一種大跨度異形截面鋼梁施工與焊接工藝應(yīng)用的探討

范國(guó)輝 邊偉超

0 引言

某核電廠反應(yīng)堆廠房鋼屋面有別于核電廠的反應(yīng)堆廠房穹頂式鋼結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式為一種大跨度異形截面鋼梁組成的鋼屋面。大跨度異形截面鋼梁的施工與焊接工藝，直接決定了鋼屋面整體結(jié)構(gòu)的安全性。因而對(duì)這種大跨度長(zhǎng)尺寸的鋼梁施工與焊接工藝進(jìn)行分析，可有效提高施工與焊接效率、保障鋼屋面整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

1 背景

某核電廠反應(yīng)堆廠房屋面為“空心鋼混結(jié)構(gòu)大梁”的鋼屋面形式，該結(jié)構(gòu)形式在核電廠建造領(lǐng)域?qū)偈状芜\(yùn)用。鋼屋面由若干焊接而成的大異形異形截面鋼梁通過(guò)支撐角鋼連接，并采用焊接和栓接的形式相互連接形成統(tǒng)一整體，材料采用低合金Q345C 鋼，最大跨度32.5 m，整體最大寬度42.2 m，總重約742 T，具有大跨度、大重量等特點(diǎn)。鋼屋面由23 個(gè)單榀鋼梁組成，單榀長(zhǎng)為32.5 m，標(biāo)準(zhǔn)截面尺寸為32500mm×1800mm×1800mm。由于整體結(jié)構(gòu)尺寸較大，無(wú)法直接焊接一次成型，必須進(jìn)行合理的模塊化施工、設(shè)置焊接工藝，才能保證后續(xù)鋼屋面整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，反應(yīng)堆廠房鋼屋面整體布置如圖1 所示。

圖1 鋼屋面整體結(jié)構(gòu)布置圖

2 鋼梁焊接工藝的選擇

單榀鋼梁長(zhǎng)為32.5 m，標(biāo)準(zhǔn)截面尺寸為32500mm×1800mm×1800mm，由三塊材質(zhì)Q345C、厚28mm 的鋼板焊接而成。由于受焊接熱輸入量的不均及長(zhǎng)焊縫分段退焊工藝影響，焊接過(guò)程中不可避免出現(xiàn)角變形及局部波浪變形，導(dǎo)致腹板與翼緣板的尺寸超差，制約著整體外觀尺寸的成型。因此，選擇合理的焊接工藝是保證鋼梁焊接質(zhì)量、提高焊接效率的重點(diǎn)。傳統(tǒng)車間的焊接方式主要有焊條電弧焊、CO氣體保護(hù)焊、埋弧焊等，其優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 焊條電弧焊、CO2 氣體保護(hù)焊與埋弧焊的優(yōu)缺點(diǎn)

從表1 中看出，傳統(tǒng)的焊條電弧焊、CO氣體保護(hù)焊、埋弧焊等單一的焊接方式不能很好滿足此類大跨度鋼梁的長(zhǎng)焊縫焊接質(zhì)量要求。為保證這種大跨度長(zhǎng)尺寸鋼梁的焊接質(zhì)量，初步選定CO氣體保護(hù)焊與埋弧焊相結(jié)合的焊接工藝。

3 關(guān)鍵施工與焊接工藝研究

由于鋼梁跨度大、焊縫長(zhǎng)，因此如何設(shè)計(jì)防變形工裝和焊接工藝的實(shí)施是鋼梁的重點(diǎn)分析工作。

3.1 施工

3.1.1 鋼梁組對(duì)

鑒于鋼梁跨度尺寸大，無(wú)滿足尺寸的鋼板，故需鋼梁在車間施工時(shí)在長(zhǎng)度方向拼接。拼接焊縫布置在鋼梁L/4～L/3 處，每塊通長(zhǎng)板可設(shè)置3 條對(duì)接縫。翼板與腹板的接長(zhǎng)采用全熔透等對(duì)接焊縫，V 型坡口、坡口角度45°（角度偏差±5°）。

在鋼梁組對(duì)定位焊接時(shí)兩側(cè)定位焊縫要錯(cuò)開(kāi)，定位焊縫長(zhǎng)度以25～35mm 為宜，間距控制在350～450mm 之間。為保證組對(duì)準(zhǔn)確及控制組對(duì)精度，可利用槽鋼或角鋼等作為腹板組裝的防傾斜支撐，同時(shí)在上下翼緣板處設(shè)置若干限位塊，準(zhǔn)確就位時(shí)借助斜鐵進(jìn)行微調(diào)，確保鋼梁順利組裝，如圖2所示。

圖2 鋼梁組裝

3.1.2 防變形工裝設(shè)計(jì)

為了降低焊接難度，鋼梁組對(duì)完成后可進(jìn)行側(cè)放，將鋼梁組裝焊縫的焊接位置改為平焊，便于焊接人員操作。焊接防變形工裝用于打底焊接，防變形工裝盡可能采用較厚的Q345C 鋼板，板厚不小于20mm，每間隔4～5 m 布置一塊，防止布置太密造成波浪變形，在實(shí)際操作中可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整工裝的間距，如圖3 所示。

圖3 鋼梁防變形工裝

3.1.3 鋼梁跨度方向焊后校正工裝設(shè)計(jì)

焊后校正工裝可按照鋼梁高度及拱度進(jìn)行設(shè)計(jì)，由兩列支撐柱和頂面托板組成，支撐柱間距1.5 m，采用H型鋼和鋼板焊接而成，托板水平高度復(fù)測(cè)調(diào)整完成后，將鋼梁倒置在工裝上，利用鋼梁的自重提高校正的速率，降低校正的難度，如圖4、圖5 所示。

圖4 鋼梁焊后校正

圖5 鋼梁焊后校正

對(duì)于鋼梁上下翼緣板及腹板變形主要采用火焰校正，利用不均勻的加熱使結(jié)構(gòu)獲得反向的變形來(lái)補(bǔ)償或抵消原來(lái)的焊接變形。加熱校正能消除很多施力校正無(wú)法解決的變形，掌握火焰局部加熱引起的變形規(guī)律是做好校正的關(guān)鍵，決定火焰校正效果主要是加熱的位置和溫度。低合金鋼通常加熱溫度為600～800 ℃，且不得超過(guò)900 ℃，采用自然冷卻，嚴(yán)禁水冷，如圖6、圖7、圖8 所示：

圖6 角變形校正

圖7 彎曲變形校正

圖8 火焰校正

3.2 焊接工藝的實(shí)施

3.2.1 焊接材料選擇

鋼梁材質(zhì)為Q345C，板厚28mm，其主要成分與性能見(jiàn)表2。

表2 Q345C 化學(xué)成分及力學(xué)性能

CO氣體保護(hù)焊的焊接材料選擇CHW-50C6（ER50-6），焊絲直徑Φ1.2mm，埋弧焊的焊接材料選擇CHW-S3/CHF101（F5A2-H10Mn2，10～60 目），焊絲直徑Φ4.0mm。為提高工作效率、減少清根工作量、降低成本并保證焊接質(zhì)量，選用陶瓷襯墊作為襯墊材料。

3.2.2 焊接環(huán)境要求

鋼梁組對(duì)坡口不小于50mm 范圍內(nèi)區(qū)域去除氧化皮、鐵銹、油污、漆、水分等雜質(zhì)，直至露出金屬光澤。焊接區(qū)域濕度不得大于90 %，焊接作業(yè)區(qū)風(fēng)速超過(guò)2 m/s 時(shí)，應(yīng)設(shè)置防風(fēng)棚或采取其他防風(fēng)措施。焊接前，焊劑需在250～400 ℃進(jìn)行烘烤1～2h。

3.2.3 焊接工藝參數(shù)設(shè)置

鋼梁跨度方向長(zhǎng)焊縫采用陶瓷襯墊CO氣體保護(hù)焊打底、埋弧焊進(jìn)行填充蓋面的焊接組合工藝，如圖9所示。焊接開(kāi)始前，應(yīng)在焊縫邊緣設(shè)置引弧板。焊接工藝結(jié)合焊材使用要求設(shè)置工藝參數(shù)，具體見(jiàn)下表3。

表3 CO2 氣體保護(hù)焊與埋弧焊的焊接工藝參數(shù)

圖9 埋弧焊接

3.2.4 焊接順序設(shè)置

由于焊接過(guò)程中必然引起翼板和腹板的焊接角變形，為有效控制焊接變形，采取分段跳焊、從中間向兩端施焊，跳焊間距500～600mm。翼板與腹板連接采用熔透焊縫、T 型接頭、K 型坡口、坡口角度45°（角度偏差±5°）。K 型焊縫上側(cè)坡口焊接完成3/4 后進(jìn)行鋼梁翻轉(zhuǎn)，然后對(duì)K 型焊縫下側(cè)坡口進(jìn)行清根，清根完成后加設(shè)焊接防變形工裝，待底部一層焊縫焊接完成后防變形工裝全部拆除，繼續(xù)施焊至K 型焊縫下側(cè)坡口蓋面完成。最后再次進(jìn)行鋼梁翻身動(dòng)作，將K 焊縫口上側(cè)坡口剩余1/4 焊縫焊接完畢，如圖10 所示。

圖10 焊接順序設(shè)置

4 結(jié)果

4.1 鋼梁整體尺寸的控制

通過(guò)對(duì)鋼梁組對(duì)時(shí)設(shè)置的支撐、限位塊等措施，保證鋼梁組對(duì)的準(zhǔn)確性，采取設(shè)置防變形工裝以及從中間向兩端的焊接順序，大幅度減小了鋼梁的焊接變形，設(shè)置專門(mén)工裝，利用鋼梁自重降低了校正的難度，使用火焰加熱對(duì)鋼梁進(jìn)行校正，同時(shí)又釋放了部分應(yīng)力。校正完成后，測(cè)量跨度方向長(zhǎng)度與下料時(shí)所留余量進(jìn)行對(duì)比，得出焊接的收縮量，并按照鋼梁尺寸的設(shè)計(jì)要求將多余部分切除。同時(shí)，其結(jié)果可應(yīng)用于下批次鋼梁下料的尺寸參考。

4.2 焊接質(zhì)量

按照焊接工藝的要求，焊接過(guò)程中不宜過(guò)快，焊絲適當(dāng)擺動(dòng)，防止焊接未熔合缺陷產(chǎn)生。按照CO氣體保護(hù)焊打底、埋弧焊進(jìn)行填充蓋面的焊接組合工藝要求，在焊接完成后依據(jù)GB/T 11345-2013 對(duì)焊縫進(jìn)行超聲波檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果合格。

經(jīng)過(guò)取樣，焊接接頭的各項(xiàng)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果滿足GB 50661-2011 的要求，見(jiàn)表4。

表4 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

（1）通過(guò)結(jié)果可以看出，對(duì)鋼梁采取防變形支撐、校正工裝、焊接順序等措施，很好地保證了較小的焊后變形，減少了校正工作量，提高了效率。

（2）采用陶瓷襯墊打底的CO氣體保護(hù)焊與埋弧焊的組合焊接工藝及其工藝參數(shù)的設(shè)置滿足大跨度鋼梁焊縫質(zhì)量的要求。說(shuō)明這種組合焊接工藝在大跨度、長(zhǎng)焊縫的鋼梁焊接過(guò)程中是可以考慮使用的。

綜上，對(duì)于這種32.5 m 的大跨度異形截面鋼梁是在核電廠的首次應(yīng)用，在以往核電廠建設(shè)中并無(wú)示例可參考，合理選擇施工與焊接工藝是保證鋼梁質(zhì)量的關(guān)鍵。合理的防變形工裝設(shè)計(jì)以及CO氣體保護(hù)焊與埋弧焊的組合焊接工藝的應(yīng)用，也保證了長(zhǎng)焊縫的焊接質(zhì)量，為后續(xù)核電廠中此類大跨度異形截面鋼梁提供了一個(gè)很好的范例，具有一定的參考價(jià)值。