大型風(fēng)洞風(fēng)機鋼結(jié)構(gòu)管道制作安裝技術(shù)探討

（中國水利水電第十二工程局機電安裝分局，浙江 麗水 323000）

1 概述

風(fēng)洞是進行空氣動力學(xué)試驗的基本設(shè)備，而風(fēng)機作為風(fēng)源，所產(chǎn)生的流場在很大程度上影響了風(fēng)洞試驗的結(jié)果。傳統(tǒng)風(fēng)洞風(fēng)機是由普通電機、齒輪箱、潤滑冷卻等系統(tǒng)及風(fēng)洞洞體、風(fēng)洞整流罩、整流導(dǎo)葉環(huán)和葉輪等組成，結(jié)構(gòu)雜亂煩瑣，制造裝配工藝困難，體積大。汽車風(fēng)洞是專門用以產(chǎn)生人工氣流并能觀測氣流，或氣流與汽車之間相互作用的管道實驗裝置。汽車風(fēng)洞通過對汽車與空氣之間相對運動的力學(xué)研究，對汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中有關(guān)減小空氣阻力、降低油耗、減少噪聲，保障安全性、穩(wěn)定性，以及發(fā)動機冷卻等方面進行科學(xué)驗證和改進的專門設(shè)施。汽車風(fēng)洞市場在國內(nèi)起步較晚，中國汽車技術(shù)研究中心汽車風(fēng)洞項目風(fēng)洞項目完工后，將大大緩解車企測試難的局面，對于提升我國車企整體設(shè)計開發(fā)水平，促進我國汽車工業(yè)技術(shù)進步，具有深遠的社會意義。本文介紹的是中國汽車技術(shù)研究中心汽車風(fēng)洞項目（天津）氣動聲學(xué)風(fēng)洞的風(fēng)機進出口段制作及安裝技術(shù)。

2 工程介紹

氣動聲學(xué)風(fēng)洞（簡稱AAWT）除風(fēng)機本體外共分三部分，結(jié)構(gòu)形式見圖1，分別是①轉(zhuǎn)接頭，②入口消音段，③出口消音段，氣流方向由轉(zhuǎn)接頭流向出口消音段。鋼結(jié)構(gòu)段之間及與風(fēng)機本體之間采用法蘭螺栓鏈接，風(fēng)機風(fēng)管鋼結(jié)構(gòu)管道前后為混凝土管道，風(fēng)機風(fēng)管與混凝土采用法蘭螺栓軟性膨脹節(jié)連接，入口消音段與風(fēng)機本體法蘭螺栓膨脹節(jié)連接，其余連接部位;轉(zhuǎn)接頭與入口消音段，風(fēng)機與擴壓消音段之間采用法蘭螺栓直接連接。風(fēng)機風(fēng)管底部安裝好調(diào)平后通過地腳螺栓澆筑高強無收縮灌漿料與底面基礎(chǔ)連接。安裝順序以氣流入口為定位基準(zhǔn)，將管道鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后安裝風(fēng)機本體，安裝轉(zhuǎn)接頭→入口消音段→擴壓消音段→風(fēng)機本體。

圖1 風(fēng)機風(fēng)洞結(jié)構(gòu)形式

風(fēng)機管道分內(nèi)外筒，內(nèi)外筒之間的空間為空氣流道，外筒內(nèi)側(cè)和芯筒外側(cè)設(shè)消音面，對鋼結(jié)構(gòu)的整體平面度有很高要求。轉(zhuǎn)接頭入口部分是方形，出口部分是圓形，包括外殼、整流罩、支承導(dǎo)葉等構(gòu)件；總重34210kg，圓口內(nèi)徑10000mm，方口尺寸9030×9280mm，軸向長度5000mm，外殼材質(zhì)為Q235，壁厚10mm。整流罩（球形）半徑4500mm，材質(zhì)Q235，壁厚8mm。入口消音段由外殼、芯筒、支承導(dǎo)葉等構(gòu)件組成；總重56664.7kg，外殼內(nèi)徑10590mm，外殼長度7000mm，芯筒外壁尺寸3900mm，長度8000mm。材質(zhì)均為Q235,板厚均為10mm。擴壓消音段由外殼、錐筒、支承導(dǎo)葉等構(gòu)件組成；總重161355kg，外殼入口內(nèi)徑9604mm，外殼出口內(nèi)徑10094mm，外殼長度14000mm，材質(zhì)為Q235,壁厚10mm；錐筒外壁入口尺寸3896mm，錐筒外壁出口尺寸272mm，長度14000mm，材質(zhì)為Q235,板厚均為8mm。

3 風(fēng)機管道制作

3．1 制作分節(jié)

由于管道尺寸較大，若整體運輸較為困難，采用船舶經(jīng)海路運輸時間較長，無法滿足現(xiàn)場安裝工期；采用汽車經(jīng)公路運輸，制造廠距離天津項目安裝地點約1500km，整體制造超過公路運輸限制，需考慮好制造分節(jié)，既要減少分節(jié)以降低現(xiàn)場拼裝焊接量，又要滿足汽車運輸條件。各段鋼管均分為外筒和芯筒，芯筒通過支承導(dǎo)葉與外筒連接支承，支承導(dǎo)葉與內(nèi)外筒的連接焊縫在現(xiàn)場焊接，各段內(nèi)外筒均按運輸尺寸分節(jié)。外筒分節(jié)為瓦片，瓦片開口用臨時支撐固定，避免運輸過程中的變形。轉(zhuǎn)接頭芯筒整流罩整體制造，外殼部分從方口段分上、下、左、右四段，下段與底座焊成整體運輸。入口段消音段芯筒從中心線剖分為上下兩片瓦片；外殼段長度方向分兩段，端面方向按120°分三節(jié)，共六個運輸分節(jié)。擴壓消音段芯筒為錐形筒，長度方向分兩端，直徑大段從中心線剖分為上下兩節(jié)；外殼段長度方向分三段，端面方向按120°分三節(jié)，共九個運輸分節(jié)。根據(jù)設(shè)計要求，筒身各制造分節(jié)之間設(shè)計法蘭螺栓連接，螺栓間距約300mm，M20高強度螺栓連接，瓦片管口設(shè)米字形臨時支撐，臨時支撐用鋼管兩側(cè)焊接連接板開螺栓孔與管口法蘭連接，可方便安裝拆卸，減少焊接打磨工作量。

3．2 轉(zhuǎn)接頭制作

轉(zhuǎn)接頭外殼尺寸大，板較薄，制作過程需嚴格控制變形，整體組焊需在外部和內(nèi)部加足夠的臨時支撐。由圓變方的設(shè)計通常是將圓錐面素線匯集到方口直邊的交點上，但在實際制作時，錐面按素線在成型過程中尖點面積較小，無法按理論弧度成型，為此在制作時將方口邊線交點改為圓弧過渡，保證成型效果。制作時需按素線展開圖分解為瓦片結(jié)構(gòu)，圓弧段使用卷板機卷制，頂部圓錐弧度太小無法用卷板機卷制，采用壓力機按素線折彎達到圓弧過渡效果，素線法主要是指根據(jù)瓦片劃線時畫出的等分素線作為

卷制或壓制的參照線，卷制或壓制時通過控制行程來控制瓦片的變形量，上輥對素線在小范圍內(nèi)來回滾壓或液壓機進行素線模壓成形，并隨時用樣板檢查瓦片的弧度，直至其達到要求的弧度為止。瓦片組焊成整體后，為保證運輸在在分節(jié)位置焊接組對法蘭后按拆分面切割拆分。在組拼過程中由于局部壓制不均勻，會使拼裝難度加大，必須采用局部校正，方法是結(jié)合面保持一致，檢測各部位尺寸，合格后用內(nèi)支撐加固，并焊接縱縫，然后進行整拼，將制作合格的上下兩段進行拼接，通過測量四個圓錐面素線直線度和四個三角形垂直高、直線度保證整體拼裝尺寸符合要求。完成后進行整體檢查調(diào)整 ，主要是測量圓口和方口的平面度和平行度，對超標(biāo)的管口利用水平儀和經(jīng)緯儀進行放樣切割，達到質(zhì)量要求。整流罩為半球結(jié)構(gòu)，尺寸較大無法直接壓制成型，故進行分解，從球頂部至直徑為2m段作為悶頭整體壓制，其余部分沿縱向分解為10件瓦片，在平臺上搭設(shè)半球內(nèi)部模板架，將加工好的悶頭和瓦片在模板上拼焊成型。

3．3 入口段和擴壓段制作

入口段內(nèi)外筒均為直管形式，按設(shè)計圖紙分片下料后卷板拼焊，整體組裝，筒體制作時，搭設(shè)平面組裝平臺，筒體豎立進行各瓦片組裝，為保證與轉(zhuǎn)接頭法蘭連接精度，連接法蘭需同時劃線配鉆，組裝時以連接法蘭為基準(zhǔn)對筒體調(diào)圓，芯筒外部設(shè)有消音層，消音層圍板精度高采用二氧化碳氣體保護焊，小電流斷續(xù)焊減少變形。擴壓段內(nèi)外筒為錐形結(jié)構(gòu)，按設(shè)計圖紙下料后卷板拼焊，整體組裝，芯筒根據(jù)設(shè)計分解為5段錐度不同的錐管制作，外部消音層圍板按錐桶制作分段下料，待芯筒整體組裝完成后拼焊，拼焊過程用2m長靠尺控制各圍板間直線度，制作過程密切關(guān)注焊接電流，嚴格控制焊接變形。

3．4 支撐桿制作

各段芯筒與外殼間靠支承桿連接承重，芯筒與外殼之間為空氣流道，故支撐桿設(shè)計為流線型結(jié)構(gòu)，且需按指定方向和角度安裝，以減少對空氣流動的影響，制作精度高。通過對整體結(jié)構(gòu)的三維建模，能得到支撐桿的理論外形尺寸圖，但經(jīng)實際測量，由于制作和安裝過程中的尺寸累計誤差，導(dǎo)致與理論尺寸偏差，且與外筒和芯筒的相貫線無法在支撐桿制作過程中實現(xiàn)，故在安裝過程中，使用無縫管和薄鐵皮制作了模具，模擬支撐桿，通過在外殼和芯筒上測量確定支撐桿定位位置，擺放模具，測量數(shù)據(jù)后在支撐桿上切割長度和相貫線，切割后的支撐桿與內(nèi)外筒焊接，滿足設(shè)計要求。

4 風(fēng)機管道安裝

風(fēng)機管道安裝在試驗廠房內(nèi)，試驗廠房外墻已形成，需等風(fēng)機風(fēng)管安裝完成后結(jié)頂，廠房內(nèi)無可用起重設(shè)備，安裝方案只能選擇汽車式起重機在廠房外墻以外，通過廠房頂部將風(fēng)管吊裝至安裝位置，先吊裝風(fēng)管底部構(gòu)件，各構(gòu)件找平，地腳螺栓就位；吊裝芯筒至風(fēng)管底部臨時存放，風(fēng)管頂部兩件在廠房外組裝成整體，連接好分節(jié)法蘭連接螺栓，然后各段頂部分別吊裝至風(fēng)管底部，連接與底部的分節(jié)法蘭螺栓。外筒吊裝后通過在外殼內(nèi)臨時支撐位置設(shè)置葫蘆將芯筒提升至安裝位置，焊接芯筒支撐，最后焊接支撐桿。安裝過程中設(shè)置定位點，對安裝過程中的結(jié)構(gòu)尺寸變形隨時關(guān)注調(diào)整。

5 結(jié)語

大型鋼結(jié)構(gòu)管道的制作安裝難點主要是在控制尺寸和制作過程中的變形，管壁較薄的情況下由于自重和加工精度影響在拼裝過程中發(fā)現(xiàn)間隙和局部變形較為明顯，需在制作過程中選擇適當(dāng)?shù)挠嗔恳怨┬薷钫{(diào)整；廠內(nèi)倒運過程中盡量使用平衡梁吊裝減少吊裝變形，焊接時采用小坡口、小電流，減少焊接填充量和熱輸入；整體組裝時支撐要加固牢靠，并在允許的情況下選擇螺栓連接的方式，減少切割打磨工作；面板局部的凹凸變形校形較為困難的情況，可采取少量耐高溫多功能原子灰以刮膩子的方式修補，對異形管道通過分節(jié)構(gòu)件采用不同的加工工藝制作并結(jié)合模具模擬定位會有較好的效果。