鋼結(jié)構(gòu)調(diào)壓井底座的安裝與焊接

三峽電力職業(yè)學(xué)院 （湖北宜昌 443000） 孫宏斌

三峽大學(xué)工程訓(xùn)練中心 （湖北宜昌 443000） 李立軍

1. 概述

阿薩汗一號水電站裝機(jī)容量為2×90MW，引水系統(tǒng)采用一洞兩機(jī)布置，在距進(jìn)水口下游約600m處設(shè)有鋼制調(diào)壓井，高67m，直徑為18m。鋼制調(diào)壓井材料為Q345，由筒體和底座兩大部分組成，其中底座結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鋼板較厚，焊縫密集且數(shù)量多，總重量為112t。調(diào)壓井底座主要由圍板、錨板、套管、止水板、止水環(huán)板、基礎(chǔ)環(huán)1、基礎(chǔ)環(huán)2、內(nèi)環(huán)板、外環(huán)板、第一節(jié)井壁以及安裝于基礎(chǔ)環(huán)1與基礎(chǔ)環(huán)2之間的橡膠止水組成（以上部件為厚度46mm鋼板）。調(diào)壓井底座結(jié)構(gòu)如圖1所示，鋼制調(diào)壓井底座結(jié)構(gòu)截面如圖2所示。

圖1 調(diào)壓井底座結(jié)構(gòu)

圖2 鋼制調(diào)壓井底座結(jié)構(gòu)截面示意

調(diào)壓井內(nèi)直徑為18m，周長56.52m，沿環(huán)向井筒內(nèi)、外側(cè)對稱布置了224根M100螺桿，肋板（鋼板厚22mm）448塊。由于材料板厚為46mm，并且直徑較大，采用多段制作，對接時(shí)采取有效的措施進(jìn)行變形控制。

2. 鋼制調(diào)壓井底座安裝焊接施工技術(shù)難點(diǎn)

（1）裂紋 厚鋼板結(jié)構(gòu)件，焊接熱輸入引起材料不均勻局部加熱，產(chǎn)生不均勻的壓縮塑性變形，從而產(chǎn)生結(jié)晶裂紋；在冷卻過程中，已發(fā)生壓縮塑性變形的這部分材料又受到周圍條件的制約，而不能自由收縮，在不同程度上又被拉伸，容易產(chǎn)生延遲裂紋。

（2）Z向撕裂 鋼板在軋制過程中，隨著板厚的增加，厚度方向壓縮比相對減小，鋼板在三個(gè)方向的力學(xué)性能是有區(qū)別的：沿軋制方向性能最好，垂直于軋制方向的性能稍差，沿厚度方向（Z向）性能則又次之。焊接時(shí)在板的Z向上產(chǎn)生應(yīng)力，如果超過臨界點(diǎn)，就會導(dǎo)致層狀撕裂。

（3）構(gòu)件焊后變形 厚鋼板構(gòu)件的主要焊縫形式為坡口焊，坡口深、焊縫熔覆金屬多、焊接熱輸入量大，從而導(dǎo)致鋼板焊接時(shí)焊接收縮量大，焊接應(yīng)力大，易產(chǎn)生構(gòu)件變形；焊縫長、數(shù)量多、布置密集，焊接構(gòu)件變形不易控制。

（4）鋼制調(diào)壓井底座技術(shù)要求 如表1所示。

表1 鋼制調(diào)壓井底座技術(shù)要求 （mm）

3. 鋼制調(diào)壓井底座安裝

（1）施工準(zhǔn)備 第一，輔助支撐安裝。調(diào)壓井底座外形大，總重量為112t，因此在底座安裝前需布置輔助支撐。輔助支撐安裝于一期混凝土中，輔助支撐為20a工字鋼環(huán)向均布37根。

第二，測量放樣。在距調(diào)壓井中心40m處，沿調(diào)壓井周圍均勻布置4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，在調(diào)壓井的順?biāo)鞣较蛑行木€和垂直于順?biāo)鞣较蚍懦鲋行木€，并在輔助托架上放出每段底座環(huán)的安裝位置。

第三，分段制作。基礎(chǔ)環(huán)、環(huán)形蓋板和井壁板均分為6段進(jìn)行制作，到現(xiàn)場安裝組拼及焊接。

（2）鋼制調(diào)壓井底座安裝 步驟如圖3所示。將第一段基礎(chǔ)環(huán)板吊到安裝好的托架，按測量安裝位置將環(huán)板調(diào)整好并加牢固。吊上第二段底座環(huán)板，調(diào)整到安裝位置后，將接頭調(diào)平，接頭間隙預(yù)留3mm，再對接頭進(jìn)行點(diǎn)焊（點(diǎn)焊長度50～80mm），并用壓板對接頭進(jìn)行剛性固定，以防焊接變形。第3～6段都按前面方法安裝。在安裝時(shí)嚴(yán)格控制接頭間隙，在接頭安裝完成后，對各接頭同時(shí)施焊，在焊接完成后對其進(jìn)行整體校正。

圖3 鋼制調(diào)壓井底座安裝步驟

在基礎(chǔ)環(huán)2下面劃出套管定位線，將套管放在基礎(chǔ)環(huán)2下面，再將鋼絲繩從螺栓孔和套管孔中穿出，在套管下端將鋼絲繩卡牢，提起套管至基礎(chǔ)環(huán)2下方，對準(zhǔn)定位線對套管與基礎(chǔ)環(huán)2施焊連接。

先對錨板與錨板圍管施焊，再將錨板圍管套入護(hù)管中，然后將圍板1裝到錨板下面（圍板2暫不裝），并用錨板預(yù)埋支撐將其固定。

將止水板和止水環(huán)按設(shè)計(jì)圖樣安裝到底座環(huán)2上，并對其進(jìn)行施焊。

將第一段環(huán)板吊到基礎(chǔ)環(huán)2上，按安裝位置將環(huán)板調(diào)整并固定好，再吊上第二段環(huán)板，調(diào)整好安裝位置并加固，然后將接頭壓平并點(diǎn)焊牢，用兩塊壓板（距離600mm）對接頭進(jìn)行剛性固定。3～6六段都按此法安裝。拼裝完成后，考慮到基礎(chǔ)環(huán)1的焊接空間，基礎(chǔ)環(huán)焊接采用臨時(shí)支架將其架起后進(jìn)行焊接（架起高度距基礎(chǔ)環(huán)2約900mm），在焊接完成后對其進(jìn)行整體校正，完成后將其放下與基礎(chǔ)環(huán)2配合。

使用吊車分別將各瓦片依次吊裝到位，按照設(shè)計(jì)和要求進(jìn)行組裝。

在基礎(chǔ)環(huán)1和筒壁對應(yīng)的位置裝上肋板，在安裝完成后按焊接方案中的焊接順序?qū)甙辶⒖p和角縫進(jìn)行施焊。螺桿定位安裝，并裝上圍板2。

（3）二期混凝土澆筑 將內(nèi)、外環(huán)形蓋板依次放到肋板上，然后將蓋板裝到筒壁上，再進(jìn)行壓頭對接。

螺桿緊固分兩次進(jìn)行，初擰為緊固力的70%。擰固時(shí)需對稱進(jìn)行。所有焊縫焊完后進(jìn)行二次緊固。

4. 鋼制調(diào)壓井底座的焊接

（1）焊接方法及焊條選擇 鋼制調(diào)壓井底座焊接方法及焊條選擇如表2所示。

表2 鋼制調(diào)壓井底座焊接方法與焊條選擇

（2）底座環(huán)板和環(huán)形蓋板焊接 底座環(huán)板和環(huán)形蓋板安裝完成后，在接頭兩側(cè)各利用兩塊厚20mm，長600mm的筋板對接頭進(jìn)行臨時(shí)剛性固定，然后對接頭進(jìn)行施焊。6個(gè)接頭同時(shí)進(jìn)行焊接。

利用φ3.2mm、φ4.0mm焊條對反面（仰焊）焊縫進(jìn)行打底，在焊接3層后對正面（平焊）焊縫進(jìn)行碳弧氣刨清根，再對背面進(jìn)行3層焊接，如此交替進(jìn)行焊接直至完成。在焊接過程中根據(jù)焊件變形情況適當(dāng)調(diào)整焊接順序，環(huán)板對接接頭焊接如圖4所示。

圖4 環(huán)板對接接頭

（3）第一節(jié)井筒壁縱縫焊接 在調(diào)壓井第一節(jié)組拼完成后，利用板厚20mm，寬200mm，長600mm的3塊鋼板對每條縱縫進(jìn)行剛性固定。施焊前進(jìn)行預(yù)熱處理。

焊縫采用多層多道焊。先內(nèi)部3層；背面焊縫清根后，焊3層；內(nèi)外交叉焊接，根據(jù)變形情況作適當(dāng)調(diào)整。

（4）基礎(chǔ)環(huán)1和調(diào)壓井壁角縫焊接 一條環(huán)焊縫6個(gè)焊工同時(shí)施焊，焊縫總長約為56m，每名焊工施焊長度為9.3m。按均等分布同時(shí)同向進(jìn)行施焊，每人焊接1/6圓弧，焊接方法采用分段退焊法，分段長度為600～800mm。井壁與基礎(chǔ)環(huán)1角縫焊接如圖5所示。

圖5 井壁與基礎(chǔ)環(huán)1角縫焊接示意

（5）底座環(huán)板、環(huán)板、井筒壁板與肋板的組合焊接 基礎(chǔ)環(huán)板、環(huán)板、井筒壁板與肋板的截面組合焊接順序如圖2所示，1/8環(huán)向肋板焊接順序如圖6所示。

圖6 1/8環(huán)向肋板焊接順序

調(diào)壓井內(nèi)壁與肋板的焊接：肋板焊接時(shí)采用對稱焊接，每隔3塊焊接一塊肋板。

調(diào)壓井肋板與底座環(huán)1的焊接：肋板和底座環(huán)1的焊接，肋板焊接時(shí)采用對稱焊接，每隔3塊焊接一塊肋板。

肋板與環(huán)形蓋板焊接：對肋板與環(huán)形蓋板進(jìn)行一道角焊縫焊接后，再進(jìn)行仰焊，同樣采用對稱焊接。

其余肋板的焊接：在確認(rèn)螺栓的垂直度之后，完成其余肋板的焊接，焊接順序?yàn)槔甙迮c基礎(chǔ)環(huán)1焊接，肋板與環(huán)形蓋板焊接，肋板立縫焊接。

調(diào)壓井內(nèi)壁與環(huán)形蓋板的焊接。

（6）焊接技術(shù)要求 焊前清理：所有待焊面及坡口兩側(cè)各50～100mm內(nèi)的氧化皮、鐵銹、油污、石蠟和潤滑脂等雜物應(yīng)清除干凈，每一焊道焊完后也應(yīng)及時(shí)清理，檢查合格后再焊。焊前預(yù)熱要求與焊后熱處理如表3所示。

表3 焊前預(yù)熱要求與焊后熱處理

施焊要求：①焊縫（包括定位焊）焊接時(shí)，應(yīng)在坡口上引弧、熄弧，嚴(yán)禁在坡口或焊縫以外母材的其他部位上引弧，熄弧時(shí)應(yīng)將弧坑填滿，多層焊的層間接頭應(yīng)錯(cuò)開，焊條電弧焊、半自動氣保焊和氣保護(hù)藥芯焊絲等焊接的焊道接頭應(yīng)錯(cuò)開25mm以上，埋弧焊或熔化極自動氣體保護(hù)焊應(yīng)錯(cuò)開100mm以上。焊接時(shí)引弧和熄弧處宜設(shè)助焊板。②每條焊縫原則上應(yīng)連續(xù)施焊，對高強(qiáng)鋼停止施焊時(shí)，應(yīng)立即進(jìn)行后熱。再次施焊時(shí)，需按焊接工藝規(guī)程執(zhí)行。③施焊時(shí)同一條焊縫的多名焊工應(yīng)盡量保持速度一致。④焊接完畢，焊工應(yīng)自檢。一、二類焊縫自檢合格后，應(yīng)在焊縫附近用鋼印打上焊工代號，做好記錄。⑤焊縫外觀檢查按照DL5017—2007要求進(jìn)行。

焊接工藝措施：①定位焊縫的質(zhì)量要求及焊接工藝與正式焊縫相同。要求定位焊縫長度50～80mm，間距約400mm，焊縫厚度8～10mm。②焊前預(yù)熱和焊后熱處理采用履帶式電加熱板進(jìn)行加熱，加熱區(qū)的寬度為焊縫中心兩側(cè)各80～100mm。對預(yù)熱的焊縫應(yīng)連續(xù)焊完，中途不得中斷，否則進(jìn)行消氫處理。③按擬定的焊接順序施焊，并在施工現(xiàn)場對焊接熱輸入進(jìn)行嚴(yán)格控制，最佳焊接熱輸入為20～35kJ/cm，最大不得超過45kJ/cm。④所有焊縫焊接均采取退焊法。⑤采用φ3.2mm焊條進(jìn)行打底焊接，采用φ4.0mm焊條進(jìn)行填充及蓋面，焊接過程中嚴(yán)格控制焊道寬度和厚度，焊道寬度以3～5倍焊條直徑為宜，最大不超過15mm，焊層厚度以3～5mm為宜，最大不超過1.5倍焊條直徑。焊接參數(shù)如表4所示。⑥按照編制好的焊接工藝，針對現(xiàn)場具體情況對施焊人員焊接技術(shù)交底，重點(diǎn)介紹焊接的順序、焊接參數(shù)以及要達(dá)到的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等。⑦在焊接施工過程中，做好現(xiàn)場焊接參數(shù)、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度等記錄，一旦出現(xiàn)異常情況，立即停止施工并調(diào)整焊接措施。

表4 焊接參數(shù)

5. 結(jié)語

在調(diào)壓井底座焊接施工過程中，嚴(yán)格按照調(diào)壓井底座焊接工藝指導(dǎo)書進(jìn)行施工，焊后各焊縫質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范技術(shù)要求，焊接變形也得到有效控制，誤差均在設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求范圍內(nèi)。