劉家道口支鉸鋼梁制作工藝論證與實(shí)踐

楊廣亮

一、工程概況

劉家道口樞紐工程為大I型工程，位于山東省臨沂市境內(nèi)。劉家道口節(jié)制閘是劉家道口樞紐工程的主要建筑物之一，共36孔，單孔凈寬16m，工作閘門為弧形鋼閘門。單扇閘門含支臂重約83t。支鉸鋼梁與支臂鉸座相連接，是將門體水壓通過預(yù)應(yīng)力錨索傳遞到基礎(chǔ)上的承載構(gòu)件。其中中墩支鉸鋼梁35根，外形尺寸為4550mm×2740mm×1160 mm，邊墩支鉸鋼梁2根，外形尺寸為3275mm×2740mm×1160 mm。

二、方案論證

支鉸鋼梁為箱形梁結(jié)構(gòu)，采用材料為Q345B。支鉸鋼梁上、下面板采用δ100鋼板，腹板采用δ80鋼板，中間隔板厚度為δ60鋼板。設(shè)計(jì)要求支鉸鋼梁要進(jìn)行焊后內(nèi)應(yīng)力處理和機(jī)加工。如何保證焊接質(zhì)量、控制焊接變形及內(nèi)應(yīng)力處理是制造工藝的關(guān)鍵。

針對支鉸鋼梁制作工藝的關(guān)鍵點(diǎn)，進(jìn)行工藝制訂。先制定出工藝卡，按工藝卡要求嚴(yán)格執(zhí)行；一、二類焊縫焊接前進(jìn)行焊接工藝評定，制定焊接工藝參數(shù)；內(nèi)應(yīng)力去除采用振動(dòng)時(shí)效工藝并委托有資質(zhì)的第三方進(jìn)行質(zhì)量檢測及振動(dòng)時(shí)效效果驗(yàn)證。

1、拼裝焊接

從結(jié)構(gòu)上看該工程支鉸鋼梁為箱型焊接件，板材較厚。面板和腹板是組成此構(gòu)件的主框架。首先完成主框架的拼裝焊接，再進(jìn)行其他構(gòu)件拼焊。此組合焊縫為二類焊縫，且均為連續(xù)焊縫，腹板需做雙面坡口。因焊接量大，從減小焊接變形及提高效率考慮，采用雙面J形坡口，該坡口形式選用填充物相對較少、制作較方便，坡口采用銑邊機(jī)制作。

2、內(nèi)應(yīng)力處理

該工程支鉸鋼梁由鋼板經(jīng)火焰切割、校正、焊接等多道工序加工成形，在上述多道工序中存在大量的殘余應(yīng)力，當(dāng)工件成形后，會(huì)因材料的原始狀態(tài)改變，導(dǎo)致工件內(nèi)部受力失衡，釋放部分殘余應(yīng)力，使原有的加工狀態(tài)扭曲變形，影響工件后續(xù)加工正常進(jìn)行或使用，因此需進(jìn)行消除應(yīng)力處理。

鋼梁件尺寸及重量大，如采用退火工藝，一般退火設(shè)備不能滿足鋼梁尺寸及起吊需要，且工期較長。因此確定采用振動(dòng)時(shí)效消應(yīng)即“VSR”技術(shù)。振動(dòng)時(shí)效是利用工件的共振給工件施加交變應(yīng)力或變形，當(dāng)附加交變應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加通過材料內(nèi)摩擦吸收能量達(dá)到或超過材料的某一個(gè)閥值時(shí)，工件發(fā)生微觀或宏觀粘彈塑性變化，從而降低和均化工件內(nèi)的殘余應(yīng)力，并使其尺寸精度達(dá)到穩(wěn)定。

三、支鉸鋼梁制作工藝實(shí)踐

支鉸鋼梁制作工藝流程：施工準(zhǔn)備→放樣→下料→坡口制作→箱形梁拼裝焊接→隔板及肋板拼裝焊接→鋼管拼裝焊接→內(nèi)應(yīng)力處理→機(jī)加工→防腐→驗(yàn)收。

1.施工準(zhǔn)備

鋼梁制造前，組織人員準(zhǔn)備施工機(jī)具，進(jìn)行圖紙會(huì)審、技術(shù)交底、編制制作工藝卡。材料進(jìn)場后，質(zhì)量控制部門進(jìn)行原材料檢驗(yàn)及材料試驗(yàn)，合格后投入使用。

2.放樣、下料及坡口制作

按工藝卡圖樣進(jìn)行放樣，復(fù)核檢驗(yàn)無誤后進(jìn)行下料。一二類對接焊縫及組合焊縫均需制作坡口，坡口采用XBJ-9m銑邊機(jī)銑制，銑坡口時(shí)控制好銑削速度、每次進(jìn)刀深度及坡口角度，確保精度要求。

3.箱形梁拼裝焊接

根據(jù)方案，先進(jìn)行箱梁主框架拼裝焊接、再進(jìn)行其他構(gòu)件拼焊。在正式焊接前做焊接工藝評定，確定相關(guān)焊接參數(shù)。

將面板1#件（前）平放于平臺上（注意正反面），以下料前十字中心線為基準(zhǔn)進(jìn)行放樣，根據(jù)施工工藝尺寸做出待拼裝板邊線，復(fù)核檢驗(yàn)合格后，用樣沖做好記號點(diǎn)，保證錨索孔十字線到中心線尺寸符合設(shè)計(jì)要求，且對角線誤差小于1mm。

將9#件即厚80mm腹板的中心線與面板1#件樣圖上中心線相對，以中心線向兩側(cè)按線拼裝，檢驗(yàn)垂直度，拼裝中間7#件，以增加鋼梁的整體性和剛性，然后拼裝另一塊9#件（注意坡口朝向及上、下面），最后再拼裝另一塊面板1#件。焊前加固長度50mm，間距≤200mm。

焊接前，清理焊道，不得有雜物、水漬油污、銹斑等。然后按以下順序進(jìn)行焊接：首先用手工電弧焊將箱體內(nèi)四道主焊縫分中向兩側(cè)打底焊兩遍，再將中間7#件焊接，焊角高16mm，然后分多層多道焊接箱內(nèi)主焊縫，為了減少翻轉(zhuǎn)次數(shù)，外側(cè)焊接可同時(shí)進(jìn)行。外側(cè)采用埋弧自動(dòng)焊。焊接完成后，再進(jìn)行其他構(gòu)件拼裝。

4.隔板及加強(qiáng)板拼裝焊接

在1#件上焊接4塊拼裝箱體其余7#件的定位板?？紤]箱梁內(nèi)角焊縫對7#件拼裝的影響，拼裝前，將7#件四周倒角，并焊接防傾板。

5.鋼管拼裝焊接

為保證鋼管拼裝關(guān)鍵部位的精度，鋼管采用鋼絲定位法拼裝。將鋼梁側(cè)立于平臺上，并校核鋼梁十字中心線與平臺的水平及垂直度，然后掛鋼絲（鋼絲用專用模板固定），以鋼絲為基準(zhǔn)，校核各錨索十字中心線及固定鉸座十字中心線，然后分別拼焊17#、18#、19#件。

6.消除內(nèi)應(yīng)力

采用振動(dòng)時(shí)效的方法進(jìn)行鋼梁的消除應(yīng)力處理。

（1）工藝分析

從工件的工作狀態(tài)來看，該零件需要重點(diǎn)保持的形位要求是前后兩平面，該部位是支鉸鋼梁及鉸座安裝的工作面，對其平面度、平行度有較高的要求。在工作時(shí)，前后兩平面都會(huì)受到很大的壓力，如果不釋放殘余應(yīng)力，提高工件的抗變形能力，容易產(chǎn)生彎曲變形。因此在振動(dòng)時(shí)效時(shí)，重點(diǎn)是消除工件中部的殘余應(yīng)力。

從工件的結(jié)構(gòu)來看，該工件是箱體結(jié)構(gòu)件，前后兩面相對時(shí)焊縫熔池較大、較深的部位極易積聚大量的焊接熱量，從而形成較大焊接應(yīng)力，導(dǎo)致該部位在釋放殘余應(yīng)力后，會(huì)產(chǎn)生較大扭曲變形。因此在振動(dòng)時(shí)效時(shí)，重點(diǎn)消除工件中部及外部周邊的殘余應(yīng)力。

從工件的力學(xué)性能來看，該工件有較高剛性和強(qiáng)度，自身具有較強(qiáng)的抗變形能力，因此在振動(dòng)時(shí)效時(shí)，采用較大的激振力，強(qiáng)迫工件產(chǎn)生高頻、周期性的交變運(yùn)動(dòng)，形成一定程度的粘彈塑性變形，從而達(dá)到振動(dòng)時(shí)效的目的。

（2）振動(dòng)時(shí)效實(shí)施

振動(dòng)時(shí)效實(shí)施流程：現(xiàn)場整理→安放彈性墊→安裝激振器→安裝拾振器→調(diào)整激振器擋位→掃頻→時(shí)效。

①現(xiàn)場整理。振動(dòng)時(shí)效前在門機(jī)生產(chǎn)線內(nèi)清理出場地，支鉸鋼梁水平臥放。

②安放彈性墊。該支鉸鋼梁采用三點(diǎn)支撐，每支撐點(diǎn)用一個(gè)彈性墊分別布置在支鉸鋼梁下方。彈性墊安放在工件1/3長度處，即按長度方向，兩端往內(nèi)1.5m處，呈三角形放置。

③安裝激振器。將激振器安裝在支鉸鋼梁的主振點(diǎn)處（工件在自由振動(dòng)時(shí)的振幅最大處）。支鉸鋼梁的腹板與翼板四道組合焊縫應(yīng)力較大，激振點(diǎn)的施振方向與該組合焊縫一致。

④安裝拾振器。將拾振器安裝放置在激振點(diǎn)對角處。

⑤調(diào)整激振器檔位。選用KL-30BIV型激振器，激振器可調(diào)整檔位數(shù)為0°～180°，偏心檔位選為90°。

⑥掃頻。

a、設(shè)定最高轉(zhuǎn)速：操作在設(shè)備在監(jiān)控狀態(tài)下進(jìn)行，通電后緊接著按“監(jiān)控”鍵，再按“定速”鍵，設(shè)備立即進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。最高轉(zhuǎn)速設(shè)定為6500r/min。

b、掃描流程圖：按“掃描”鍵，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入尋找共振點(diǎn)過程，此時(shí)掃描指示燈亮。從最低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速值。加速度值超過200m/s2自動(dòng)停機(jī)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，此時(shí)按“打印”鍵，打印出工藝卡，第二次按打印鍵，打印掃描曲線。若加速度值不超過200m/s2時(shí)，適當(dāng)調(diào)增激振力。

⑦時(shí)效。根據(jù)掃描曲線，選用1/3～2/3加速度對應(yīng)的轉(zhuǎn)速直接進(jìn)入時(shí)效，此時(shí)時(shí)效指示燈亮。

a、時(shí)效流程圖：預(yù)置→定速→輸入最高轉(zhuǎn)速值→定時(shí)→輸入時(shí)間值→監(jiān)控→時(shí)效→打印→打印。

進(jìn)入時(shí)效時(shí)，最高轉(zhuǎn)速值設(shè)定為6450 r/min，時(shí)效時(shí)間每次設(shè)定為8min。打印出a-t曲線。

b、掃描：進(jìn)入時(shí)效后，回監(jiān)控狀態(tài)，按“掃描”鍵，打印時(shí)效后a-f曲線。

c、觀察a-t曲線，對比振前振后a-f曲線，根據(jù)JB/T10375-2002參數(shù)曲線觀測法，判定振動(dòng)時(shí)效是否有效。

（3）時(shí)效效果評定

定性評定：按振動(dòng)時(shí)效效果評定方法（JB/T5926-2005）對時(shí)效曲線進(jìn)行評判。

定量評定：由水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心對首件支鉸鋼梁產(chǎn)品進(jìn)行檢測。檢測方法及結(jié)果如下：

①測試方法。殘余應(yīng)力測試采用鉆孔應(yīng)力釋放法，即在被測工件上鉆一盲孔，使被測點(diǎn)的應(yīng)力得到釋放，并由事先貼在孔周圍的應(yīng)變計(jì)測得釋放的應(yīng)變量，根據(jù)彈性力學(xué)原理計(jì)算出殘余應(yīng)力和應(yīng)力方向角。用振前各點(diǎn)殘余應(yīng)力對其平均值的差值的最大值去比較振后該最大值，從而衡量應(yīng)力均化程度。

②殘余應(yīng)力消除評定。殘余應(yīng)力按下式計(jì)算：

σ1——振前應(yīng)力平均值

σ0——振后應(yīng)力平均值，k>30%。

③檢測內(nèi)容。a、振動(dòng)時(shí)效工藝消除殘余應(yīng)力及殘余應(yīng)力均化效果定量評定；b、焊縫外觀評定；c、焊縫內(nèi)部質(zhì)量評定；d、幾何尺寸檢測；e、抽檢數(shù)量為4件。

④結(jié)論。符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

四、結(jié)語

劉家道口支鉸鋼梁制作質(zhì)量的檢測結(jié)果表明，劉家道口支鉸鋼梁制作工藝切實(shí)可行，能夠確保鋼構(gòu)件的質(zhì)量。在制作工藝實(shí)施前，組織有關(guān)專家對制造工藝進(jìn)行論證，并在首件產(chǎn)品制造完成后進(jìn)行工藝驗(yàn)證、修訂是制造工藝成功的關(guān)鍵因素。在劉家道口支鉸鋼梁制作過程中首次將振動(dòng)時(shí)效工藝應(yīng)用于水工箱型結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力處理上，并取得較好的效果，為水工大型金屬構(gòu)件的應(yīng)力處理提供了一個(gè)新的思路