鋼圓筒振沉設備鋼結構建造工藝

徐 恒

中交二航局結構工程有限公司，湖北 武漢 430416

1 鋼圓筒振沉設備概述

近年來，大直徑鋼圓筒以其獨特的優勢被廣泛運用于跨海大橋、人工島、航道治理和海堤護岸等工程，鋼圓筒振沉設備作為關鍵設備被用于大直徑鋼圓筒的振沉安裝。該類設備單臺總重接近1000t，直徑超過28m，主要由吊架、共振梁、振動錘組設備三大部分組成。吊架由軸心、橫梁、圍梁、吊耳、花紋板平臺及其他附屬舾裝件構成；共振梁由振動梁、聯系梁、齒輪箱座及中間軸軸承座等構成。

2 鋼圓筒振沉設備鋼結構建造流程

鋼圓筒振沉設備鋼結構建造流程包括吊架鋼結構建造、共振梁鋼結構建造，以及12套APE600型液壓同步共振錘組設備的安裝調試。

3 吊架鋼結構建造

3.1 吊架制作要求

（1）下料要求：全部采用數控切割下料，對切割邊緣進行打磨處理，確保光滑平整，無裂紋、缺口等，下料尺寸偏差大于5mm的需進行二次切割修正或放棄使用。

（2）裝配要求：橫梁和圍梁的工字鋼裝配需在定位焊后每隔500mm加1個斜支撐，確保裝配精度。

（3）焊接要求：吊架焊接扭曲變形的控制是關鍵，角焊縫的施焊采用雙數焊工同時從中間向兩邊對稱施焊或采用半自動化角焊機對稱同步焊接。

（4）焊后要求：焊后及時處理焊縫外觀成型，焊后檢驗合格后，測量直線度，火工調直，退火消除應力。

3.2 吊架組裝要求

（1）軸心定位。按圖紙畫出地樣線，確保地樣線定位尺寸與圖紙的誤差在±1mm以內，吊架軸心定位時其軸心中心點需與地樣中心點重合，定位精度檢驗可采用鉛錘法。軸心共12個面，地樣12根主梁中心線分別與12個面的中心線對齊。

（2）吊架主梁安裝。將吊架主梁中心線與地樣線對齊，并用線錘進行檢驗，報驗合格后進行點焊固定，主梁安裝需要使用全站儀檢測主梁的角度及各主梁之間的間距（誤差范圍：間距±2mm，角度±0.25°）。

（3）吊架吊耳安裝。將主梁或法蘭連接板直接與吊耳進行焊接，焊接完成后一并校火調平，然后整體安裝于主梁上，全站儀檢驗位置檢驗合格后，焊接法蘭連接板與主梁，焊后用全站儀再次檢測角度及各主梁之間的間距（誤差范圍：間距±2mm，角度±0.25°，12個吊耳下面的孔心高必須一致）。

（4）吊架圍梁安裝。畫出吊耳兩邊圍梁安裝的定位線，檢驗合格后安裝圍梁，圍梁全部安裝完成后再次測量吊架吊耳是否有移位（誤差范圍：間距±2mm，角度±0.25°，吊耳與振動錘組連接銷孔高度差為0mm）。吊耳與圍梁的焊接需安排雙數焊工進行對稱施焊，避免焊接過程中因焊接收縮影響整體尺寸，焊后需最后復查一次吊耳位置數據（誤差范圍：間距±2mm，角度±0.25°，吊耳與振動錘組連接銷孔高度差為0mm）。

（5）A字架及其他舾裝件的安裝。A字架、舾裝件安裝前，軸心、主梁、吊耳、圍梁等連接焊縫要全部完工。

3.3 吊架組裝流程

吊架組裝流程如下：吊架軸心安裝定位→主梁安裝定位→吊耳安裝定位→圍梁安裝定位→焊接完工報驗→A字型平臺安裝→油管等附屬件安裝→整體完工報驗及涂裝。

4 共振梁鋼結構建造

4.1 共振梁制作要求

（1）下料要求。振動梁板厚度分別為40mm、60mm、90mm，全部采用數控切割下料，切割邊緣需進行打磨處理，確保光滑平整，無裂紋、缺口等，保證下料精度為±0.5mm，未達到精度要求的需進行二次修正切割或放棄使用。

（2）振動梁裝配要求。裝配嚴格按構件組裝順序組裝。因振動梁板厚且為全熔透焊，焊接量大，收縮量大，為保證其主尺度，裝配需留有足夠余量。

（3）振動梁焊接要求。振動梁主要為厚度為40mm、60mm、90mm的厚板，施焊時焊道填充量特別大，焊接輸入的線能量高，控制冷卻收縮與變形的難度較大，金屬組織熱影響區殘余應力大，且施焊過程中，母材溫度快速升至1000℃以上焊道附近區域極易出現冷、熱裂紋。為確保焊接質量和整體結構精度，高效合理的焊接方法和正確的焊接順序至關重要。具體焊接控制措施如下。①坡口要求。厚度在40mm以上鋼板均要求使用半自動化設備開雙V型坡口，坡口角度大小隨板厚增加而增大，將坡口打磨光滑至露出原始金屬光澤，如采用機加工開設坡口效果更佳，則無須進行打磨處理。②焊前預熱。焊接前需進行100～120℃預熱處理。另外，裝配時定位焊因鋼材導熱性能強、散熱冷卻快，極易造成定位焊熱影響區域應力集中，導致出現裂紋，因此定位焊前需提高預熱溫度，加大預熱面積、焊縫長度及焊腳尺寸。③控制焊接順序。振動梁角焊熔深均要求達到100%，其結構緊密復雜，焊接產生的熱量大，焊接導致變形的隱患大，因此正確合理的焊接工藝及順序尤為關鍵，需安排雙數焊工進行對稱施焊，優先焊接橫縱隔板間的立角焊，然后進行縱向隔板與頂底板間的平角焊，最后進行橫向隔板與頂底板間的平角焊。④焊接參數。根據振動梁的結構特點，焊接電流、焊材直徑等焊接參數的選取均應盡可能小，以減小振動梁焊接區域的受熱范圍，盡可能減小金屬組織內部殘余應力和焊接變形。⑤焊后精度檢測。振動梁上直接連接振動錘組和液壓鋼圓筒夾具等設備，其上下表面的平整度及整體尺寸要求較高，檢測工具需用精度較高的二級激光檢測儀進行測量。

4.2 振動梁機加工

振動梁焊后退火、檢測合格后進行機加工，需按照圖紙要求標注出加工基準點，并檢測加工數據，確認無誤后方可轉至共振梁組裝場地組裝。

4.3 共振梁組裝合攏

搭設組裝胎架前在地面畫好地樣線，確保胎架剛性，振動梁胎架中線位置需與地樣線重合，為提高定位效率，可先使用線錘進行粗定位，再用全站儀進行精定位，測量吊機卸載后振動梁的半徑、間距、平整度等參數。為提高振動梁安裝定位工效，可以2～3個點同步安裝，聯系梁僅起連接作用無明確的精度要求，關鍵點是振動梁的定位，可先確定1個振動梁的位置，然后確定左右兩邊的聯系梁，注意共振圈組裝時其實際直徑一定要比理論直徑大，確保30mm的焊接收縮余量。

4.4 共振梁焊接

共振圈的振動梁與聯系梁頂、底板對接縫需同時施焊，并由中心向兩端施焊。采用對稱跳焊法，分3個階段實施，每階段每條焊縫至少完成50%焊接量后，才能進行下一階段焊縫的焊接。焊接期間監控測量至少2次/d。為盡早將共振圈形成整體，增強對焊接收縮的約束，除了嚴格按照對稱跳焊法執行，同時每道焊縫需分3輪焊接完，避免一次焊完，即首輪僅進行焊接打底，少焊接幾道，下一輪再焊接蓋面。共振梁焊縫施焊結束并經檢驗合格后，需進行一次焊后測量，此時結構內部仍有焊接殘余應力及外在變形，需通過退火、校火措施予以消除，處理完后進行主尺度完工測量。

焊后檢驗執行標準按《鋼結構工程施工質量驗收規范》（GB 50205—2020）及相關行業標準要求執行；全熔透焊縫應進行100%UT探傷檢驗，對預制的H型鋼進行磁粉探傷檢驗；從事無損檢測的人員需持有船級社認可的無損檢測人員資格證書。

精度檢驗要求如下。

（1）圖紙上標識的信息按照以下標準執行：.X=±.030；.XX=±.010；.XXX=±.005。

（2）平面度允許偏差為±1/16（即±1.59mm）。

（3）角度允許偏差為±0.25°。

（4）共振梁與共振梁間的裝配相對高度偏差為±1mm。

（5）鉆孔的定位精度要求：不大于±1mm；表面拋光要求：不大于±3.2μm。

（6）共振梁制作流程：振動梁裝配、焊接及測量；校火及機加工；振動梁及聯系梁組裝；共振梁焊接；完工報驗。

5 油漆要求

（1）共振梁除銹要求為Sa2.5級。

（2）所有檢驗完成后才能進行涂裝，其油漆干膜總厚度為250μm，面漆應按業主提供的APE色卡進行選擇。

（3）涂裝參考船舶要求和相關規范進行階段報驗。

6 結束語

文章通過優化鋼圓筒振沉設備鋼結構建造工藝的建造流程，實現了對精度、質量和周期的良好控制，同時填補了該類大型設備鋼結構建造的空白，積累了寶貴的經驗，具有借鑒意義，進一步拓展了在該類型結構建造和修理的市場。