CN104384849A - 自升式平台桁架式桩腿弦杆整体挤压成型制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自升式平台桁架式桩腿弦杆整体挤压成型制造方法，具体的说是一种自升式平台桩腿弦杆的制造方法，属于海洋工程中的钢结构制造技术领域，一、确定钢锭材料重量：根据所要制造的桩腿弦杆的截面积计算所需钢材材料总重量；二、制坯：确定弦杆长度后，经过计算确定需要的挤压制坯料的重量；经过钢锭蹾粗、钢锭冲孔、锭身拔长及精整。三、模具准备：挤压模具按所需弦杆形状预先制造，模具分别为：挤压筒、垫板、挤压模、芯轴、凸模压头；四、整体挤压：在40000吨级以上的垂直压力机上，将所制坯料以匀速整体挤出。五、整形矫直；六、淬火，回火。七、齿形加工：将成品弦杆安置在火焰切割机上根据齿形进行切齿加工。

Description

自升式平台桁架式桩腿弦杆整体挤压成型制造方法
技术领域
本发明涉及一种自升式平台桁架式桩腿弦杆整体挤压成型制造方法，具体的说是一种自升式平台桩腿弦杆的制造方法，属于海洋工程中的钢结构制造技术领域。
背景技术
近年来，随着我国海上油气开发的需要不断增长，对海洋移动式油气钻采专用装备的需求量越来越大。自升式平台作为一种移动式装备，广泛的应用于海洋油气钻采、勘探。桩腿作为自升式平台的主要构件，主要作用是支撑平台在海上作业，并将平台所受到得载荷传递到海底地基。
桁架式钢结构物的主承力结构件通常为厚壁管状结构，在承力较大时，为加强关键承力结构件的抗弯曲能力，多会采用加大结构件的剖面模数，即采用厚壁管加其他型钢进行组合焊接，从而得到需要的剖面形式和抗弯剖面模数。
作为主要承力构件，弦杆在桁架式钢结构物中是整体结构的安全保障。海洋自升式平台因常年在海水中作业，其桩腿结构的安全性直接关系到整个平台的安全性。桩腿结构是由弦杆与弦杆间的支撑结构组成的，弦杆是其主要承力部件。目前世界上传统制造桩腿弦杆的方法是采用两块半圆板和齿条板焊接而成，在超厚钢板上焊接两条直径约444mm、厚度约83mm的半圆钢管，每根弦杆至少需焊接4条全熔透开坡口角焊缝，焊接工作量非常大；由于齿条板及半圆板均为超厚钢板，焊接收缩变形也十分大，需要不断变换焊接位置，以保证焊接收缩量的均匀一致，不至于影响到工件的平直度、扭转等精度要求，耗时较长，从而使得焊接效率降低；由于结构强度可靠性要求，除了严格的100%超声波及X射线无损探伤要求，在焊接时也要求焊缝及热影响区的材料性能不低于母材，而深熔透焊由于焊接量较大，熔池较深，因而热影响区也较大，对于材料性能的影响也较大，为控制材料的强度、低温冲击韧性硬度等机械性能，需要对焊接工件进行焊前预热、焊后保温等各种工艺，同时预热及保温的温度区间、保温时间等也有严格要求。总之，高标准、高难度、过程复杂的焊接工艺及质量要求对整个制造周期的保证带来风险。
发明内容
为了克服上述技术的不足，本发明的目的在于提供了一种自升式平台桁架式桩腿弦杆整体挤压成型制造方法，该发明针对现有技术中存在的焊接工序繁复、焊接工艺难度高、制造周期长的问题，采用整体挤压成型的一体式制造方法，结构强度高、构件稳定性好。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一、确定钢锭材料重量：在挤压制造前，根据所要制造的桩腿弦杆的截面积、长度设立模型，计算所需钢材材料总重量；桁架式自升式海洋平台桩腿是由弦杆及钢结构管组成的等边三角形或其他稳定几何形状的结构物，总长大都在100米以上，在施工建造时由长约8m至9m左右的许多分段逐段焊接而成，经过计算得到需要的挤压制坯料的重量为20吨，加上工艺需要炼钢铸锭的锭型为28吨；
二、制坯：
确定钢锭锭型及炼钢铸锭：确定弦杆长度后，经过计算确定需要的挤压制坯料的重量，确定炼钢铸锭的锭型为圆柱状24或28楞钢锭，采用优质生铁及钢屑进行真空电炉粗炼钢水及真空电炉精炼后浇铸钢锭，冷却后倒模脱锭；
钢锭蹾粗：去除钢锭水冒口后，加热钢锭至1200℃--1300℃，将钢锭水平横置于水压机或油压机砧台上，转动钢锭，并用压机砧头轻拍钢锭起楞处进行整形，直至钢锭成为正圆柱状，再将钢锭立放进行蹾粗，至钢锭长度为原锭身长度的1/2；
钢锭冲孔：使用φ300-φ500的冲孔砧头，快速压下，将实心钢锭芯部冲掉成为空心钢锭，并去除端部挂渣及毛刺；
锭身拔长及精整：将已完成冲孔的钢锭连同芯棒水平横置于压机砧台，穿入φ300mm—φ500mm的芯棒，操作机夹持并转动钢锭，用压机砧头沿钢锭圆周锻压锭身，进行拔长，平整上下端面后最终得到空心锻造坯料；锻造期间，如锻坯温度低于900 ℃时可回炉加热后再进行锻制。
三、模具准备：挤压模具按所需弦杆形状预先制造，模具分别为：挤压筒、垫板、挤压模、芯轴、凸模压头；挤压模具为组合式模具，包括挤压筒、垫板、挤压模、芯轴、凸模压头；垫板中间设有可通过挤压后的弦杆的通孔，垫板上端边缘安有挤压筒，挤压筒内安有挤压模；垫板、挤压筒、挤压模组成一体，固定于挤压机上保持静止，芯轴也相对于挤压筒、垫板、挤压模保持轴向静止，保证弦杆内孔的同心度及弦杆的直线度。
四、整体挤压：将锻造坯料在加热炉中加热到1200℃出炉，放入专用成型模具中，在40000吨级以上的垂直压力机上，将所制坯料以匀速整体挤出。
五、整形矫直：弦杆整体挤出后，将整根弦杆天车吊至整形压力机上，趁挤压后的工件仍有余温，进行热矫直成型。
六、热处理调质：将整根工件加热至900℃以上并保温5小时，出炉后水冷淬火。回火时将工件加热至600℃-640 ℃，保温10小时，出炉进行冷却。
七、齿形加工：将成品弦杆安置在火焰切割机上根据齿形进行切齿加工。
本发明的有益效果是：集材料制造技术、整体挤压成型技术及厚板热处理工艺加以结合的理念，提供了一种全新的整体制造自升式平台桩腿承力弦杆桁架式结构物承力弦杆的制造方法。采用整体挤压方式制造的弦杆在挤压过程中处于三向应力状态，挤压成型的结构组织致密均匀，结构性能可靠性要高于传统半圆板与齿条板组焊形式，同时，材料利用率提高，简化了后续焊接工序，使得工艺流程短，提高生产制造效率，有效解决了目前通用制造方法中焊接工作量大、焊接工艺难度高、效率低，制造周期长等问题。
本发明整体挤压成型的自升式平台桩腿弦杆制造方法，与传统方法相比有以下优点：
1、采用挤压成型的方法一次成型，省略了半圆板与齿条板角接的四条焊缝，相比于传统的由2块半圆板与齿条板焊接而成的制造方式，大大降低了因焊接质量不合格而造成的返工、材料浪费等风险；
2、挤压成型的制造工艺流程较快，周期较短，大大降低了制造周期；整体挤压制造的弦杆，省略了半圆板与齿条板角接的四条焊缝，使得焊接工作量大大降低，对用户而言，仅需完成弦杆间的对接；同时由于弦杆的制造采用挤压方式，其成型速度较快，因而交货周期也大大缩短，对于用户而言均是降低制造周期的正面因素。
3、采用整体挤压方式制造的弦杆在挤压过程中处于三向应力状态，挤压成型的结构组织致密均匀，能够形成合理的纤维流线分布，结构强度可靠性高。        
4、合理的挤压及调质工艺保证了产品的外形尺寸精度更高，降低了因焊接变形造成的尺寸偏差风险。
优化后的弦杆在外形尺寸上，如齿条板最大宽度、最大厚度、半圆板外径等应基本与原截面保持一致，而截面积需基本等于原截面积，以保证整体挤压的结构的垂向承载能力不低于原结构，在X轴、Y轴方向的惯性矩Iz、Iy以及抗扭惯性矩In也需大于等于原结构，以保证结构件的各向抗弯、抗扭能力；焊接式弦杆的齿条板厚为178mm，板宽约为835mm，半圆板厚为82.5mm，直径约为444mm，其主要截面参数如下：截面积=1763.64cm2，Iz=310081.81cm4，Iy=257458.59cm4，In=393669.27cm4，整体挤压的弦杆外形尺寸与原截面基本一致，优化后的等效截面积=1781.31cm4， Iz=325032.98cm4 Iy=363503.87cm4，In=418330.9cm4，由此可知，挤压成型的弦杆截面积、X、Y平面惯性矩以及抗扭惯性矩等参数都优于原焊接式结构弦杆。
附图说明
图1是现有技术中的自升式平台桩腿或其他桁架式结构物弦杆截面示意图。
图2是本发明自升式平台桁架式桩腿弦杆整体挤压成型制造方法制造的等效弦杆截面示意图。
图3是本发明自升式平台桁架式桩腿弦杆整体挤压成型制造方法制造后成型的弦杆按截面强度等效方式切齿后的截面示意图。
图4是本发明自升式平台桁架式桩腿弦杆整体挤压成型制造方法挤压模具组合示意图。
图中：1、弦杆半圆板一，2、弦杆半圆板二，3、主承力板，4、挤压成型后的弦杆全截面，5、切齿，6、凸模压头，7、弦杆锻坯，8、挤压筒，9、挤压模，10、芯轴，11、垫板。
具体实施方式
本发明一种自升式平台桁架式桩腿整体挤压成型制造方法，其步骤为：
一、确定钢锭材料重量：在挤压制造前，根据所要制造的桩腿弦杆的截面积、长度设立模型，计算所需钢材材料总重量；桁架式自升式海洋平台桩腿是由弦杆及钢结构管组成的等边三角形或其他稳定几何形状的结构物，总长大都在100米以上，在施工建造时由长约8m至9m左右的许多分段逐段焊接而成，经过计算得到需要的挤压制坯料的重量为20吨，加上工艺需要炼钢铸锭的锭型为28吨；
二、制坯：
确定钢锭锭型及炼钢铸锭：确定弦杆长度后，经过计算确定需要的挤压制坯料的重量，确定炼钢铸锭的锭型为圆柱状24或28楞钢锭，采用优质生铁及钢屑进行真空电炉粗炼钢水及真空电炉精炼后浇铸钢锭，冷却后倒模脱锭；
钢锭蹾粗：去除钢锭水冒口后，加热钢锭至1200℃--1300℃，将钢锭水平横置于水压机或油压机砧台上，转动钢锭，并用压机砧头轻拍钢锭起楞处进行整形，直至钢锭成为正圆柱状，再将钢锭立放进行蹾粗，至钢锭长度为原锭身长度的1/2；
钢锭冲孔：使用φ300-φ500的冲孔砧头，快速压下，将实心钢锭芯部冲掉成为空心钢锭，并去除端部挂渣及毛刺；
锭身拔长及精整：将已完成冲孔的钢锭连同芯棒水平横置于压机砧台，穿入φ300mm—φ500mm的芯棒，操作机夹持并转动钢锭，用压机砧头沿钢锭圆周锻压锭身，进行拔长，平整上下端面后最终得到空心锻造坯料；锻造期间，如锻坯温度低于900 ℃时可回炉加热后再进行锻制。
三、模具准备：挤压模具按所需弦杆形状预先制造，模具分别为：挤压筒、垫板、挤压模、芯轴、凸模压头；挤压模具为组合式模具，包括挤压筒8、垫板11、挤压模9、芯轴10、凸模压头6；垫板7中间设有可通过挤压后的弦杆的通孔，垫板11上端边缘安有挤压筒8，挤压筒8内安有挤压模9；垫板11、挤压筒8、挤压模9组成一体，固定于挤压机上保持静止，芯轴9也相对于挤压筒6、垫板7、挤压模8保持轴向静止，保证弦杆内孔的同心度及弦杆的直线度。
四、整体挤压：将锻造坯料在加热炉中加热到1200℃出炉，放入专用成型模具中，在40000吨级以上的垂直压力机上，将所制坯料以匀速整体挤出。
五、整形矫直：弦杆整体挤出后，将整根弦杆天车吊至整形压力机上，趁挤压后的工件仍有余温，进行热矫直成型。
六、热处理调质：将整根工件加热至900℃以上并保温5小时，出炉后水冷淬火。回火时将工件加热至600℃-640 ℃，保温10小时，出炉进行冷却。
七、齿形加工：将成品弦杆安置在火焰切割机上根据齿形进行切齿加工。
实施例1
现根据400英尺自升式钻井平台的桩腿弦杆的制造为例进一步说明本制造方法：
一、确定钢锭材料重量：进行剖面参数的优化计算，如图1所示，为以焊接方式制造的弦杆组件典型截面形式，如图2所示，为挤压成型后的弦杆全截面形式；为保证整体制造的弦杆结构承载能力不低于焊接式结构，结构重量基本能保持不变或减轻，同时不影响与其相联的结构件整体尺寸有较大变动，通过计算得出9m弦杆，需要的挤压制坯料的重量约为20吨，加上工艺需要确定炼钢铸锭的锭型为28吨。
二、制坯：桁架式自升式海洋平台桩腿是由弦杆及钢结构管组成的等边三角形或其他稳定几何形状的结构物，总长大都在100米以上，在施工建造时由长约8m至9m左右的许多分段逐段焊接而成，弦杆是每个分段的主要承力结构件，每根弦杆长度也约为8m至9m。下面以长度9m的弦杆为例说明制坯过程：
确定锭型及炼钢铸锭：确定弦杆长度后，经过计算得到需要的挤压制坯料的重量为20吨，加上工艺需要炼钢铸锭的锭型为28吨圆柱状24楞钢锭，采用优质生铁及钢屑进行真空电炉粗炼钢水及真空电炉精炼后浇铸钢锭，冷却后倒模脱锭。
钢锭蹾粗：去除钢锭水冒口后，加热钢锭至1200℃，将钢锭水平横置于水压机或油压机砧台上，转动钢锭，并用压机砧头轻拍钢锭起楞处进行整形，直至钢锭成为正圆柱状，再将钢锭立放进行蹾粗，至钢锭长度为原锭身长度的1/2；
钢锭冲孔：采用φ300的冲孔砧头，快速压下，将实心钢锭芯部冲掉成为空心钢锭，并注意去除端部挂渣及毛刺；
锭身拔长及精整：将已完成冲孔的钢锭连同芯棒水平横置于压机砧台，穿入φ300mm的芯棒，操作机夹持并转动钢锭，用压机砧头沿钢锭圆周锻压锭身，进行拔长至锭身高为1600mm，平整上下端面后最终得到尺寸为外径φ1460/内孔φ304×高1570（mm）的空心锻造坯料。锻造期间，如锻坯温度低于900℃时可回炉加热后再进行锻制。
三、模具准备：挤压模具按所需弦杆形状预先制造，模具分别为：挤压筒、垫板、挤压模、芯轴、凸模压头；如图4所示，挤压模具为组合式模具，包括挤压筒8、垫板11、挤压模9、芯轴10、凸模压头6；垫板7中间设有可通过挤压后的弦杆的通孔，垫板11上端边缘安有挤压筒8，挤压筒8内安有挤压模9；垫板11、挤压筒8、挤压模9组成一体，固定于挤压机上保持静止，芯轴9也相对于挤压筒6、垫板7、挤压模8保持轴向静止，保证弦杆内孔的同心度及弦杆的直线度。
四、整体挤压：将锻造坯料在加热炉中加热到1200℃出炉，放入模具的挤压模9中，在40000吨级以上的垂直压力机上，将所制坯料以匀速整体挤出。凸模压头6随压机滑块移动下行，挤压弦杆锻坯7并使之产生均匀的塑性变形，最终成形为产品。
五、整形矫直：弦杆整体挤出后，将整根弦杆天车吊至整形压力机上，趁挤压后的工件仍有余温，进行热矫直成型。
六、热处理调质：根据弦杆材料所要求的各种强度、低温冲击等各项性能指标，确定淬火及回火工艺，淬火时将整根工件加热至900℃以上并保温5小时，出炉后水冷淬火。回火时需将工件加热至600℃-640 ℃，并保温10小时，出炉进行冷却。
七、齿形加工：成品弦杆需要根据需要，如具体结构要求完成切齿加工，则需在火焰切割机上完成切齿，最终得到如图3所示的截面形状的弦杆产品。

Claims (2)

1.一种自升式平台桁架式桩腿弦杆整体挤压成型制造方法，其特征是：其步骤为：
一、确定钢锭材料重量：在挤压制造前，根据所要制造的桩腿弦杆的截面积、长度设立模型，计算所需钢材材料总重量；桁架式自升式海洋平台桩腿是由弦杆及钢结构管组成的等边三角形或其他稳定几何形状的结构物，总长大都在100米以上，在施工建造时由长约8m至9m左右的许多分段逐段焊接而成，经过计算得到需要的挤压制坯料的重量为20吨，加上工艺需要炼钢铸锭的锭型为28吨；
二、制坯：
确定钢锭锭型及炼钢铸锭：确定弦杆长度后，经过计算确定需要的挤压制坯料的重量，确定炼钢铸锭的锭型为圆柱状24或28楞钢锭，采用优质生铁及钢屑进行真空电炉粗炼钢水及真空电炉精炼后浇铸钢锭，冷却后倒模脱锭；
钢锭蹾粗：去除钢锭水冒口后，加热钢锭至1200℃--1300℃，将钢锭水平横置于水压机或油压机砧台上，转动钢锭，并用压机砧头轻拍钢锭起楞处进行整形，直至钢锭成为正圆柱状，再将钢锭立放进行蹾粗，至钢锭长度为原锭身长度的1/2；
钢锭冲孔：使用φ300-φ500的冲孔砧头，快速压下，将实心钢锭芯部冲掉成为空心钢锭，并去除端部挂渣及毛刺；
锭身拔长及精整：将已完成冲孔的钢锭连同芯棒水平横置于压机砧台，穿入φ300mm—φ500mm的芯棒，操作机夹持并转动钢锭，用压机砧头沿钢锭圆周锻压锭身，进行拔长，平整上下端面后最终得到空心锻造坯料；锻造期间，如锻坯温度低于900 ℃时可回炉加热后再进行锻制；
三、模具准备：挤压模具按所需弦杆形状预先制造，模具分别为：挤压筒、垫板、挤压模、芯轴、凸模压头；挤压模具为组合式模具，包括挤压筒（8）、垫板（11）、挤压模（9）、芯轴（10）、凸模压头（6）；垫板（7）中间设有可通过挤压后的弦杆的通孔，垫板（11）上端边缘安有挤压筒（8），挤压筒（8）内安有挤压模（9）；垫板（11）、挤压筒（8）、挤压模（9）组成一体，固定于挤压机上保持静止，芯轴（9）也相对于挤压筒（6）、垫板（7）、挤压模（8）保持轴向静止，保证弦杆内孔的同心度及弦杆的直线度；
四、整体挤压：将锻造坯料在加热炉中加热到1200℃出炉，放入专用成型模具中，在40000吨级以上的垂直压力机上，将所制坯料以匀速整体挤出；
五、整形矫直：弦杆整体挤出后，将整根弦杆天车吊至整形压力机上，趁挤压后的工件仍有余温，进行热矫直成型；
六、热处理调质：将整根工件加热至900℃以上并保温5小时，出炉后水冷淬火；
回火时将工件加热至600℃-640 ℃，保温10小时，出炉进行冷却；
七、齿形加工：将成品弦杆安置在火焰切割机上根据齿形进行切齿加工。
2.根据权利要求1所述的一种自升式平台桁架式桩腿弦杆整体挤压成型制造方法，其特征是：一、确定钢锭材料重量：进行剖面参数的优化计算；为保证整体制造的弦杆结构承载能力不低于焊接式结构，结构重量基本能保持不变或减轻，同时不影响与其相联的结构件整体尺寸有较大变动，通过计算得出9m弦杆，需要的挤压制坯料的重量约为20吨，加上工艺需要确定炼钢铸锭的锭型为28吨；
二、制坯：桁架式自升式海洋平台桩腿是由弦杆及钢结构管组成的等边三角形或其他稳定几何形状的结构物，总长大都在100米以上，在施工建造时由长约8m至9m左右的许多分段逐段焊接而成，弦杆是每个分段的主要承力结构件，每根弦杆长度也约为8m至9m；
下面以长度9m的弦杆为例说明制坯过程：
确定锭型及炼钢铸锭：确定弦杆长度后，经过计算得到需要的挤压制坯料的重量为20吨，加上工艺需要炼钢铸锭的锭型为28吨圆柱状24楞钢锭，采用优质生铁及钢屑进行真空电炉粗炼钢水及真空电炉精炼后浇铸钢锭，冷却后倒模脱锭；
钢锭蹾粗：去除钢锭水冒口后，加热钢锭至1200℃，将钢锭水平横置于水压机或油压机砧台上，转动钢锭，并用压机砧头轻拍钢锭起楞处进行整形，直至钢锭成为正圆柱状，再将钢锭立放进行蹾粗，至钢锭长度为原锭身长度的1/2；
钢锭冲孔：采用φ300的冲孔砧头，快速压下，将实心钢锭芯部冲掉成为空心钢锭，并注意去除端部挂渣及毛刺；
锭身拔长及精整：将已完成冲孔的钢锭连同芯棒水平横置于压机砧台，穿入φ300mm的芯棒，操作机夹持并转动钢锭，用压机砧头沿钢锭圆周锻压锭身，进行拔长至锭身高为1600mm，平整上下端面后最终得到尺寸为外径φ1460/内孔φ304×高1570（mm）的空心锻造坯料；
锻造期间，如锻坯温度低于900℃时可回炉加热后再进行锻制；
三、模具准备：挤压模具按所需弦杆形状预先制造，模具分别为：挤压筒、垫板、挤压模、芯轴、凸模压头；挤压模具为组合式模具，包括挤压筒（8）、垫板（11）、挤压模（9）、芯轴（10）、凸模压头（6）；垫板（7）中间设有可通过挤压后的弦杆的通孔，垫板（11）上端边缘安有挤压筒（8），挤压筒（8）内安有挤压模（9）；垫板（11）、挤压筒（8）、挤压模（9）组成一体，固定于挤压机上保持静止，芯轴（9）也相对于挤压筒（6）、垫板（7）、挤压模（8）保持轴向静止，保证弦杆内孔的同心度及弦杆的直线度；
四、整体挤压：将锻造坯料在加热炉中加热到1200℃出炉，放入模具的挤压模（9）中，在40000吨级以上的垂直压力机上，将所制坯料以匀速整体挤出；
凸模压头（6）随压机滑块移动下行，挤压弦杆锻坯（7）并使之产生均匀的塑性变形，最终成形为产品；
五、整形矫直：弦杆整体挤出后，将整根弦杆天车吊至整形压力机上，趁挤压后的工件仍有余温，进行热矫直成型；
六、热处理调质：根据弦杆材料所要求的各种强度、低温冲击等各项性能指标，确定淬火及回火工艺，淬火时将整根工件加热至900℃以上并保温5小时，出炉后水冷淬火；
回火时需将工件加热至600℃-640 ℃，并保温10小时，出炉进行冷却；
七、齿形加工：成品弦杆需要根据需要，如具体结构要求完成切齿加工，则需在火焰切割机上完成切齿，最终得到弦杆产品。
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