèn)。

（1）換能器陣列基座定位基準(zhǔn)線的勘劃

換能器陣列基座機(jī)加工完成后，在基座兩端標(biāo)記出TX基座縱向中心線及RX基座橫向中心線，并在船底分段外底板標(biāo)記出船底中心線及船底肋位基準(zhǔn)線，如圖5所示。上述標(biāo)記基準(zhǔn)線勘劃后，向品質(zhì)部、船東、船檢等相關(guān)方報(bào)驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后用洋沖打出永久標(biāo)識(shí)。

（2）換能器陣列基座定位要求

在船底分段外底板單元上胎架后，先定位TX基座，然后定位RX基座，最后進(jìn)行TX基座/RX基座整體定位，要求RX基座橫向中心線與TX基座的縱向中心線夾角偏差為90°±0.7°。

① 基座橫向定位：以船底分段外底板單元肋位基準(zhǔn)線為定位基準(zhǔn)，要求RX基座橫向中心線與船底肋位基準(zhǔn)線平行，允許偏差為±2 mm；

② 基座縱向定位：以船底分段外底板單元縱向中心線為定位基準(zhǔn)，要求TX基座縱向中心線與船底縱向中心線平行，允許偏差≤2 mm；

③ 基座水平定位：以船底分段外底板單元為定位基準(zhǔn)，進(jìn)行基座底板水平高度定位，要求基座底板下端面與船底外板外表面允許高度偏差≤2 mm。

6 ? ? 換能器陣列基座焊接

換能器陣列基座與船底分段點(diǎn)焊定位完成后，后續(xù)焊接過程要求高，既要保證焊接質(zhì)量，又要減少焊接對(duì)基座變形的影響，需要制定科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮附庸に囈?guī)程，確定合理的順序施工：首先處理基座側(cè)板與船體底板結(jié)構(gòu)的角焊縫，然后處理基座頂板與船體結(jié)構(gòu)的對(duì)口焊縫；整個(gè)焊接過程中始終采用小電流、雙數(shù)焊工從中間向兩端退焊或跳焊對(duì)稱施焊；基座在施焊時(shí)隨時(shí)對(duì)基座的凹凸高度偏差、螺紋孔進(jìn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)超差應(yīng)立即停工，查明原因，重新調(diào)整施工工藝方案方可繼續(xù)施工，避免精度惡化。

7 ? ?換能器支架及換能器安裝

船底分段采取整體正造搭建方式完成后，需對(duì)換能器陣列基座安裝精度再次復(fù)核測(cè)量，若復(fù)核測(cè)量精度不滿足要求，在超差位置通過增加銅墊片的方式重新調(diào)整，采用雙數(shù)焊工小電流對(duì)稱施焊，且采用從中間向兩端退焊或跳焊的方法保證施工平面度要求；精度滿足要求后，對(duì)換能器陣列基座機(jī)加工面及全部螺栓孔進(jìn)行有效防腐蝕保護(hù)處理，隨后船底分段完成打砂及涂裝油漆等工作；而后船底分段與其他分段在船臺(tái)合攏并完成合攏對(duì)接，焊接過程中需時(shí)時(shí)監(jiān)控?fù)Q能器陣列基座要求的精度是否超差。

多波束換能器支架及換能器安裝需要在服務(wù)工程師指導(dǎo)下完成，并把所有緊固螺栓按照廠家推薦值完成扭力報(bào)檢合格。

8 ? ?結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某新型深遠(yuǎn)海救助船深水多波束系統(tǒng)發(fā)射及接收換能器基座制作、加工及現(xiàn)場(chǎng)安裝三個(gè)方面開展研究，編制一套完整的多波束系統(tǒng)底座工序工法指導(dǎo)文件，解決了傳統(tǒng)方法帶來的換能器陣列基座精度難以保證、安裝效率低等問題。

通過上述研究，有力保障了某新型深遠(yuǎn)海救助船項(xiàng)目的施工周期及精度控制要求，順利完成校驗(yàn)報(bào)檢工作，相關(guān)成果為以后相類似的海洋船舶及平臺(tái)提供參考。

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