超長(zhǎng)跨距起重機(jī)主梁制造工藝研究

董志偉，王凌云，高天龍，郅有勇

(太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

0 引言

超長(zhǎng)跨距起重機(jī)一般指主梁跨距超過(guò)40 m的起重機(jī)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各種大型基建工程不斷涌現(xiàn)，對(duì)超大型設(shè)備的需求也越來(lái)越大，超大型設(shè)備對(duì)生產(chǎn)商的制造能力提出了更高的要求，本文以太原重工股份有限公司為某核電站制造的超長(zhǎng)跨距橋式起重機(jī)為例，研究一種超長(zhǎng)跨距起重機(jī)主梁的制造工藝。

常規(guī)起重機(jī)的制造工藝為：首先由結(jié)構(gòu)車(chē)間焊接成型，轉(zhuǎn)運(yùn)到后處理車(chē)間整體噴砂；接著轉(zhuǎn)運(yùn)到涂裝車(chē)間噴涂底漆；最后轉(zhuǎn)運(yùn)到裝配車(chē)間進(jìn)行機(jī)構(gòu)及電氣裝配、調(diào)試、面漆涂裝等，需要綜合考慮各個(gè)車(chē)間的生產(chǎn)條件，以及各工序間主梁的轉(zhuǎn)運(yùn)。此次制造的350 t-49.8 m橋式起重機(jī)，超長(zhǎng)的跨距加上大的起重量，帶來(lái)的主梁超重以及大截面尺寸，導(dǎo)致其無(wú)法整體運(yùn)出結(jié)構(gòu)車(chē)間，無(wú)法整體進(jìn)入噴砂車(chē)間和涂裝車(chē)間。通?？梢圆捎寐菟ㄟB接將主梁分段，以解決制造場(chǎng)地、運(yùn)輸、安裝等條件的限制，控制制造成本，但此次基于主梁起重量大、使用場(chǎng)合特殊等因素，不允許采用此種結(jié)構(gòu)，因此，需要開(kāi)發(fā)一種新的超長(zhǎng)跨距主梁制造工藝。

1 工藝方案

1.1 初步方案確定

超長(zhǎng)跨距起重機(jī)主梁制造的根本難點(diǎn)在于解決部分工序的場(chǎng)地條件滿足不了超長(zhǎng)尺寸結(jié)構(gòu)的需求這一問(wèn)題，主要有兩種方案：

(1) 主梁分段焊接成型，經(jīng)噴砂、涂裝后在裝配車(chē)間拼焊成整體。

(2) 主梁整體焊接成型后分成兩段，經(jīng)噴砂、涂裝后在裝配車(chē)間拼焊成整體。

第一種方案的優(yōu)點(diǎn)是將整根主梁分成兩段制作，更具靈活性，起吊、翻身容易，缺點(diǎn)是兩段主梁接口部位的數(shù)據(jù)一致性不易控制，可能導(dǎo)致接口處應(yīng)力集中。第二種方案的優(yōu)點(diǎn)是可以保證接口數(shù)據(jù)的一致性，但主梁整體制造周期較長(zhǎng)。出于對(duì)產(chǎn)品更高質(zhì)量的要求，我們采取第二種方案。

1.2 關(guān)鍵工藝研究

1.2.1 主體板下料尺寸

主體板包括主梁翼緣板、腹板、承軌T型鋼。由于跨距越長(zhǎng)，主梁翼緣板、腹板的對(duì)接焊縫數(shù)量越多，因此鋼板的下料尺寸直接決定了對(duì)接焊縫在主梁上的位置分布，需提前進(jìn)行精確配置，確保能夠滿足以下要求：

(1) 對(duì)接焊縫應(yīng)避開(kāi)主梁跨中高應(yīng)力區(qū)域(跨中S/10的范圍，S為主梁跨距)。

(2) 對(duì)接焊縫不宜在同一截面，相鄰焊縫錯(cuò)開(kāi)≥200 mm，焊縫與大隔板錯(cuò)開(kāi)≥150 mm。

(3) 主梁分段位置應(yīng)盡量與各主體板的對(duì)接位置一致，以減少對(duì)接焊縫的數(shù)量，避免焊縫密集分布。

(4) 分段位置預(yù)定在同一主梁隔間內(nèi)，不要跨越大隔板，以減小主梁分段和拼接的難度。

(5) 斷開(kāi)處應(yīng)預(yù)留一定工藝余量，其目的在于：①補(bǔ)償火焰切割、坡口制備的損耗；②避免斷開(kāi)處母材重復(fù)切割、焊接造成焊縫性能下降；③有利于控制主梁跨距及整體尺寸。

主梁主體板下料尺寸配置方案如圖1所示。圖1中，虛線所示為大隔板位置，實(shí)線所示為對(duì)接焊縫位置，主梁的分段位置預(yù)定在距跨端約S/4的隔間內(nèi)，另一根主梁可按圖1對(duì)稱布置，避免大量焊縫集中在同一截面內(nèi)。

圖1 主梁主體板下料尺寸配置方案

1.2.2 主梁上拱的預(yù)制

超長(zhǎng)跨距主梁上拱的預(yù)制一直是一個(gè)難點(diǎn)，隨著跨距變長(zhǎng)，主梁自重、焊接變形等因素對(duì)上拱的影響愈加明顯。因此，預(yù)制合理的上拱值尤為重要。

腹板上拱按正弦曲線公式預(yù)制，任一點(diǎn)A處的上拱值h計(jì)算公式為：

(1)

其中：S1為主梁上某點(diǎn)A到跨端的距離；H為跨中最大上拱值，見(jiàn)圖2。

圖2 主梁上拱示意圖

接著是最大上拱值H的確定，H取決于主梁的各項(xiàng)參數(shù)(見(jiàn)表1)，同時(shí)還與制作過(guò)程中的焊接順序、焊接變形息息相關(guān)，在此，基于本公司的焊接工藝來(lái)研究其上拱的預(yù)制。

表1 主梁參數(shù)

按兩端支墊計(jì)算主梁自重引起的理論撓度f(wàn)(mm)：

(2)

其中：q為自重產(chǎn)生的載荷，按均布載荷考慮，q=22 kN/m；E為材料彈性模量，Q345取206 GPa；I為主梁截面慣性矩，I=0.462 m4。

根據(jù)以上參數(shù)及公式(2)計(jì)算出主梁自重理論引起的撓度約為18 mm。

一般情況下，要求主梁成型后的上拱控制在(0.9～1.4)S/1 000，對(duì)于長(zhǎng)跨距主梁，一般將上拱控制在靠上限的范圍內(nèi)，即(1.2～1.4)S/1 000(約60 mm～70 mm)；對(duì)于超長(zhǎng)跨距主梁，此次基于主梁分段的工藝以及將來(lái)的載荷試驗(yàn)(靜載1.25倍的額定起重量，動(dòng)載1.1倍的額定起重量)后會(huì)有2次集中的應(yīng)力釋放，最大上拱值會(huì)有較為明顯的下降，我們預(yù)估在5 mm左右。焊接變形對(duì)上拱的影響較為復(fù)雜，但其特點(diǎn)是大部分焊接變形可以通過(guò)合理的工藝來(lái)相互抵消，因此只考慮主腹板與承軌T型鋼對(duì)接及T型鋼上方焊接軌道壓板的影響，基于一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，主腹板上拱高出副腹板8 mm左右。

最終確定了主梁最大上拱值H主腹板=96 mm，H副腹板=88 mm，以主梁大隔板為節(jié)點(diǎn)預(yù)制出主梁的上拱曲線，如圖3所示。

圖3 主梁上拱預(yù)制曲線

1.2.3 主梁分段及坡口制備

主梁整體焊接完成后，檢測(cè)主梁上拱、旁彎、垂直均符合要求，重點(diǎn)檢查預(yù)分段區(qū)間的蓋板傾斜、腹板垂直度，確認(rèn)無(wú)明顯的扭曲。切割前在梁內(nèi)側(cè)對(duì)分段位置兩側(cè)的翼緣板、腹板加工藝框架進(jìn)行支撐，防止焊接應(yīng)力釋放而引起截面變形。

將工藝余量平均分布到兩側(cè)，劃出分段線及兩側(cè)的坡口切割線。注意檢查坡口切割線的平行度，以保證組對(duì)間隙。坡口的制備需考慮拼接焊縫的焊接方法、焊接變形控制、焊接操作性，并保證焊縫探傷合格率。

由于腹板較薄，因此其對(duì)接接頭開(kāi)V型坡口，坡口朝梁內(nèi)側(cè)，采用混合氣體保護(hù)焊焊接。上、下翼緣板較厚為24 mm，則開(kāi)K型坡口，外側(cè)采用混合氣體保護(hù)焊打底、填充，采用埋弧自動(dòng)焊蓋面。圖4為拼接接頭坡口制備。

圖4 拼接接頭坡口制備

1.2.4 主梁拼接

主梁的拼接是整個(gè)工藝方案的重中之重。主梁完成了噴砂、底漆涂裝后轉(zhuǎn)至裝配車(chē)間進(jìn)行拼接。按照分段前的檢測(cè)數(shù)據(jù)找正主梁，由于斷開(kāi)處兩側(cè)需要支墊，使斷開(kāi)區(qū)間處于自由狀態(tài)，因此拼接時(shí)應(yīng)將此處的上拱值墊高2 mm～3 mm。調(diào)整對(duì)接接頭的錯(cuò)邊量≤1 mm、對(duì)接間隙2 mm～5 mm，檢查傾斜、垂直、不平度，點(diǎn)焊固定。圖5為主梁拼接示意圖。

圖5 主梁拼接示意圖

腹板對(duì)接焊縫、主腹板與T型鋼對(duì)接焊縫需要采用單面焊雙面成型的焊接方法，雙面焊的評(píng)定無(wú)法覆蓋單面焊，需通過(guò)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)來(lái)制定合理的焊接工藝。工藝評(píng)定根據(jù)GB/T19869.1的規(guī)定來(lái)進(jìn)行，評(píng)定內(nèi)容及試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表2、表3、表4和圖6。

表2 工藝評(píng)定內(nèi)容

表3 工藝評(píng)定焊接記錄

表4 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖6 金相檢驗(yàn)結(jié)果

按照表5的焊接工藝規(guī)程完成腹板、主腹板與T型鋼對(duì)接焊縫的焊接。接下來(lái)將平焊(包括平角焊)位置的翼緣板對(duì)接焊縫、上翼緣板與T型鋼對(duì)接焊縫以及腹板與翼緣板的對(duì)接焊縫施焊完畢，剩余焊縫可以將主梁翻轉(zhuǎn)至平焊位置進(jìn)行清根后施焊。根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)單面焊雙面成型的焊縫背面(即腹板外側(cè))進(jìn)行打磨清根，采用了埋弧自動(dòng)焊增加了蓋面焊道，改善了根部熔合情況。通過(guò)采用這樣的焊接工藝，不僅得到了良好的外觀質(zhì)量，而且焊縫一次探傷合格率達(dá)到了99%。

表5 焊接工藝規(guī)程

2 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)以上工藝環(huán)節(jié)的改進(jìn)、創(chuàng)新，圓滿完成了超長(zhǎng)跨距起重機(jī)主梁的制造，主梁的各項(xiàng)數(shù)據(jù)均達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)的要求，焊縫一次探傷合格率也保持了高水平，證明了新工藝的可行性、實(shí)用性。同時(shí)也為超長(zhǎng)跨距起重機(jī)的制造提供了一種新的思路，啟發(fā)我們?nèi)ミM(jìn)一步探索，最大限度地降低超大型設(shè)備對(duì)生產(chǎn)能力、運(yùn)輸條件等的特殊要求，為制造商和用戶創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。