穹頂弧形結構成型及焊接質量控制

馮長源 劉文華

中核工程咨詢有限公司 北京 100048

1 簡介

穹頂由上部球缺和下部圓環帶兩部分組成，上部球缺內半徑R內徑=25000mm，下部圓環帶內半徑R內徑=6000mm，下口內直徑Φ內徑=38000mm，全高H=11150mm。鋼襯里穹頂為雙曲面殼體結構，由5mm厚鋼板及焊接在其外側的角鋼肋組成。整個穹頂鋼襯里板分成五層，其中圓環帶部分為最下一層。

2 穹頂制作工藝及質控難點

穹頂在車間分層分塊預制成108個分快板，分快板預制完成后在現場1至3層二次拼接成42塊，然后整體焊接拼裝。穹頂分快板車間預制，分快板首先經過卷板機卷制→上胎膜制作→徑向及環向角鋼焊接→弧度矯正；車間完成后穹頂開始現場制作，分快板二次拼接→整體拼裝焊接→第一層立縫焊接→第一層伸縮縫焊接→第一層連接角鋼焊接→第一二層環縫焊接。

穹頂制作過程中，主要有三大質控難點需要重點控制：第一，穹頂是雙曲面弧形結構，徑向及環向曲率半徑相差大，弧度難控制；第二，穹頂所用鋼板薄，焊接量大，焊接過程容易變形；第三，穹頂鋼結構丁字焊縫多，應力集中，丁字縫區域焊縫容易開裂。

3 穹頂制作過程質量控制

3.1 穹頂弧形結構弧度控制

穹頂共分成5層車間預制，相比第二至第五層，穹頂第一層雙曲面結構的徑向曲率半徑為R=6m，而環向平均曲率半徑為R=19m，徑向和環向曲率半徑相差大，所以穹頂弧形結構的弧度成型成為質控重點。

（1）穹頂弧度控制要求。穹頂球面弧度要求：穹頂球瓣成型后，用弦長3m的樣板檢查，最大間隙不能超過6mm,局部凹凸不得大于3mm，周邊不允許有褶皺。

（2）影響弧度控制的因素。由于穹頂第一層分快板為雙曲面結構，為了提高弧度控制精度，首先分快板下料切割后需經過卷板機卷制，卷制完成后分快板上胎膜制作，因此卷板機及胎膜對穹頂分塊板的弧度影響最大；第二，分塊板背部角鋼緊貼穹頂壁板，角鋼的弧度尺寸對穹頂分快板的弧度有直接影響。

（3）具體控制措施。

①卷板機工裝尺寸決定卷制效果，應先采用模擬試件對卷板機工裝不斷進行調整，直到卷制的雙曲面弧度符合要求，然后再開始正式的分塊板的卷制。

②控制胎膜的弧度，分塊板最終在胎膜上進行加工，因此應仔細檢查胎膜尺寸，用3m的樣板分別對胎膜上的徑向及環向角鋼檢查，觀察樣板與胎膜角鋼是否存在間隙，間隙超過6mm時需要對胎膜進行調整。

③最終弧度尺寸檢查，監理人員應使用標定的樣板尺在分塊板上分別對徑向和環向弧度進行檢查，盡量選取背部縱向和環向角鋼交叉的部位多次進行弧度檢查，間隙不能大于6mm。

3.2 焊接變形及質量控制

（1）焊接變形產生的原因。

①分塊板外側主要由角鋼及加勁肋組成，在交叉部位拘束度過大，平角焊縫與立縫焊縫集中，焊接停留時間過長，受熱集中，因此焊接后產生變形，導致內部凸起，產生鼓包變形。

②由于穹頂每個單元板面積較大，現場環縫及立縫較長，組對拼裝困難，且穹頂的立縫、縱縫為全熔透焊縫，鋼板厚度為5mm，焊接過程易引起角變形。

（2）事前預控。重點關注：焊接工藝評定已經完成；焊工應按HAF603的相關規定取得相應資格；無損檢驗人員應按HAF602規定取得檢測資質；焊機、檢驗器具、圓弧靠板的使用應在標定有效期內。

（3）事中控制。穹頂焊接采用焊條電弧焊焊接，從合理安排焊接順序、選用合適的焊接工藝、工裝固定方面控制焊接變形，具體包括以下幾方面：

①先焊接徑向角鋼，再焊接環向角鋼，焊接采用從角鋼肋十字交叉處往兩邊分布跳焊，角鋼肋在組對時增加十字交叉區域焊縫的組對點，從而減少正式焊接時該區域的受熱時間。

②在立縫焊接前，可采取增設防變形圓弧靠板的剛性固定法進行控制，沿分塊板拼接縫長度方向每間隔700-800mm設置一塊厚度t≥5mm的圓弧靠板，靠板的弧度根據分塊板的不同而不同。

（4）事后控制。

①采用機械矯正加火焰烘烤對超標變形進行控制。

②穹頂鋼襯里對接焊縫真空盒密封檢驗100%，液體滲透100%，焊縫交叉處射線檢驗100%，通過實時跟蹤焊工一次拍片合格率可及時了解焊工技能水平狀態，減少后續焊接缺陷的發生。

3.3 丁字焊縫焊接質量控制

丁字焊縫是整個穹頂焊縫質量的薄弱部位，在該丁字焊縫區域，焊接裂紋傾向增大，從而會增大焊縫開裂的可能性，應重點控制丁字焊縫的焊接質量。

（1）原因分析。

①在丁字焊縫區域，縱向與環向焊縫交接，焊縫承受更大的拉伸和塑性變形，消耗了材料的塑形，增大了剛性，焊接裂紋傾向增大，導致焊縫開裂可能性增大。

②丁字焊縫接頭形式導致焊縫區域經歷兩次焊接熱循環，接頭熱影響區產生脆性組織，冷卻過程中產生應力集中，焊縫性能下降。

（2）控制措施。

①選擇合理的焊接順序。丁字口區域焊接順序應先焊接立向焊縫然后分段焊接環縫，在丁字口區域外側焊接完成后，再進行環縫整體焊接。

②焊接過程中，填充層焊接完成后，冷卻過程中通過錘擊焊道，從而降低接頭焊接殘余應力，減少變形，間接的提高了焊縫質量。

③焊縫坡口打磨圓滑，保證焊接熔池當中的熔敷金屬充分熔合。

4 應用效果及總結

丁字接頭焊縫焊接時需控制焊接順序，按照先立縫再環縫，嚴格控制組對錯邊量，并且錘擊填充層焊道降低內應力，從而有助于提高焊接質量。

現場穹頂拼裝完成后的下口周長實際測量誤差為14mm,低于理論誤差50mm要求，說明通過合理的質控方法可以確保穹頂弧形結構質量滿足要求。