中厚板焊接技術在延長石油科研中心工程中的應用

呂文學

陜西建工機械施工集團有限公司

    隨著建筑技術日新月異的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)體系的種類不斷的朝輕質(zhì)、高強的方向發(fā)展，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)在建筑中使用率越來越高。尤其是在超高層建筑結(jié)構(gòu)中更是大量使用鋼結(jié)構(gòu)。

    一、工程概況

    陜西延長石油科研中心鋼結(jié)構(gòu)工程建筑總高度為217.3m，地下3層，地上46層，總建筑面積217000m2，其結(jié)構(gòu)形式復雜，有圓管柱、箱型柱、十字柱及H型鋼柱、梁等，壁厚達到40㎜，鋼梁對接翼緣板厚度達到60㎜。本工程所用材質(zhì)為Q345B，焊縫為全熔透坡口焊，工藝復雜，難度大，因此項目部做了充分的工藝試驗及嚴格的工藝評定。本工程按《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》(GB50205-2001)和《焊縫無損檢測 超聲檢測 技術、檢測等級和評定》(GB/T 11345-2013)對全熔透焊縫實施B級檢驗、II級判定，一級焊縫，100％超聲波探傷。

    圓管柱為全熔透焊接，直徑1400㎜，最大壁厚40㎜，有兩種接頭形式，柱與柱對接用墊襯直接焊圓管內(nèi)壁上，坡口角度為30°間隙5㎜，如（圖1）；鋼梁與柱連接為腹板栓接，上下翼緣板焊接，如（圖2）。焊縫質(zhì)量等級為一級。而且現(xiàn)場90%的焊接位置為橫焊。

圖1、柱柱對接

圖2、鋼梁對接

    二、焊接質(zhì)量控制重要性

    焊接已成為鋼結(jié)構(gòu)的主要連接方式之一，焊接質(zhì)量也直接影響鋼結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量及使用年限，所以焊接是確保鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

中厚板現(xiàn)場焊接時填充焊材熔敷金屬量大，焊接時間長，熱輸入總量高，構(gòu)件施焊時焊縫拘束度高、焊接殘余應力大，焊后應力和變形大。施焊過程中，易產(chǎn)生冷、熱裂紋。

    三、焊接工藝與措施

    為了保證焊接質(zhì)量及進度要求，現(xiàn)場采用CO2氣體保護焊。焊接選用藥芯焊絲，牌號為E501T-1。CO2氣體純度為99.97%（體積比），含水量低于0.05%（重量比），瓶內(nèi)高壓低于1MPa時應停止使用。施焊前要先對氣瓶倒立控水，檢查氣體壓力表的指示并檢視氣體流量。焊絲包裝要完好，如有破損面導致焊絲污染或彎折、紊亂時應去除或更換。焊機電壓應正常，地線壓緊牢固，接觸可靠，電纜及焊絲無破損，送絲機應能均勻送絲，氣管應無漏氣或堵塞。

    針對本工程特點制定了相應的焊接工藝，并對焊工進行了現(xiàn)場考核。

    中厚板在焊接前，鋼板的板溫較低，特別是進入冬季，構(gòu)件的溫度在2℃左右，初始焊接時，電弧熔池的溫度高達1200～1300℃，在板溫冷熱驟變的情況下，溫度分布不均勻，使得焊縫熱影響區(qū)容易產(chǎn)生淬硬，焊縫金屬變脆，產(chǎn)生冷裂紋的傾向增大，為避免此類情況發(fā)生，焊前選擇合理的焊接順序并對母材進行加熱。

    1、定位焊：定位焊是厚板焊接施工過程中最容易出現(xiàn)問題的部位。由于厚板在定位焊時，定位焊處的溫度被周圍的“冷卻介質(zhì)”很快冷卻，造成局部過大的應力集中，引起裂紋的產(chǎn)生，對材質(zhì)造成損壞。我們把母材溫度加熱到120℃，提高了預加熱溫度，加大定位焊縫長度和焊腳尺寸。

    2.、采用多層多道焊：在厚板焊接過程中由于焊縫金屬填充量較大，焊接收縮量大，易產(chǎn)生層間撕裂，堅持的一個重要的工藝原則是多層多道焊，擺動寬度不易過大，如圖3。柱一梁焊接先由兩名焊工同時焊接柱子對稱側(cè)的兩個焊口，先焊接梁的下翼緣。梁腹板兩側(cè)翼緣的焊道要保持對稱焊接，可由一名焊工在腹板一側(cè)先焊l-2層后換至另一側(cè)焊接，焊完2-4層后再換一側(cè)施焊，反復倒換直至焊完。各焊道的接頭在上下層間要錯開。然后焊接上翼緣，仍由2名焊工同時對稱施焊。這是因為厚板焊縫的坡口較大，單道焊縫無法填滿截面內(nèi)的坡口，擺動焊接會造成母材對焊縫拘束應力大，焊縫強度相對較弱，容易引起焊縫開裂或延遲裂紋的發(fā)生。而多層多道焊前一道焊縫對后一道焊縫來說是一個“預熱”的過程；后一道焊縫對前一道焊縫相當于一個“后熱處理”的過程，有效地改善了焊接過程中應力分布狀態(tài)，利于保證焊接質(zhì)量。

圖3  多層多道焊接順序

    3、焊接工藝參數(shù)

    為提高過熱區(qū)的塑性、韌性，采取小線能量進行焊接。根據(jù)焊接工藝評定結(jié)果，選用科學合理的焊接工藝參數(shù)。

   （1）由于后層對前層有消氫作用，并能改善前層焊縫和熱影響區(qū)的組織，采用多層多道焊，每一焊道完工后應將焊渣清除干凈并仔細檢查和清除缺陷后再進行下一層的焊接。

   （2）每層焊縫始終端相互錯開50mm左右。

   （3）層間溫度保持與預熱溫度一致。

   （4）每道焊縫一次施焊中途不可中斷。

   （5）焊接過程中采用邊振邊焊技術或錘擊消除焊接應力。

    在邊焊邊振過程中，可以延遲焊縫組織結(jié)晶，使焊縫中的氫等有害雜質(zhì)有更充足的時間逸出，從而降低焊縫金屬含氫量及雜質(zhì)偏析，減少裂紋及層狀撕裂趨向；可使焊縫晶粒更加細化，提高焊接接頭塑性和韌性，從而大大提高焊接接頭的機械性能；焊縫金屬在振動狀態(tài)下結(jié)晶，可降低焊接應力，提高焊縫抗層狀撕裂及抗疲勞能力。

   （6）焊接過程每道焊縫的寬深比大于1.1。

4、采取合理的焊接順序及坡口形式可降低焊縫內(nèi)應力

（1）十字鋼骨柱對接焊接順序

十字鋼骨焊接：

1）先安排兩名焊工下到柱子內(nèi)部圖示灰色區(qū)域，勻速、同步對稱焊接十字柱豎向腹板，接著兩名焊工進行十字柱橫向腹板的焊接；

2）十字柱腹板焊接完成后另外兩名焊工下到柱內(nèi)白色區(qū)域，接著兩名焊工同時、對稱進行圖示橫向翼緣的焊接；

3）十字柱橫向翼緣焊接完成后，兩名焊工進行圖示縱向翼緣的焊接；焊接完成后割除全部連接耳板。

   （2）塔樓外框柱對接焊接順序

圓形鋼柱焊接：

安排四名焊工同時進行鋼管柱的對稱焊接，焊接完成后割除全部連接耳板。

箱型柱焊接

1）先安排兩名焊工同步、對稱分段焊接；

2）然后兩名焊對稱進行另一邊的焊接，焊接完成后割除全部連接耳板。

方管柱焊接

圓管柱焊接

    5、焊接過程中的檢查：厚板焊接不同于薄板，需要幾個小時才能焊接完成一個構(gòu)件，因此加強對焊接過程的中間檢查與檢控，顯得尤為重要，特別是層間溫度及焊接速度的控制。在清渣過程中，用放大鏡認真檢查是否有表面裂紋發(fā)生。如有裂紋，用碳弧氣刨徹底清除并用角磨機進行打磨后在進行焊接。

    6、對接焊完后，對焊縫及其兩側(cè)各100～150mm范圍內(nèi)的局部母材進行了加熱，加熱溫度250～350℃后用石棉布鋪蓋進行保溫，保溫時間2～6h后自然冷卻。防止焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)氫致裂紋。

焊后預熱保溫

    四、結(jié)術語

    中厚板焊接技術在延長石油科研樓工程上的應用，層間溫度、焊前預熱溫度及焊接參數(shù)得到了有效控制，解決了在焊接過程中裂紋的產(chǎn)生，從而保證了焊接質(zhì)量也提高焊接速度。

(本文來源：陜西省土木建筑學會   文徑網(wǎng)絡工程項目投資中心：劉紅娟 尹維維 編輯  劉真 文徑 審核)