钢结构焊接
IFWT 2006 钢结构焊接国际论坛 三峡水利枢纽永久船闸第一闸首2×2500kN
双向桥机轨道梁焊接
翦文斌 贺 彬 周思国 曾 辉
(中国水电八局机电制造安装分局 长沙 410007)
摘要:根据传统的焊接经验,箱形结构钢梁焊接后极易出现扭曲、侧弯、拱度及腹板波浪度超
标等问题。该钢梁因外形尺寸巨大,焊接变形控制难度更大。若焊接工艺制定不合理,焊接变
形控制措施不当,更加容易出现上述问题。
关键词:三峡水利枢纽 永久船闸 桥机轨道梁 整体焊接
Abstract: After welding for steel trunk beam, it is easily occurred such as distortions, side bend camber and wave deformation on web plates, which is over acceptance criteria according to traditional experience. The steel trunk beam for the three gorges shiplock is very huge, so it is more difficult to control the welding distortions. Above motioned deformation are more easily occurred if welding procedures are not appropriate and methods of welding distortion controlling are unsuitable.
Key words: Three Gorges Project,Permanent shiplock,Steel trunk beam,Welding wholly
0 前言
三峡水利枢纽工程位于宜昌三斗坪镇,是国内最大的水利水电枢纽工程。永久船闸为双线连续五级,布置在枢纽左岸。其中,三峡水利枢纽永久船闸第一闸首2×2500kN双向桥机轨道梁位于船闸第五标段,共计16根,每根重量为105.67t。其几何尺寸为40000mm×1700mm×4000mm,在水电系统来说堪称“水电第一梁”。此轨道梁在制作过程中具有如下特点:
1)钢梁整体拼装成形,整体焊接。
2)钢梁为箱形结构,内部结构设计复杂。
3)在全自由状态下进行焊接。
4)焊接工作量大,焊缝全长2086m。
5)腹板薄,最厚为δ =18mm。
6)焊后尺寸要求高,侧弯≤8mm,腹板局部波浪度≤5mm。
针对以上特点,为了有效控制焊接变形,保证焊接质量,我们制定了详细的焊接施工措施。通过1#、2# 梁的焊接,取得了一定的成绩,也得到了一定的经验,现详述如下,以供同仁参考并指正。
钢结构焊接国际论坛 IFWT 2006 1 焊接变形控制难点分析
根据传统的焊接经验,箱形结构的钢梁焊接后极易出现扭曲、侧弯、拱度及腹板波浪度超标等问题。该钢梁因外形尺寸巨大,焊接变形控制难度更大。若焊接工艺制定不合理,以及焊接变形控制措施不当,更容易出现上述问题,具体分析如下:
1)钢梁长度达40m,纵向焊缝的微小不均匀收缩,将导致钢梁侧弯、拱度超标,特别是容易出现扭曲。
2)腹板高度达到4m,焊接过程中通过钢梁四角上的组合焊缝的收缩控制钢梁拱度的难度增大。
3)整个钢梁85%的焊接量集中在中性轴以下,该部分焊缝的收缩将导致钢梁朝拱度要求相反的方向变化。
4)钢梁内焊缝密集,而腹板厚度小,焊接后极易产生较大的波浪度。
5)综合考虑整个钢梁的长度、宽度、高度,属于细长型结构,整体刚性小,焊接变形控制的难度大,必须辅以全面的焊接监测。
2 焊接方法的选择
针对轨道梁的制作技术要求及实际生产要求,综合考虑各种焊接方法的优缺点,我们决定全部采用半自动CO2气体保护焊,以期利用CO2气体保护焊方法熔深大,焊接热影响区小,以及焊接变形小的特点,达到控制钢梁焊后尺寸的目的。仅对不便于CO2气体保护焊操作的狭小空间位置,采用焊条电弧焊。
3 焊接工艺简介
3.1 焊接材料的选择
轨道梁的制作材料为Q345B、Q345C和16Mn,在半自动CO2气体保护焊时可采用H08Mn2SiA焊丝;在焊条电弧焊时采用E5015—G的焊条即可满足设计要求。
3.2 焊接准备
1)我们在焊前派专人对焊条进行烘烤和分发,且确保焊条在烘烤箱中以350~400℃或按焊条说明书上指定的温度烘烤1~2h,在100~150℃下保温,随用随取,以免焊条受潮,影响焊接性能和焊接质量。
2)焊丝在使用前进行检查,对出现有油污、铁锈的焊丝,必须剔除不用;焊接前,焊缝坡口及焊缝两侧10mm范围用角磨机打磨干净,避免在焊接时造成气孔等缺陷。。
3)为避免焊接时定位焊炸裂,造成几何尺寸的改变,焊接之前先对轨道梁进行定位焊加固。定位焊的长度为50mm以上,每段厚度不超过正式焊缝的1/2,且最厚不超过8mm;每段焊缝间距为100~400mm。加固完后进行仔细的检查,避免出现漏加的现象(注:定位焊的引弧和熄弧在坡口内,严禁在母材的其他部位引弧)。
4)对于板厚为36mm的翼缘对接缝,根据技术要求焊前需预热,预热温度为80~100
℃。
IFWT 2006 钢结构焊接国际论坛 预热时应缓慢均匀升温,预热区的宽度为焊缝中心线往两侧各3倍的板厚。温度测量时,其测量点每米不少于3点。
3.3 焊接顺序
为便于叙述起见,将轨道梁的中间部分以大隔板为准分为11个单元格,如图1所示。
3.3.1 焊接隔板的立焊
施焊时,由12名焊工同时焊接轨道梁的所有大隔板位置的立焊。焊接大隔板的立焊按
一、三、五、七、九、十一、二、四、六、八、十的顺序跳焊。每块大隔板的立焊由2名焊工在两侧对称焊接,同时我们将每块大隔板的立焊又分5部分,先焊中间部分,后跳焊其他部分。大隔板焊完之后再焊每格中隔板、小隔板和纵向加强筋的立焊。焊接中隔板、小隔板立焊,具体的顺序如图2所示。
图 1
图 2
图2所示为一个单元格结构形式,1、2、4、5为小隔板。每格安排2名焊工,按隔板3→1→5→2→4的顺序焊接。每块隔板安排2名焊工在两腹板侧对称跳焊。立焊完后,通过测量,各几何尺寸没明显的变化,腹板的局部不平度也在2mm的范围内。
3.3.2 焊接角钢的仰角焊和平角焊
焊接人员的布置同上所叙,焊接时,每格先焊上层的角钢,而后焊下层的角钢。焊每层角钢时先仰焊,然后平焊。每隔派2名焊工在腹板两侧同时对称跳焊,分段长度550mm左右为宜。焊接的顺序与上相同。
3.3.3 焊接隔板与下翼缘的平角焊缝
该钢梁隔板数量多,所有平角焊缝的横向收缩累加,将产生严重的下挠。因此,我们
钢结构焊接国际论坛 IFWT 2006 将焊接人员减少为6人,焊接时按一、三、五、七、九、十一、二、四、六、八、十的顺序跳焊。在每个单元格内先焊大隔板的平角焊缝,再焊中隔板的平角焊缝,最后焊小隔板的平角焊缝。同一单元格内的隔板平焊焊接时也进行跳焊,跳焊的顺序同上。
3.3.4 焊接腹板与下翼缘的仰角焊
焊接人员为8人,左右各4人。焊接时从中间往两头分段,左右两侧严格对称跳焊。因为角仰焊坡口在内,焊接时先焊轨道梁内的角仰焊,气刨清根后焊轨道梁外侧的角仰焊。(注:外侧的仰角焊待腹板与上翼缘内侧的平角焊焊完统一清根后再焊)。
3.3.5 焊接腹板与上翼缘的平角焊
焊接人员数和布置同上所述。
3.3.6 焊接轨道梁两端头剩余焊缝
轨道梁中间部分焊完后检查轨道梁的焊接收缩情况,整体梁只收缩5mm,我们将两支承位置的隔板朝两端移动2.5mm,支承座定到标准位置,最后焊接剩余部分。其顺序和要求同上所述。
4 轨道梁焊缝的分类及探伤要求
4.1 一类焊缝
上、下翼缘和腹板的对接焊缝及支座加强板和腹板连接的角焊缝,进行100%UT检测。轨道梁的横向对接缝还必须做射线探伤检查,探伤的比例为25%。
4.2 二类焊缝
上、下翼缘板与腹板间的组合焊缝,实行50%的UT探伤。其余为三类焊缝。
4.3 外观质量
所有的焊缝必须进行外观检查,外观的质量应符合DL / T5018规定。
5 焊接变形控制方案
5.1 焊接变形控制难点分析与对策
因为轨道梁的几何尺寸大且是整体焊接,在焊接过程中,关键是要控制梁的扭曲、拱度、侧面直线度、腹板波浪度。其具体设计要求值见表1。
表 1 扭曲/mm
≤2 侧面直线度/mm 上拱度/mm 翼缘平面度/mm
≤2 ≤−2.5~+10)
在焊接过程中,为了保证以上要求,我们采取如下一些措施。
5.1.1 钢梁拱度的控制
该钢梁拱度的控制,难度在于钢梁85%的焊接量集中在钢梁中性轴以下,该部分焊缝的纵、横向收缩将使钢梁产生与设计及工作状态下方向相反的拱度。为此,我们采取以下措施解决这个难点:
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(1)预制钢梁拱度 为了满足上拱度要求,在制作下料时,首先对轨道梁的腹板预置了一定的上拱度,预置值为32mm。同时预置一曲线胎膜,使其与钢梁上拱度曲线一致,拼装时,将轨道梁上翼缘在下,放在预先做好的胎膜上。这样大大减少了通过焊接控制钢梁拱度的难度。
(2)调整隔板平焊顺序控制 上翼缘的角焊缝的横向收缩,将使轨道梁产生严重的下挠,与工作状态下的拱度要求正好相反。实际焊接时,我们规定每一条焊缝分三道焊完,每一道均按前文中所述顺序跳焊,这样既控制了焊接进度,也有效地控制了钢梁翼缘的层间温度,达到了控制挠度的目的。
(3)钢梁组合焊缝顺序控制 钢梁上下翼缘与钢梁腹板的组合焊缝焊接量大,也将影响钢梁的拱度。具体来说,钢梁腹板与下翼缘的组合焊缝的纵向收缩将使钢梁拱度增加;钢梁腹板与上翼缘的组合焊缝的纵向收缩将使钢梁拱度减小。焊接时,我们先将腹板与下翼缘的组合焊缝内外全部焊接完成,在加强了钢梁的刚性后,再焊接腹板与上翼缘的组合焊缝,达到控制钢梁拱度的目的。
5.1.2 钢梁扭曲及侧弯控制
对于轨道钢梁的侧弯及扭曲控制,关键在于使钢梁左右两侧的焊接收缩量尽量相等且尽量同步收缩。我们主要采取以下措施来控制:
(1)隔板与腹板立焊焊接顺序控制 所有隔板与腹板的立焊缝的横向收缩,将使钢梁腹板长度缩短,该缩短量不相等或不同步时,钢梁将产生严重弯曲甚至扭曲。因此,焊接时,每一块隔板两侧的立焊缝必须左右严格同步对称焊接。
(2)钢梁组合焊缝焊接顺序控制 钢梁腹板与翼缘的组合焊缝,两侧纵向收缩不相等或收缩不同步时,钢梁将产生侧弯或扭曲。因此,焊接过程中,我们严格控制左右同步焊接该组合焊缝。
(3)钢梁隔板与翼缘平角焊缝焊接方向控制 根据焊接变形收缩理论,焊缝始焊端的变形将小于末焊端的变形。因此,若所有的隔板与上翼缘的角焊缝朝一个方向焊接,钢梁将产生如图3所示的侧弯(图中箭头表示焊接方向)。
图 3
严重时,该侧弯将达到30mm以上。因此,对同一隔板两侧的焊缝,我们采用相反的焊接方向,有效地防止了钢梁的侧弯,如图4所示。
图 4
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5.1.3 钢梁腹板及翼缘板波浪度控制
钢梁内所有隔板与腹板及翼缘板的连接焊缝均为角焊缝。因此,控制钢梁腹板及翼缘板波浪度的关键在于:①焊缝层间温度不能过高,避免母材高温时间过长,②角接焊缝不能有间隙。为此,我们采取以下措施进行控制:
1)严格杜绝在双面角焊缝两侧同时焊接,避免母材温度过高。
2)所有隔板均采用机加工,以使其与腹板连接时无间隙。
3)所有长焊缝,为避免末焊端的变形大于始焊端的变形,均采用分段跳焊或分段退步焊方法焊接。
5.1.4 钢梁整体长度控制
轨道梁两支承座到轨道梁中心的距离,是钢梁长度控制的关键尺寸。而钢梁长度设计达40000mm,且采用的是整体焊接方案,很难通过焊接控制钢梁的整体收缩量,其最终收缩量也不易准确估算。因此,我们在制作时采取以下方案进行钢梁长度的精确控制:第一步焊接时,轨道梁两端头支承部分暂不焊接,待轨道梁中间部分焊完之后,测量轨道梁焊接后的收缩情况,根据钢梁中心定出两支承座面的准确位置,再焊接梁的两端头。
5.2 实际过程控制和顺序调整
焊接过程中,我们每天在规定的时间用水平仪、经纬仪来检测轨道梁的扭曲、上拱度和侧面直线度,根据所测的结果及时调整焊接顺序、焊接规范和焊接人数,以使轨道梁的焊接变形控制在最小。
在1# 梁的焊接之前,其轨道梁的侧弯就已向上游弯曲了6.5mm,如果在焊接过程中轨道梁继续向上游弯曲,就可能出现超出规范要求,焊后此梁就成为不合格产品。为了在焊后使轨道梁的侧弯减小,在焊接时必须调整焊接顺序。在轨道梁焊接中,直接影响轨道梁侧弯值的主要是腹板和翼缘板之间的组合焊缝。为此,在实际焊接时我们将焊接顺序、焊接人员进行了以下调整:
1)进行不对称焊接,在上游侧安排5人,在下游侧安排3人。
2)两侧采用不同的焊接方法,在上游侧采用焊条电弧焊焊接,在下游侧采用CO2气体保护焊焊接。
焊后测量,轨道梁的侧弯值已减为3.5mm,达到了预期的效果。
总的来说,由于在实际进行钢梁焊接控制时,我们预先制定了严谨的焊接顺序及严格的变形控制措施,并大部分采用了焊接变形较小的CO2保护焊方法,加强了现场的工艺纪律控制,使轨道梁的焊接变形基本上按照预先的设想顺利进行;同时,制定了全面细致的焊接监测方案,随时掌握钢梁的变形情况,一旦出现异常情况,及时分析原因所在,采取合理的处理措施,使轨道梁的焊接取得了成功。
6 焊后处理
焊后处理是指对δ =36mm的翼缘对接板焊后实行消氢处理,即焊后立即进行后热,后热温度为250~350℃,保温1~2h。
IFWT 2006 钢结构焊接国际论坛 7 焊接结果分析
1)在1#轨道梁的焊接施工过程中,因严格按制定的焊接工艺执行,其焊后的几何参数都达到了预期效果。焊前与焊后各参数对比见表2。
表 2 扭曲
状态
/mm
焊前
焊后 /mm /mm /mm 侧面直线度 翼缘平面度 上拱度
32 33.5
2)因焊接时几乎全是CO2气体保护焊,焊缝美观,腹板没有明显的“豆腐块”现象,腹板局部不平度均在规范要求内。
3)内部质量检查中,一类焊缝共计26m,一次合格率达到了100%;二类焊缝共计320m,合格率也达到了97.6%。
经过水电专家的评审,一致认为1# 轨道梁焊后各几何尺寸都满足技术规范要求,各几何参数达到了优良。