鋁電解槽立柱底座上支板的補焊改造

董 菲

（東北大學設計研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110166）

目前現代大型預焙陽極鋁電解槽[1]普遍采用大跨度管桁架梁或者實腹板梁結構，而其下方則通過四處鉸接形式的立柱底座支撐。立柱底座承擔著鋁電解槽上部結構所有重量。

通過分析實際情況，基于開源節流的原則，將此處沖突的技術問題轉化為標準問題，對比各種改造方案，確定采取直接切割立柱底座支板后補焊的方案。

1 焊接方案

上支板整體尺寸為250×250×185mm，由平板和立板組成，下部預留有鉸接銷軸孔。具體方案為：切割上平板和下立板之間原有焊縫后，補焊50mm高的鋼板，即切割后新增2處焊縫，分別為T形對接與角接組合焊縫和對接焊縫。

（1）焊接接頭設計。為防止對原上支板切割變形，采用等離子切割，形成整齊而窄小的切口。其具有切割速度快、切割面光潔、熱變形小、熱影響區域小、精度高、無掉渣等優點。平板和補焊立板之間，采用CO2氣體保護焊，T形對接與角接組合焊縫，K形坡口，坡口角45°，根部間隙0。

（2）施工要求。由于此處為重要受力結構，須按一級焊縫要求，采用超聲波進行100%探傷。切割完畢后須對切割面進行打磨。

2 焊縫強度計算

為簡化計算對實際做了以下假定：不考慮焊接殘余應力的影響；不考慮焊根等處的應力集中；不考慮焊腳尺寸對單位面積的影響。

2.1 受力情況分析

基于最不利因素考慮，按電解槽正常生產時期極限載荷計算受力工況：

表1 工況下最大荷載表

其中，頂部立柱壓力N1為：

2.2 復核焊縫強度

依據鋼結構設計規范，按焊縫布置，分兩處復核焊縫強度（連接件材質均為Q235B）。

2.3 對接T形與角接組合焊縫

平板和補焊立板之間，采用T形對接與角接組合焊縫。

（1）頂部立柱壓力應力為：

式中：N1—頂部立柱壓力，垂直于焊縫長度方向，N；He1—角焊縫計算厚度，為18mm：Hf1—角焊縫焊腳高度，mm；Lw1—角焊縫計算長度，即：

所以，根據式（1）得：

式中：βf—正面角焊縫強度設計值增大系數，按直接靜載和間接動載，取1.22；—角焊縫強度設計值，按低值計，取160N/mm2；

因此，根據式（2），頂部立柱壓力下焊縫滿足強度要求。

（2）側部母線推力應力為：

根據式（3）得：

因此，根據式（2），在側部母線推力作用下焊縫強度滿足要求。

（4）縱向支座反力（剪應力）為：

（5）在通過焊縫形心的壓力、拉力或剪力綜合作用下：

因此，在對接T形與角接組合焊縫位置，總體也滿足強度要求。

2.4 對接焊縫

頂部立柱壓力應力為：

式中：N1—頂部立柱壓力，垂直于焊縫長度方向，N；S—焊縫坡口深度，為12mm；lw3—角焊縫計算長度，mm；he3—角焊縫計算厚度，即：

所以，根據式（7）得：

3 總結

由于上部金屬結構式在臨時組裝場地將門形立柱、立柱底座、大梁、水平罩板等組焊安裝成一體后交付安裝。按此改造方案，僅材料費用一項就可以節約電解車間投資123萬余元，尚不包括節約的加工費、機具費、人工費等，而且為整體工程進度爭取了時間。同時為了防止厚板材發生層狀撕裂，重點部位鋼板施工下料時應著重考核Z向性能，并且用機械方法去除淬硬層。采用軋制T型鋼代替焊接T形。鑒于該位置受熱因素影響較多，后續研究中需要完善熱力學輸入條件等，可以在焊件體系下建立底座支板模型，采用三維有限元軟件模擬分析焊縫處受力情況，供今后設計、施工借鑒。