輸電塔大直徑鋼管與內(nèi)外圈螺孔法蘭焊接變形控制技術(shù)

戴剛平，王淑紅，包鎮(zhèn)回，張國勛

(1.浙江省送變電工程公司，杭州市，310016;2.浙江火電建設(shè)公司，杭州市，310016)

0 引言

螺頭水道大跨越段是舟山與大陸聯(lián)網(wǎng)輸電線路工程的主要部分，其中2基370 m高塔分別位于大貓山島和涼帽山島上。該區(qū)域設(shè)計風(fēng)速高達(dá)42 m/s，設(shè)計檔距達(dá)到2756 km，高塔主材構(gòu)件內(nèi)力極大，此高塔全高370 m，總質(zhì)量5999 t。塔身結(jié)構(gòu)為四方形，塔腳水平根開61.62 m，塔身主管正側(cè)面坡比均為1/0.08。塔身及法蘭全部采用Q345B鋼，其0～212 m 高度主管直徑分別為 2.0、1.9、1.8 m，壁厚均為25 mm，單根鋼管最大質(zhì)量9 t［1-3］。主管連接采用有筋法蘭焊接結(jié)構(gòu)，為配合鍍鋅槽尺寸(寬度小于3 m)，設(shè)計采用內(nèi)外雙圈孔法蘭新型連接方式，法蘭最大直徑達(dá)2330 mm，法蘭厚度為40 mm，為保證焊縫全焊透，自制主管兩端頭必須開坡口，且圓度要求控制在10 mm以內(nèi)［4-5］。為增加主管剛性，鋼管內(nèi)部還需焊接環(huán)向及縱向加強(qiáng)筋，并與斷面為900 mm×900 mm的角鋼結(jié)構(gòu)骨架相連，設(shè)計要求整個平面的變形控制在2.0 mm以內(nèi)［6］，因此控制其焊接變形的難度很大。本文對輸電塔大直徑鋼管與外圈螺孔法蘭焊接工藝進(jìn)行了總結(jié)，以期為大直徑鋼管與法蘭焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 焊接關(guān)鍵技術(shù)

1.1 預(yù)防變形的措施

(1)運(yùn)用反變形原理［7］，預(yù)先在法蘭的內(nèi)、外表面車削去1～2 mm作為焊縫的預(yù)收縮量。

(2)下料尺寸力求精確，避免對口尺寸過大。

(3)從收縮力來考慮坡口的大小，鋼管外側(cè)坡口大小為內(nèi)側(cè)坡口的2/3左右。如鋼管壁厚為25 mm時，內(nèi)法蘭側(cè)的管子加工坡口角度為40°，長度為15 mm;外側(cè)管子的坡口角度為40°，長度為10 mm。這時，鋼管內(nèi)、外側(cè)焊縫金屬的填充量大小不一，內(nèi)側(cè)法蘭無法收縮，填充量大一些，外側(cè)法蘭完全處于自由變形，焊接填充量應(yīng)小一些，這樣才能保證根部焊透焊接變形小。T型坡口加工及焊縫布置圖以壁厚25 mm的鋼管為例，如圖1所示。

圖1 T型坡口加工及焊縫布置Fig.1 Sketch of T-type groove processing and welding line position

(4)制定焊接順序。焊接時先焊內(nèi)側(cè)焊縫，應(yīng)為60% ～70%的收縮變形產(chǎn)生于第1道焊縫，然后再焊外側(cè)焊縫，采用相同方向焊接，第1層焊縫采用小線能量，這樣變形就小得多。

1.2 加工順序

(1)過去采用筋板固定來防止法蘭變形，此工藝沿用了20年，變形小了但焊縫成型差，殘余應(yīng)力大且焊縫接頭多焊縫不連續(xù)，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)焊接方法Fig.2 Traditional welding method

(2)新方法由于法蘭外圈焊接時無加筋板作為剛性固定，焊件處于自由狀態(tài)，焊后的殘余應(yīng)力峰值較低，新的加工程序是先焊環(huán)縫待環(huán)縫焊接結(jié)束后再焊接筋板，如圖3所示。

1.3 焊接新工藝

圖3 新焊接方法Fig.3 New welding method

對于大直徑構(gòu)件，若采用傳統(tǒng)的手工電弧焊、CO2氣體保護(hù)半自動焊工藝，則有焊工勞動強(qiáng)度大、質(zhì)量不穩(wěn)定、工作效率低，同時焊后變形大等問題。

采用細(xì)絲混合氣體(Ar85%、CO215%)保護(hù)自動焊接新工藝，該工藝為低氫焊接工藝，能獲得較高的焊縫沖擊韌性，同時獲得穩(wěn)定的質(zhì)量并提高工效。由于采用φ1.2 mm的細(xì)絲以及快速焊接，焊接區(qū)的線能量大大減小，焊接變形得到了有效控制。焊接設(shè)備為ATMB－500，焊絲型號為ER50－6，最大焊接線能量為12.4 kJ/cm，焊接方法為自動混合氣體保護(hù)焊。焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 細(xì)絲混合氣體保護(hù)自動焊接工藝參數(shù)Tab.1 Welding technique parameters of fine wire mixing gas shield

2 焊接操作要點

2.1 控制焊接變形的技術(shù)交底

技術(shù)交底包括:

(1)焊接要點(工藝流程、步驟、變形控制點等)。

(2)焊工需具備的變形控制特殊要求。

(3)相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量要求。

(4)有關(guān)的機(jī)工具和測量設(shè)備。

(5)安全措施等。

2.2 焊前準(zhǔn)備

(1)坡口的加工，焊件的清理、組對，定位焊等必須符合相應(yīng)的《焊接工藝卡》的規(guī)定要求。

(2)應(yīng)按設(shè)計要求進(jìn)行加工，坡口尺寸不得隨意更改，如有變更必須同設(shè)計人員及技術(shù)人員聯(lián)系，并征得其同意。

(3)坡口應(yīng)用刨床或坡口機(jī)進(jìn)行加工，當(dāng)某些工件不能用刨床和坡口機(jī)加工時，可用熱加工方式加工(氣割、等離子切割)，加工時應(yīng)留有加工余量，然后對坡口及周圍的氧化皮、油污、鐵銹等進(jìn)行清理，應(yīng)打磨直至待焊接區(qū)裸露出金屬光澤［1］。

2.3 定位焊

(1)定位焊時直接點固在法蘭與鋼管連接的坡口內(nèi)。

(2)法蘭與鋼管定位焊采用手工混合氣體保護(hù)焊焊接方法，所采用的焊接材料、工藝參數(shù)應(yīng)與正式焊接的材料、工藝參數(shù)相同。

(3)推薦的定位焊長度為30～50 mm，間隔為100～150 mm。定位焊接時，嚴(yán)禁在焊接坡口以外的母材上引弧，熄弧時應(yīng)將弧坑填滿。

2.4 打底焊

(1)首先對法蘭管口內(nèi)側(cè)整個T型焊縫環(huán)向進(jìn)行半自動或全自動混合氣體保護(hù)打底焊。

(2)整個焊件打底完成后，立即進(jìn)行背部清根并使坡口尺寸符合要求。

(3)嚴(yán)格按照工藝流程圖順序及焊接工藝進(jìn)行焊接。

2.5 焊接作業(yè)的順序

(1)采用全自動細(xì)絲混合氣體保護(hù)焊焊接方法進(jìn)行各個焊層、焊道的順序焊接。

(2)每層每道焊縫焊接完畢后，應(yīng)用砂輪機(jī)或鋼絲刷等將焊渣、飛濺等雜物清理(尤其注意中間接頭和坡口邊緣)干凈后，方可焊接下1層或下1道。

2.6 雙面焊接

(1)單側(cè)焊接后應(yīng)用碳弧氣刨或砂輪進(jìn)行背面清根，將焊在清根側(cè)的定位焊縫金屬清除。

(2)如用碳弧氣刨清根，清根后應(yīng)用角向磨光機(jī)修整刨槽。

(3)為加快焊接速度采用雙面焊接，雙面焊接時應(yīng)更加嚴(yán)格控制焊接程序、焊接熱輸入。

2.7 手工混合氣體保護(hù)焊

(1)引弧時，先將焊槍噴嘴與工件保持正常的距離，且使焊絲端頭距工件表面2～4 mm，隨后按動開關(guān)，完成送氣、供電和送絲。

(2)焊接結(jié)束收弧時，釋放開關(guān)，同時保持焊槍到工件距離不變，待停氣后，再移開焊槍。

(3)坡口形狀、尺寸允許偏差和焊接電流、焊接電壓、焊接速度、焊接層次、焊接順序等與前相同。

2.8 全自動細(xì)絲混合氣體保護(hù)焊

(1)坡口形狀、尺寸允許偏差與手工焊條電弧焊、半自動焊時基本相同。

(2)焊接電流、焊接電壓、焊接速度等按壁厚、坡口角度預(yù)先由焊接操作工按工藝卡設(shè)定。

(3)焊接層次、焊接順序等按照相對應(yīng)的工藝卡。

(4)引弧和滅弧在坡口內(nèi)按設(shè)定自動進(jìn)行。

2.9 加強(qiáng)筋板的焊接

(1)法蘭與鋼管焊接完畢多少都會出現(xiàn)變形，這些焊接必須可采用氧－乙炔火焰矯正法蘭部位的變形，直至變形值符合設(shè)計規(guī)定的尺寸。

(2)加強(qiáng)筋板的焊接應(yīng)采用同一方向的對稱焊，防止鋼管T型接頭再次發(fā)生焊接變形。

(3)加強(qiáng)筋板焊接應(yīng)注意筋板端部收弧的焊接質(zhì)量。

2.10 其他

(1)采取主管制管鋼板下料預(yù)留焊接收縮量、提高下料精度以及法蘭焊接反變形等多種措施和手段，進(jìn)一步控制了焊接變形同時保證了加工精度。

(2)在防止法蘭焊接變形上，不僅對外購法蘭板提高了技術(shù)要求，還自制了防法蘭變形剛性模具，并在操作中及時測量并調(diào)整焊接順序。最終法蘭變形得到很好的控制，經(jīng)檢驗大法蘭在組裝中的連接面局部間隙最大未超過設(shè)計要求的2.0 mm［1］。

3 焊接工藝特點

3.1 焊接變形小

通過多次實踐，掌握了將要發(fā)生焊接區(qū)變形量的大小、方向和數(shù)據(jù)，通過預(yù)先設(shè)計反變形的尺寸、形狀，成功地在待焊大型法蘭的表面預(yù)制了1個焊接變形的剛性模型，并規(guī)定了下料要求、坡口尺寸、焊接順序等技術(shù)要點，在焊前進(jìn)行預(yù)控，使焊接連續(xù)不中斷地一步成形。

3.2 焊接時不中斷，焊縫成形美觀，保證根部焊透

由于管子勻速轉(zhuǎn)動，焊縫一氣呵成，各種管徑的整個環(huán)形焊縫法蘭與管子焊接僅1個接頭而已，并且采用細(xì)絲混合氣體保護(hù)自動焊接新工藝，能保證根部焊透，表面成型美觀，整體焊縫連續(xù)無中斷，能確保焊縫表面Ⅱ級的成型要求。

3.3 明顯提高工效

由于采用預(yù)變形措施有效地防止了法蘭變形，節(jié)省了鋼模板制作及加熱矯正等費(fèi)用。采用焊接新工藝連續(xù)焊接，使焊接速度加快，大大地提高了生產(chǎn)效率。

4 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)的承重能力和穩(wěn)定性在于變形的控制，采用大直徑鋼管法蘭T型焊接結(jié)構(gòu)制作新技術(shù)，可快速高效地保證質(zhì)量，提高特高壓鋼管塔制造速度和產(chǎn)品的精度，這一技術(shù)產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)及社會效益。經(jīng)過舟山跨海工程大貓山、涼帽山2基370 m高塔的施工實踐，證明了該控制焊接變形技術(shù)的可行性，有助于輸電線路高塔大直徑鋼管與內(nèi)外圈螺栓法蘭焊接新型鋼結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。

［1］張弓，邱強(qiáng)華，葉建云，等.舟山與大陸聯(lián)網(wǎng)輸電線路工程螺頭水道大跨越架線施工方案［J］.電力建設(shè)，2011，32(8):116-121.

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［7］JGJ 81—2002建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.