塔式鍋爐疊合式大板梁制作要點(diǎn)

謝 娜

(中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)，北京 100088)

近年來，我國電站鍋爐行業(yè)發(fā)展迅速，在國內(nèi)外建立運(yùn)行了大量的超大型電站，電站鍋爐日益朝著節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展[1-2]。從電站鍋爐的整體布置形式看，這些大型電站有П形布置，也有塔式布置[3]。大型塔式布置的鍋爐鋼結(jié)構(gòu)頂板大板梁，由于載荷巨大，造成大板梁的截面也非常大，并且由于結(jié)構(gòu)受力很大，以及構(gòu)件的不可替換性，其重要性不言而喻。

大板梁是電廠鍋爐鋼結(jié)構(gòu)中的主要受力構(gòu)件：鍋爐本體載荷通過吊桿傳到鍋爐鋼結(jié)構(gòu)頂板吊點(diǎn)梁上，由吊點(diǎn)梁傳到大板梁；通過大板梁將載荷傳至鍋爐主體鋼柱，由鋼柱傳到基座。隨著國內(nèi)外火電廠單臺(tái)裝機(jī)容量的增大，鍋爐鋼結(jié)構(gòu)中的大板梁設(shè)計(jì)尺寸及質(zhì)量也越來越大。由于大板梁超長、超高、超重的特點(diǎn)，其整體制造、安裝和運(yùn)輸均不方便，故將大板梁設(shè)計(jì)成通過高強(qiáng)螺栓將上梁和下梁連接在一起的疊合式大板梁(簡稱疊梁)結(jié)構(gòu)，最終在安裝過程中，通過中間法蘭面的高強(qiáng)螺栓連接成整體受力構(gòu)件。

筆者將某1 000 MW電廠塔式鍋爐大板梁作為研究對(duì)象，研究了疊梁的制作方法，為此類大型復(fù)雜構(gòu)件的制作提供了參考。塔式鍋爐疊梁由上下2根實(shí)腹式焊接H形梁組合而成，制作難度較高，其疊合面螺栓孔的對(duì)接、厚板焊接技術(shù)、超大型梁的起拱等是此類構(gòu)件制作的難點(diǎn)。疊梁應(yīng)保證疊合面連接螺栓穿孔率，使疊合面高強(qiáng)螺栓能有效地將上下梁連成一個(gè)整體，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的幾何尺寸和使用性能，滿足鍋爐設(shè)備的安全運(yùn)行。

1 疊梁結(jié)構(gòu)

該1 000 MW塔式鍋爐發(fā)電機(jī)組，采用了典型的疊梁結(jié)構(gòu)，上下2根焊接H形鋼梁整體高8 m、長45.5 m，上下翼緣板厚度和寬度分別為145 mm和1 500 mm，腹板板厚50 mm，上下梁間疊合面通過1 300余組M27螺栓連接(見圖1、圖2)，整個(gè)疊梁總質(zhì)量約360 t。

圖1 疊梁整體圖

圖2 疊梁結(jié)構(gòu)圖

2 制作要點(diǎn)分析

疊梁擁有超高截面、超長長度、超厚板材的結(jié)構(gòu)特性，容易變形，故制作精度要求高。在控制上下梁同步起拱的同時(shí)，保證疊合面1 300余組孔的同心穿孔率及疊合面的密貼度，成為了疊梁制作的關(guān)鍵。疊梁的加工難點(diǎn)主要在于以下幾個(gè)方面：(1)上下梁同步起拱控制；(2)超厚板的焊接；(3)疊合面的同心度控制；(4)上下梁加勁板的同步控制；(5)疊梁騰空翻身技術(shù)。

2.1 上下梁同步起拱控制技術(shù)

2.1.1 起拱方法

大板梁在受自重和載荷的作用下會(huì)產(chǎn)生下?lián)?，在制作過程中，需要有一定的上拱度。按照技術(shù)文件要求，大板梁的拱度最大為L/1 000(L為長度，mm)，通常拱度下限取10 mm，上限取L/1 000。

大板梁自重產(chǎn)生的撓度[4]為：

(1)

式中：f1為大板梁自重產(chǎn)生的撓度，mm；q為大板梁單位長度自重載荷，kN/m；E為材料彈性模量，MPa；I為大板梁截面慣性距，mm4。

根據(jù)式(1)計(jì)算出的大板梁自重產(chǎn)生的撓度為1.95 mm，在最大載荷下的撓度為54 mm。因此，根據(jù)結(jié)構(gòu)撓度計(jì)算及考慮焊接收縮變形等因素，該大板梁起拱按28 mm設(shè)計(jì)較為合適。

對(duì)于截面剛度較小的鋼梁，可以采用火焰矯正起拱法預(yù)制拱度；但是對(duì)于截面剛度較大的鋼梁，火焰矯正起拱法因加熱區(qū)域較小、熱量不穩(wěn)定、起拱均勻性較差，難以滿足上下梁同步起拱的效果。經(jīng)過研究并結(jié)合制作經(jīng)驗(yàn)，腹板預(yù)制拱度法則更為合適，上梁腹板上側(cè)及下梁腹板下側(cè)在下料過程中，直接由數(shù)控火焰切割機(jī)切割出28 mm弧度(見圖3)。當(dāng)翼緣沿腹板弧線頂緊裝配時(shí)，即可得到起拱后的鋼梁；而在疊合面位置，為了方便疊合面的密貼裝配與檢查，通常保持水平，不設(shè)拱度。

圖3 起拱抽象圖

2.1.2 余量設(shè)計(jì)與材料采購

大板梁受長度和質(zhì)量的影響，應(yīng)定長、定寬采購材料，以減少加工成本，并且由于大型構(gòu)件在制造中會(huì)發(fā)生焊接收縮等問題，需要在加工制作時(shí)適當(dāng)增加余量，保證加工后滿足構(gòu)件設(shè)計(jì)的尺寸要求。材料采購應(yīng)注意的主要問題有：

(1)材料應(yīng)滿足設(shè)計(jì)提出的理化性能指標(biāo)，入場時(shí)提供鋼材質(zhì)保證明書。對(duì)于疊梁的50 mm腹板與145 mm翼緣，優(yōu)先選擇正火或控軋控冷狀態(tài)交貨的鋼材，并按NB/T 47043—2014 《鍋爐鋼結(jié)構(gòu)制造技術(shù)規(guī)范》要求，附加原材料100%超聲波要求，其質(zhì)量等級(jí)應(yīng)符合NB/T 47013.3—2015 《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》中Ⅲ級(jí)的要求，并按JB/T 3375—2002 《鍋爐用材料入廠驗(yàn)收規(guī)則》進(jìn)行入廠復(fù)檢。

(2)應(yīng)綜合考慮材料經(jīng)濟(jì)性，并按減少拼接量的原則定尺寸采購材料，疊梁長約45.5 m，應(yīng)將每塊腹板及翼緣長度控制在11～12 m，單塊腹板或翼緣質(zhì)量控制在30 t以內(nèi)，腹板寬度為4 m，減少橫向拼接，拼接應(yīng)符合NB/T 47043—2014要求。

(3)材料采購時(shí)，需要注意余量的加設(shè)，每根單梁腹板分為4塊約11 m長、4 m寬的鋼材進(jìn)行采購。

①所有上梁腹板加設(shè)28 mm寬度余量；居中2塊板不加設(shè)長度余量，邊側(cè)板加設(shè)50 mm長度余量，其中3 mm為焊縫拼接收縮余量，47 mm為端部修邊余量。

②所有下梁腹板不加設(shè)寬度余量；居中2塊板不加設(shè)長度余量，邊側(cè)板加設(shè)50 mm長度余量，其中3 mm為焊縫拼接收縮余量，47 mm為端部修邊余量。

③所有翼緣不加設(shè)寬度余量，長度余量隨腹板同樣加設(shè)。

④所有材料的邊緣另外加設(shè)10 mm的火焰切割余量。

(4)相鄰拼縫必須錯(cuò)開200 mm，拼縫與螺栓孔中心必須錯(cuò)開120 mm，拼縫與加強(qiáng)板必須錯(cuò)開100 mm，疊梁排版圖需要提交設(shè)計(jì)單位審核批準(zhǔn)，經(jīng)設(shè)計(jì)部門會(huì)簽確認(rèn)后才能使用，制作過程中必須嚴(yán)格按會(huì)簽圖施工，拼接焊縫不應(yīng)與連接的吊點(diǎn)梁重合，使大板梁的受力更加合理，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1.3 下料

該疊梁的翼緣屬于超厚鋼板，腹板為中厚鋼板。對(duì)于需要切割的板材，應(yīng)采用相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行合理下料切割。在下料前，應(yīng)檢查氣割機(jī)割炬的火焰垂直度，控制切割邊緣垂直度在2 mm以內(nèi)。

切割前的預(yù)熱能有效減少起弧位置的切割缺陷。該疊梁腹板需要預(yù)熱30 s，而翼緣預(yù)熱時(shí)間應(yīng)不少于150 s。

切割過程必須采用有效的方法減少材料旁彎。翼緣應(yīng)使用多頭直條火焰切割機(jī)下料；腹板采用數(shù)控異形切割機(jī)下料，應(yīng)采用斷續(xù)切割法，即每隔3 m應(yīng)設(shè)置20 mm的氣割斷點(diǎn)。

2.2 厚板焊接及熱處理技術(shù)

(1)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 50661—2011 《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》的規(guī)定，材料拼接前應(yīng)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，制訂合理的焊接工藝及熱處理規(guī)范參數(shù)。

(2)沿距離接縫兩側(cè)各50 mm的表面，應(yīng)徹底清理水、氧化物、油污、泥灰、毛刺及熔渣等其他影響焊接質(zhì)量的物質(zhì)。

(3)坡口的表面應(yīng)進(jìn)行磁粉探傷(MT)，徹底排除表面裂紋、軋制夾渣等缺陷。

(4)鋼板拼接前應(yīng)預(yù)留反變形2°～3°，焊接過程中應(yīng)時(shí)刻注意變形情況。鋼板側(cè)面裝設(shè)吊耳，便于焊接過程中的翻身，以減少拼接角變形。

(5)焊前按要求進(jìn)行預(yù)熱，焊接參數(shù)應(yīng)符合焊接工藝規(guī)程(WPS)要求。

(6)焊接并校正完成后，進(jìn)行超聲波探傷 (UT)，確保無缺陷后進(jìn)行620 ℃焊后退火熱處理，以消除焊縫殘余應(yīng)力。

苦瓜一般花后12～15天為商品瓜的適宜采收期，此時(shí)的果實(shí)瘤狀突起飽滿，果皮有光澤，商品性最好。及時(shí)采收可保證品質(zhì)和增加坐果。采收后的苦瓜如不及時(shí)銷售，應(yīng)置于低溫下保存，否則易后熟變黃開裂，失去食用價(jià)值。

(7)熱處理冷卻至室溫后靜置2 d，重新進(jìn)行焊縫UT及MT，確保焊縫無缺陷。

2.3 疊合面孔位同心度控制技術(shù)

疊梁的疊合面由螺栓連接，如果在制造過程中不能保證同心度，在空中吊裝時(shí)，會(huì)造成大量螺栓偏移，不能按設(shè)計(jì)要求穿孔和擰緊，造成較大的質(zhì)量事故。

2.3.1 法蘭疊合面配鉆技術(shù)

為保證疊合面組孔同心度，上下疊合面應(yīng)疊放固定在一起，采用配鉆的方式打孔。配鉆操作簡單，鉆孔效率高、精度好，穿孔率高度契合。配鉆前的劃線需要考慮一定量的本體焊后收縮長度，鉆孔余量加設(shè)見圖4。在每檔勁板的位置，應(yīng)少量加設(shè)長度余量。

圖4 鉆孔余量加設(shè)

2.3.2 疊合面鎖緊裝焊技術(shù)

疊合面鎖緊裝焊技術(shù)作為疊梁制作的核心技術(shù)，主要包括疊合面螺栓鎖緊裝焊技術(shù)和疊合面銷釘鎖緊裝焊技術(shù)。疊合面鎖緊裝焊技術(shù)可以使疊梁在本體裝配、本體焊接、勁板裝焊、焊后矯正等過程中，達(dá)到疊合面整體同步收縮、同步起拱，疊合面孔位同心度及間隙保持不變的目的。

首先，根據(jù)疊梁的整體截面設(shè)立水平胎架(見圖5)，胎架高度應(yīng)超過1 m，以保證能夠進(jìn)入梁下側(cè)施工。其次，將疊合面先固定在水平胎架上，在疊合面之間，每3 m設(shè)一檔，使用直徑比螺栓孔徑小0.5 mm的銷釘固定，這樣能保證整個(gè)疊合面螺栓孔的同心度。同樣，每3 m設(shè)一檔，再使用直徑比孔徑小1 mm的螺栓擰緊固定，使整個(gè)上下梁緊緊貼合在一起。再次，將上梁腹板與下梁腹板分別通過點(diǎn)焊固定于疊合面翼緣上。點(diǎn)焊長度為120～150 mm，間距為200～300 mm，焊腳高為5 mm，點(diǎn)焊需要預(yù)熱至100 ℃，邊點(diǎn)焊邊測量腹板的對(duì)中情況及疊合面的直線度。最后，利用側(cè)面胎架及千斤頂，將上梁上翼緣、下梁下翼緣分別裝配至上梁腹板、下梁腹板上，裝配過程中，應(yīng)隨腹板的弧形起拱線頂緊，保證疊梁最終裝配后的拱度。

圖5 本體組裝

組裝后的疊梁應(yīng)保證腹板平面度。在整個(gè)疊梁后續(xù)制作焊接過程中，疊合面應(yīng)始終置于銷釘和螺栓鎖緊狀態(tài)。

2.3.3 主體焊接

焊接主體主焊縫應(yīng)盡量控制收縮，以減少焊接收縮對(duì)拱度的影響。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，疊梁主焊縫采用以下技術(shù)進(jìn)行焊接，減少了焊接變形影響，達(dá)到了焊接質(zhì)量要求。

(1)分段對(duì)稱退焊技術(shù)(見圖6)。同時(shí)安排4名焊工施焊，由中間向兩側(cè)分段退焊，每段焊縫長度控制在6 m以內(nèi)，能夠在減少焊接變形的同時(shí)，減少焊接預(yù)熱后的熱量流失。

圖6 分段對(duì)稱退焊法

(2)翻身焊與組合焊技術(shù)(見圖7)。位置①處正面氣體保護(hù)焊打底10 mm；位置②處正面埋弧焊填充10 mm；位置③處翻身，反面氣體保護(hù)焊打底10 mm；位置④處反面埋弧焊填充10 mm；位置⑤處反面埋弧焊蓋面補(bǔ)強(qiáng)后高12 mm；位置⑥處翻身，正面埋弧焊蓋面。

圖7 組合焊翻身焊

2.4 上下梁栓接加勁板的孔位保證技術(shù)

為加強(qiáng)疊梁的局部剛度，增設(shè)了多個(gè)加勁板進(jìn)行加固。縱向加勁板與疊合面需要頂緊裝配，上下梁間的加勁板采用連接板螺栓連接，必須保證關(guān)聯(lián)加勁板間的孔距，才能保證螺栓安裝要求，進(jìn)而滿足加勁板的受力要求。

(1)整個(gè)疊板梁起拱后，厚翼緣與疊合面的間隙發(fā)生改變，縱向加勁板的長度應(yīng)根據(jù)梁焊后的實(shí)際尺寸進(jìn)行測量后下料。

(2)縱向加勁板與疊合面需要頂緊裝配，加勁板的長度應(yīng)+5 mm下料，并使用銑邊機(jī)兩端銑平。

(3)上下梁的縱向加勁板應(yīng)同時(shí)裝配，并使用連接板配裝，配合使用-0.5 mm孔徑的銷釘固定，保證穿孔率。

2.5 疊梁騰空翻身技術(shù)

疊梁是鍋爐鋼結(jié)構(gòu)中最重要的構(gòu)件，構(gòu)件在制造過程中的抬吊翻身和運(yùn)輸，應(yīng)通知相關(guān)部門、相關(guān)人員完成《重大構(gòu)件吊運(yùn)、翻身會(huì)簽單》。另外，在翻身前，檢查構(gòu)件各位置，保證構(gòu)件與胎架無約束并清點(diǎn)翻身所用的鋼絲繩、卸扣等吊索具。第一次翻身時(shí)，吊耳附近本體焊縫需要進(jìn)行加強(qiáng)。大板梁單重180 t左右，板梁翻身時(shí)，采用一臺(tái)雙小車(兩側(cè)各100 t行車)、一臺(tái)單小車(100 t行車)和一臺(tái)50 t行車同時(shí)抬吊，具體翻身過程見圖8。

(1)在翼緣側(cè)，分別用雙小車的100 t行車主鉤栓繩；疊合面?zhèn)仁褂脝涡≤嚨?00 t行車主鉤和50 t行車主鉤，將大板梁抬離地面1 m處(見圖8(a))。

(2)厚翼緣側(cè)鋼絲刷緩慢提升，使大板梁漸漸豎直(見圖8(b))。

(3)疊梁處于豎直狀態(tài)，卸除脫力的疊合面?zhèn)蠕摻z繩(見圖8(c))。

(4)使用100 t行車的32 t副鉤，配合50 t行車的主鉤，緩慢提升并往右行走，使疊梁翻轉(zhuǎn)，處于平放狀態(tài)為止(見圖8(d))。

圖8 疊梁翻身過程

(5)所有掛鉤緩慢降落，使疊梁輕放于地面。

整個(gè)疊梁翻身過程均在空中完成，沒有受到任何沖擊，這種方法為典型的騰空翻身技術(shù)。騰空翻身技術(shù)不需要地面翻身胎具，節(jié)省了場地占用和胎具制作。

3 立面預(yù)裝與檢驗(yàn)

所有疊梁應(yīng)模擬現(xiàn)場工作狀態(tài)，進(jìn)行立面預(yù)裝，以保證在工地安裝時(shí)能夠順利滿足設(shè)計(jì)和受力要求。預(yù)裝過程中，將下梁直接垂直擺放在水平地面上，用角撐進(jìn)行加固。使用行車將上梁緩緩降落在下梁疊合面上。利用銷釘控制上下梁法蘭面間的相對(duì)位置。從中間往兩端，在每檔縱向加勁板位置上，將上下梁疊合面使用螺栓鎖緊密貼。

經(jīng)檢查，疊合面采用螺栓直徑+1.0 mm的銷釘檢查時(shí)，穿孔率≥95%；疊合面采用螺栓直徑+0.5 mm銷釘檢查時(shí)，穿孔率為100%；80%疊合面密貼間隙小于0.3 mm，局部最大間隙在2.0 mm以內(nèi)；拱度為+15～+30 mm。

4 結(jié)語

該疊梁制作技術(shù)以整體制作為原則，利用腹板弧形數(shù)控切割起拱技術(shù)、疊合面螺栓孔配鉆技術(shù)、疊合面螺栓鎖緊裝焊技術(shù)、疊合面銷釘鎖緊裝焊技術(shù)，配合簡潔實(shí)用的騰空翻身方案，嚴(yán)控焊接順序，減少焊接變形，控制火焰矯正量。采用上述工藝制作的疊梁，工期較短，制作成本低，工地安裝穿孔率100%，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，有效地保證了1 000 MW塔式鍋爐的疊梁質(zhì)量。