安家莊特大橋厚鋼管墩柱焊接質(zhì)量控制

張忠俊，張雪峰，劉頁龍，劉紅賓

(1.北京逸群工程咨詢有限公司 北京市 100176；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 阜新市 123000)

鋼結(jié)構(gòu)工程的主要特點是剛度大、跨度大、承載力強，鋼結(jié)構(gòu)施工中不可避免地使用到焊接工藝。其中，焊縫表面成形是評判焊接質(zhì)量的重要指標(biāo)。在焊接過程中，由于焊接參數(shù)調(diào)節(jié)不當(dāng)及焊接環(huán)境復(fù)雜等不確定因素，焊縫表面會出現(xiàn)凹陷、咬邊、氣孔、未熔合、熔寬余高未達(dá)標(biāo)等表面缺陷[1-2]，這些缺陷不僅影響焊縫外觀形貌，而且會造成焊縫連接強度下降，應(yīng)力集中，影響焊接構(gòu)件產(chǎn)品質(zhì)量，甚至?xí)巩a(chǎn)品報廢[3]。

為了控制焊接變形，提高幾何精度，加快施工進(jìn)度，結(jié)合安家莊特大橋，從現(xiàn)場焊接施工環(huán)境控制、工藝控制的角度入手，采用了工廠加工、現(xiàn)場拼裝焊接的制作方案，以達(dá)到焊接質(zhì)量進(jìn)行控制的目的[4-5]。

1 工程概況

安家莊特大橋上跨豐沙鐵路橋位于北京市門頭溝區(qū)王平鎮(zhèn)安家莊村西南，線路為東西走向，橋梁起于豐沙鐵路北側(cè)、黃臺隧道出口，先后跨越豐沙鐵路、永定河及現(xiàn)狀G109國道。橋梁左右幅分別在 A1K25+540.81和 AK25+637.38 處上跨既有豐沙鐵路，主橋左右幅分別采用(248.95+248.95)m 鋼桁斜拉橋和(171.95+171+75.25)m 連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)，墩頂轉(zhuǎn)體法施工。梁體轉(zhuǎn)體重量左右幅分別為15000t和9000t。主橋轉(zhuǎn)體墩為L3#、R4#墩柱，橋墩下部結(jié)構(gòu)采用樁基接承臺、鋼管墩柱形式，墩柱材質(zhì)為4mm厚316L不銹鋼加90mm厚Q500MD復(fù)合鋼板，Q500MD復(fù)合鋼板要求上屈服強度不小于480MPa。

2 焊接工藝評定試驗

根據(jù)該項目招標(biāo)文件要求，綜合考慮運輸?shù)雀鞣矫嬉蛩?，鋼管樁制造在滄州產(chǎn)業(yè)園鋼結(jié)構(gòu)制造廠房，配備專用的切割、卷管、焊接、矯形等配套設(shè)備，完成之后在涂裝房內(nèi)完成鋼管防腐涂裝，制造方案采用2～3.2m一段，運輸至現(xiàn)場2段或3段接長為吊裝段，再在橋位吊裝對接等工作。據(jù)施工現(xiàn)場實際焊接工況模擬，對各種焊接試件成品按規(guī)范進(jìn)行力學(xué)性能試驗，試驗結(jié)果滿足設(shè)計要求，據(jù)此確定焊接工藝，并在實際施工時按照工藝要求進(jìn)行焊接操作。焊縫試驗結(jié)果及焊接工藝見表1～表4。

表1 焊接方法及焊接材料

表2 鋼管縱向?qū)雍缚p、橫向?qū)迎h(huán)縫坡口形式及尺寸

表3 節(jié)段間鋼管橫向?qū)雍缚p坡口形式及尺寸

表4 板肋嵌補段對接焊縫和鋼管外側(cè)加勁肋坡口角焊縫坡口形式和尺寸

3 焊接過程控制

3.1 焊前準(zhǔn)備

3.1.1鋼管制造

全橋鋼管的下料及坡口主要通過門式切割機來實現(xiàn)，下料長度即鋼管周長，要充分考慮滾壓拉伸與焊接收縮的影響。采用卷板機對平板兩端各一段剩余直邊進(jìn)行預(yù)彎，采用大型卷板機進(jìn)行卷圓，卷圓前注意對中以防扭斜，卷圓應(yīng)考慮冷卷回彈，須加一定的過卷量。

焊接施工主要包括廠內(nèi)鋼管的直縫焊接，以及現(xiàn)場鋼管對接施工。最后在橋位進(jìn)行各吊裝段環(huán)縫焊接，達(dá)到墩柱設(shè)計高度。

3.1.2鋼管整拼和橋上焊接方案

本工藝方案適用于安家莊特大橋上跨豐沙鐵路橋鋼管混凝土橋墩用鋼管(材質(zhì)為Q355MD、Q355MD+S31603鋼、Q500MD、Q500MD+S31603鋼)的鋼管整拼及橋上焊接，工藝方案中未盡事宜，按照《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3650—2020)的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

首先采用電加熱帶和保溫巖棉纏繞(距離焊縫坡口邊緣10cm)內(nèi)壁和外壁環(huán)縫兩側(cè)區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱時間約4h，預(yù)熱溫度在150～200℃，對外壁環(huán)縫采用實心焊絲進(jìn)行打底焊2道，然后采用藥芯焊絲二保焊焊接外壁環(huán)縫坡口約1/2深(約20道)。

對內(nèi)壁環(huán)縫進(jìn)行碳弧氣刨清根并打磨干凈，采用藥芯焊絲二保焊焊滿內(nèi)壁環(huán)縫(約40道)；采用藥芯焊絲二保焊將外壁環(huán)縫焊完(約60道)(不包括不銹鋼蓋面)。

電加熱帶和保溫巖棉在環(huán)縫整個焊接前中后始終纏繞作為焊縫電加熱措施，在焊接每道焊縫前需要將上道焊縫不均勻及可能產(chǎn)生焊接缺陷的部分打磨平整均勻，采用紅外測溫儀進(jìn)行焊接前中后的焊縫溫度測控。焊縫焊接完成24h、48h、72h后要分別進(jìn)行超聲波探傷檢測。

3.2 焊接過程控制及安裝

3.2.1鋼管節(jié)段接長

將鋼管節(jié)段固定在現(xiàn)場滾輪架上，預(yù)熱后首先采用氣體保護(hù)焊實心焊絲焊接內(nèi)側(cè)打底焊2～5道(保證埋弧焊直接分道焊接)，然后采用埋弧焊填充到內(nèi)側(cè)坡口的一半深。從外側(cè)坡口氣刨清根，打磨干凈后，采用實心焊絲打底焊2～5道(保證埋弧焊直接分道焊接)，再采用埋弧焊填充至坡口深度一半，之后焊接內(nèi)側(cè)填滿。最后將外側(cè)坡口填滿。

每焊接一道埋弧后，下一道埋弧焊接方向反方向焊接，晶粒交錯。焊接過程中除了根部2道和蓋面焊道外，其余焊道焊后采用機械錘擊。

焊接不銹鋼復(fù)合鋼板時，需在距離不銹鋼復(fù)合層界面4～7mm時，采用實心氣體焊絲焊接；應(yīng)防止結(jié)構(gòu)鋼氣體保護(hù)焊材與不銹鋼焊連，在距離不銹鋼復(fù)合層界面1～2mm時，采用GFS-309L不銹鋼焊絲焊接過渡層，蓋面采用GFS-316L不銹鋼焊絲焊接。

3.2.2鋼管節(jié)段橋位拼裝

首先吊裝鋼管就位，從管外側(cè)坡口采用氣體保護(hù)焊進(jìn)行定位焊。預(yù)熱后，在管內(nèi)側(cè)進(jìn)行對接焊縫打底焊道，焊接內(nèi)側(cè)坡口約1/2深。在管外側(cè)進(jìn)行碳弧氣刨清根，采用氣體保護(hù)焊藥芯焊絲從外側(cè)焊接對接焊縫約1/2深。再焊滿內(nèi)側(cè)焊縫，最后焊滿外側(cè)焊縫。

焊接不銹鋼復(fù)合鋼板時，需要用藥芯焊絲將焊接面找平，然后采用GFS-309L不銹鋼焊絲焊接過渡層，蓋面采用GFS-316L不銹鋼焊絲焊接，不銹鋼焊絲采用多層多道焊焊接。管對接焊縫或角焊縫開始焊接后，此焊縫應(yīng)連續(xù)焊完。一旦中斷焊接，應(yīng)加熱到200～250℃后蓋石棉毯保溫緩冷，再次焊接前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱。

管對接焊縫和角焊縫焊完后，立即用火焰或電加熱到200～250℃，蓋石棉毯保溫3.5～4h(保持溫度在200～250℃)，然后緩慢冷卻。

4 焊接質(zhì)量檢驗及缺陷修補

4.1 氣孔缺陷原因分析與解決

根據(jù)對現(xiàn)場施工環(huán)境條件、操作工藝、焊接材料進(jìn)行調(diào)查，分析認(rèn)為可能的原因有二：

(1)焊劑烘干設(shè)備不穩(wěn)定，溫度控制不準(zhǔn)確，造成焊劑烘干不徹底，含有結(jié)晶水，有可能導(dǎo)致焊接過程中造成氣孔出現(xiàn)。

(2)焊接操作人員對焊接工藝熟悉度不夠，或責(zé)任心不強，預(yù)熱溫度不夠，影響焊接質(zhì)量，導(dǎo)致氣孔出現(xiàn)。

針對上述兩個原因，先采取措施對焊劑烘干設(shè)備進(jìn)行了檢查，設(shè)備運行良好，確保其運行無礙。再對現(xiàn)場焊接操作人員進(jìn)行二次焊接工藝交底。

結(jié)合之前的原因分析，認(rèn)為出現(xiàn)氣孔的原因可能是水汽原因或者焊接參數(shù)控制不到位，導(dǎo)致鋼板、焊縫中的氣體不能及時排出，為此決定再次先進(jìn)行小范圍焊接試驗，并采取如下措施：

(1)嚴(yán)格焊前預(yù)熱，焊接過程中控制道間溫度和焊后保溫，采購電加熱設(shè)備。

(2)更換CO2保護(hù)氣體供貨廠家。

(3)減少焊劑堆高，微調(diào)焊接參數(shù)，對坡口根部、中間填充、蓋面焊道，分別在工藝規(guī)定范圍對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，采用不同的焊接速度、電流、電壓，有利于焊縫中的氣體排出。

4.2 環(huán)向焊縫橫向裂紋的分析與解決

為解決出現(xiàn)的焊接質(zhì)量問題，項目部邀請了橋梁焊接方面的專家，經(jīng)現(xiàn)場勘查，專家詳細(xì)分析了橫向裂紋出現(xiàn)的原因后，給出如下建議：

采用連續(xù)定位焊，取代間斷定位焊；焊絲材質(zhì)降低1～1.5個強度等級；焊接施工前焊口部位必須打磨干凈；焊前預(yù)熱采用電加熱器，而非火焰加熱方式，保證受熱均勻；增加焊接道(遍)數(shù)，減小每道(遍)施焊厚度；更改焊槍運行方式，采用三角形或圓圈形擺動方式。

根據(jù)專家建議，施工方在山海關(guān)的焊接室進(jìn)行了降低焊絲強度等級的焊評試驗，采用板厚70+70mm的Q500MD鋼板試驗，打底焊采用實心焊絲HTW-58，根部每側(cè)填充2道采用H08Mn2E(Φ5)焊絲+SJ101q焊劑，然后采用H60Q(Φ4)焊絲+SJ101q焊劑填充。試件經(jīng)探傷檢測，宏觀斷面檢測無焊接缺陷，力學(xué)性能檢測接頭最高硬度不超過290HV10，試驗結(jié)果全部合格。

5 結(jié)語

安家莊特大橋厚鋼管墩柱所有已完成焊縫經(jīng)檢測符合設(shè)計和規(guī)范要求。針對其結(jié)構(gòu)特點、鋼材特性和焊接現(xiàn)場的復(fù)雜情況，進(jìn)行了焊接工藝評定試驗，制定了科學(xué)合理的焊接工藝和可行的焊接質(zhì)量控制措施，成功地指導(dǎo)了安家莊特大橋厚鋼管墩柱制造施工。