淺析水利工程船閘人字門的焊接變形控制

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摘要：論文結(jié)合工程實(shí)例，論述了水利工程船閘人字門的安裝焊接收縮變形控制，以供參考。

關(guān)鍵詞:人字門；焊接工藝；變形控制 1概述 某水利工程在船閘上下閘首布置人字閘門，每套門由兩扇門組成，每扇門由6～9節(jié)門葉現(xiàn)場(chǎng)拼裝、焊接而成。節(jié)間通過現(xiàn)場(chǎng)焊接連接，板材主要厚度為：ξ12－ξ50等9種規(guī)格。門葉制作所用板材材質(zhì)有：DH32，DH36，Q345B，Q345D 4種。單節(jié)門葉最重：78．811t。幾何尺寸：長×寬×高為20.2 m×2.98 m×3.20 m，單扇門總重達(dá)450．51 t，幾何尺寸：長×寬×高為20.2 m×2.98 m x24.9 m。 人字門拼焊最終應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求：a.從全開到全關(guān)過程中旋轉(zhuǎn)門葉時(shí)斜接柱上任意一點(diǎn)的跳動(dòng)量≤15 mm：b.底橫梁在斜接柱一端的下垂度≤4.0mm；c.門軸柱側(cè)面直線度≤4.0mm，斜接柱直線度≤5.0 mm，門軸柱斜接柱側(cè)面直線度≤5.0 mm；c.門葉橫向直線度≤4.0m，門葉豎向直線度≤6.0mm。 2焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析 焊接是整個(gè)人字門安裝中工作量最大，耗時(shí)最多，工藝最為繁雜的一道關(guān)鍵工序。由于人字門尺寸和重量都非常大，必須分節(jié)運(yùn)抵安裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行直立組焊。每扇人字門門葉節(jié)間有6條安裝焊縫，每條焊縫總長約34 m，焊接工作量大、強(qiáng)度高，而且門體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料等級(jí)高，焊接接頭型式多樣，技術(shù)控制工藝要求嚴(yán)格。門體現(xiàn)場(chǎng)拼焊質(zhì)量的好壞，不僅關(guān)系到是否能保證門體垂直，而且關(guān)系到內(nèi)在質(zhì)量的好壞，關(guān)系到人字門門體是否能承受巨大水壓力并將壓力可靠向支持體傳遞；其次門葉在厚度方向的不對(duì)稱，必然引起門葉焊接收縮的不均勻，使門體產(chǎn)生焊接變形。因此，必須制定焊接變形控制措施并嚴(yán)格執(zhí)行；再則由于工地焊縫不具備整體消應(yīng)的條件，但仍要求對(duì)邊柱推力隔板與主梁腹板組合焊縫、端板對(duì)接焊縫、縱向加肋板與主梁下翼板對(duì)接焊縫等板厚超過36 mm的部位進(jìn)行局部消除應(yīng)力熱處理，熱處理必然也會(huì)對(duì)門體結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力分布產(chǎn)生影響。因此，熱處理工藝的制定和落實(shí)至關(guān)重要。 3焊接工藝評(píng)定與要求 3.1焊接工藝評(píng)定 根據(jù)設(shè)計(jì)和規(guī)程規(guī)范要求，針對(duì)人字門的材質(zhì)、板厚、接頭型式等制定如下焊接工藝評(píng)定方案。 3.2焊接方法及工藝要求 根據(jù)安裝現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，焊接方法采用焊條電弧焊，主要設(shè)備為逆變焊機(jī)，工藝要求如下： 3.2.1要焊透； 3.2.2清根方式：采用碳棒氣刨； 3.2.3焊縫表面平凹凸≤2.5 mm； 3.2.4焊高／焊腳高：8 m～12 mm； 3.2.5焊縫類別：I，Ⅱ，Ⅲ； 3.2.6探傷方式、比例：磁粉、超聲； 3.2.7層間清理：氣鏟及毛刷； 3.2.8層間消應(yīng)：氣鏟； 3.2.9加熱方式：履帶式加熱板、溫控柜。 4焊接參數(shù)及焊接工位安排 4.1焊接參數(shù)結(jié)合 焊接工藝評(píng)定與焊接工藝要求，在人字門焊接中各參數(shù)應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)。 4.2焊接順序及工位安排 4.3焊接順序及工位安排 人字門兩端柱正、側(cè)向垂直度是焊接變形控制的重點(diǎn)，但從減小焊接應(yīng)力考慮，應(yīng)先焊橫向收縮較大的焊接接頭，此時(shí)門體自由度較大，不致于引起較大的焊接應(yīng)力。因此，在焊接變形、焊接應(yīng)力這對(duì)矛盾統(tǒng)一體中要綜合考慮。結(jié)合焊接工藝評(píng)定方案和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，具體應(yīng)遵循如下原則： 4.3.1焊接由兩端到中間、由內(nèi)到外的順序。由于門體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及安裝精度要求，先焊兩端柱，后焊門體中間部位，因門體中部上游焊縫多于下游面，先焊下游面待門體達(dá)到一定的剛度后，再焊上游面焊縫。 4.3.2對(duì)稱焊接的同時(shí)，對(duì)影響門體變形的焊接順序、焊工工位安排盡可能少，并盡可能焊擋板或先焊小的立焊。 4.3.3加強(qiáng)每個(gè)焊接流程的監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)控結(jié)果適時(shí)調(diào)整焊接順序，加強(qiáng)工序間的傳遞。根據(jù)上述原則，制定了焊接流程及8名焊接工位的布置：端板推力隔板推力隔板加勁板及端隔板-中間豎隔板-后翼緣立焊-后翼緣-前翼緣立焊→面板帖角焊-面板對(duì)接焊及前翼緣焊。 5焊接變形分析與控制 5.1縱向收縮變形 工件在熱源作用下產(chǎn)生沿焊縫長度方向的縱向膨脹，此膨脹受外部拘束而被限制即產(chǎn)生縱向壓縮塑性變形，在冷卻過程中該塑性不能完全回復(fù)而產(chǎn)生縱向收縮變形。在實(shí)際施工中，由于縱向長焊縫主要是面板對(duì)接縫和貼角縫；下游面為空格結(jié)構(gòu)，縱向焊縫較少，因此縱向收縮變形可不考慮。 5.2橫向收縮變形及角變形工件 在熱源作用下產(chǎn)生垂直于焊縫方向的橫向膨脹，此膨脹受外部拘束而被限制即產(chǎn)生橫向壓縮塑性變形，在冷卻過程中該塑性不能完全回復(fù)而產(chǎn)生橫向收縮變形。低合金鋼對(duì)接、角焊縫每米引起的橫向收縮量△B為：對(duì)接焊△B=1.2×10.5qv／δ；角焊縫衄=1.2×10.5qv／δ；其中δ為厚板。通過計(jì)算沿高度方向每條焊縫平均收縮2.0mm，因人字門板厚及結(jié)構(gòu)的變化，在實(shí)際施工中焊縫收縮量為1.8～2.3 mm。由于焊縫橫向收縮力大小及力到門體慣性中心距的不同，產(chǎn)生的力偶大小也不同。這勢(shì)必使門體向上游方向傾斜。通過理論公式初步計(jì)算出每米傾斜大小△A及方向：每米向上游傾斜0.3～0.6 mm間。對(duì)于角變形的控制：為考慮到門體厚度、剛度大，加之通過合理的安排焊接順序，因此沒有預(yù)留焊接反變形。對(duì)出現(xiàn)稍向上游傾斜時(shí)，可在下一節(jié)門拼裝中將面板不進(jìn)行定位焊，只用“馬尖”壓緊，使上游面處于較自由的狀態(tài)。這樣焊接后翼緣時(shí)可使門體每米可向下游傾斜1.5 mm左右，相當(dāng)于預(yù)留了焊接反變形。 5.3焊接監(jiān)控焊接時(shí)監(jiān)測(cè)門體的傾斜方向及大小，就要選好基準(zhǔn)點(diǎn)。并始終以這一基準(zhǔn)點(diǎn)為測(cè)量依據(jù)。根據(jù)門體制作時(shí)由3個(gè)單元(兩柱及中間部位)組成，在施工中通過懸掛3條重錘的方法進(jìn)行測(cè)量：兩端柱中心各掛一重錘，面板半寬方向掛重錘。每一個(gè)焊接流程結(jié)果，待焊縫冷卻后進(jìn)行測(cè)量，并與拼裝及上一流程的測(cè)量結(jié)果作比較，若變形較大則適時(shí)調(diào)整工序。但焊縫未冷卻或加熱時(shí)，測(cè)量的結(jié)果往往與實(shí)際相反，不能以此測(cè)量數(shù)據(jù)作依據(jù)，誤導(dǎo)后續(xù)焊接順序及工位安排。 5.4焊接殘余應(yīng)力及熱處理低合金鋼冷裂敏感性較大，拘束強(qiáng)度也較大，致使焊后應(yīng)力較大。特別是板厚δ≥32mm主要是端板，推力隔板和端柱后翼板，要求在焊前預(yù)熱、焊層加熱、焊后熱處理工藝措施。熱處理采用的設(shè)備為溫控柜帶遠(yuǎn)紅外履帶加熱板進(jìn)行加熱，使用熱電偶測(cè)溫儀及紅外線測(cè)溫槍測(cè)控溫度。消應(yīng)為局部處理，而且熱處理必然對(duì)門葉焊接變形控制產(chǎn)生影響，同時(shí)溫度附加應(yīng)力與原焊接殘余應(yīng)力疊加也會(huì)使整體應(yīng)力分布變得復(fù)雜。考慮到各種因素的影響，熱處理采用以下兩種方案： 5.4.1將熱處理分兩步進(jìn)行，在端板對(duì)接縫及推力隔板與主梁腹板組合焊縫焊接完成后先進(jìn)行消應(yīng)，然后再焊接剩余焊縫，最后進(jìn)行其它需消應(yīng)焊縫的熱處理。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是可以有效避免消應(yīng)過程中附加溫度應(yīng)力的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移，缺點(diǎn)是施工環(huán)節(jié)多，對(duì)焊接變形影響較大。 5.4.2在門體全部焊接完成后按熱處理曲線進(jìn)行熱處理，這種方案的優(yōu)點(diǎn)是施工安排較為簡單，對(duì)焊接變形影響較小，缺點(diǎn)是由于局部消應(yīng)時(shí)門葉處于拘束狀態(tài)，消應(yīng)效果不好，對(duì)不需消應(yīng)的焊縫也會(huì)產(chǎn)生附加的溫度應(yīng)力。門體除端板，推力隔板和端柱后翼板等部位外均采用這種消應(yīng)方法。 6效果分析 人字閘門經(jīng)上述工藝安裝焊接后，人字門的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求，符合各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。