一種大跨度異形截面鋼梁施工與焊接工藝應用的探討

范國輝 邊偉超

0 引言

某核電廠反應堆廠房鋼屋面有別于核電廠的反應堆廠房穹頂式鋼結構，其結構形式為一種大跨度異形截面鋼梁組成的鋼屋面。大跨度異形截面鋼梁的施工與焊接工藝，直接決定了鋼屋面整體結構的安全性。因而對這種大跨度長尺寸的鋼梁施工與焊接工藝進行分析，可有效提高施工與焊接效率、保障鋼屋面整體結構質量。

1 背景

某核電廠反應堆廠房屋面為“空心鋼混結構大梁”的鋼屋面形式，該結構形式在核電廠建造領域屬首次運用。鋼屋面由若干焊接而成的大異形異形截面鋼梁通過支撐角鋼連接，并采用焊接和栓接的形式相互連接形成統一整體，材料采用低合金Q345C 鋼，最大跨度32.5 m，整體最大寬度42.2 m，總重約742 T，具有大跨度、大重量等特點。鋼屋面由23 個單榀鋼梁組成，單榀長為32.5 m，標準截面尺寸為32500mm×1800mm×1800mm。由于整體結構尺寸較大，無法直接焊接一次成型，必須進行合理的模塊化施工、設置焊接工藝，才能保證后續鋼屋面整體結構的質量，反應堆廠房鋼屋面整體布置如圖1 所示。

圖1 鋼屋面整體結構布置圖

2 鋼梁焊接工藝的選擇

單榀鋼梁長為32.5 m，標準截面尺寸為32500mm×1800mm×1800mm，由三塊材質Q345C、厚28mm 的鋼板焊接而成。由于受焊接熱輸入量的不均及長焊縫分段退焊工藝影響，焊接過程中不可避免出現角變形及局部波浪變形，導致腹板與翼緣板的尺寸超差，制約著整體外觀尺寸的成型。因此，選擇合理的焊接工藝是保證鋼梁焊接質量、提高焊接效率的重點。傳統車間的焊接方式主要有焊條電弧焊、CO氣體保護焊、埋弧焊等，其優缺點見表1。

表1 焊條電弧焊、CO2 氣體保護焊與埋弧焊的優缺點

從表1 中看出，傳統的焊條電弧焊、CO氣體保護焊、埋弧焊等單一的焊接方式不能很好滿足此類大跨度鋼梁的長焊縫焊接質量要求。為保證這種大跨度長尺寸鋼梁的焊接質量，初步選定CO氣體保護焊與埋弧焊相結合的焊接工藝。

3 關鍵施工與焊接工藝研究

由于鋼梁跨度大、焊縫長，因此如何設計防變形工裝和焊接工藝的實施是鋼梁的重點分析工作。

3.1 施工

3.1.1 鋼梁組對

鑒于鋼梁跨度尺寸大，無滿足尺寸的鋼板，故需鋼梁在車間施工時在長度方向拼接。拼接焊縫布置在鋼梁L/4～L/3 處，每塊通長板可設置3 條對接縫。翼板與腹板的接長采用全熔透等對接焊縫，V 型坡口、坡口角度45°（角度偏差±5°）。

在鋼梁組對定位焊接時兩側定位焊縫要錯開，定位焊縫長度以25～35mm 為宜，間距控制在350～450mm 之間。為保證組對準確及控制組對精度，可利用槽鋼或角鋼等作為腹板組裝的防傾斜支撐，同時在上下翼緣板處設置若干限位塊，準確就位時借助斜鐵進行微調，確保鋼梁順利組裝，如圖2所示。

圖2 鋼梁組裝

3.1.2 防變形工裝設計

為了降低焊接難度，鋼梁組對完成后可進行側放，將鋼梁組裝焊縫的焊接位置改為平焊，便于焊接人員操作。焊接防變形工裝用于打底焊接，防變形工裝盡可能采用較厚的Q345C 鋼板，板厚不小于20mm，每間隔4～5 m 布置一塊，防止布置太密造成波浪變形，在實際操作中可以根據實際情況適當調整工裝的間距，如圖3 所示。

圖3 鋼梁防變形工裝

3.1.3 鋼梁跨度方向焊后校正工裝設計

焊后校正工裝可按照鋼梁高度及拱度進行設計，由兩列支撐柱和頂面托板組成，支撐柱間距1.5 m，采用H型鋼和鋼板焊接而成，托板水平高度復測調整完成后，將鋼梁倒置在工裝上，利用鋼梁的自重提高校正的速率，降低校正的難度，如圖4、圖5 所示。

圖4 鋼梁焊后校正

圖5 鋼梁焊后校正

對于鋼梁上下翼緣板及腹板變形主要采用火焰校正，利用不均勻的加熱使結構獲得反向的變形來補償或抵消原來的焊接變形。加熱校正能消除很多施力校正無法解決的變形，掌握火焰局部加熱引起的變形規律是做好校正的關鍵，決定火焰校正效果主要是加熱的位置和溫度。低合金鋼通常加熱溫度為600～800 ℃，且不得超過900 ℃，采用自然冷卻，嚴禁水冷，如圖6、圖7、圖8 所示：

圖6 角變形校正

圖7 彎曲變形校正

圖8 火焰校正

3.2 焊接工藝的實施

3.2.1 焊接材料選擇

鋼梁材質為Q345C，板厚28mm，其主要成分與性能見表2。

表2 Q345C 化學成分及力學性能

CO氣體保護焊的焊接材料選擇CHW-50C6（ER50-6），焊絲直徑Φ1.2mm，埋弧焊的焊接材料選擇CHW-S3/CHF101（F5A2-H10Mn2，10～60 目），焊絲直徑Φ4.0mm。為提高工作效率、減少清根工作量、降低成本并保證焊接質量，選用陶瓷襯墊作為襯墊材料。

3.2.2 焊接環境要求

鋼梁組對坡口不小于50mm 范圍內區域去除氧化皮、鐵銹、油污、漆、水分等雜質，直至露出金屬光澤。焊接區域濕度不得大于90 %，焊接作業區風速超過2 m/s 時，應設置防風棚或采取其他防風措施。焊接前，焊劑需在250～400 ℃進行烘烤1～2h。

3.2.3 焊接工藝參數設置

鋼梁跨度方向長焊縫采用陶瓷襯墊CO氣體保護焊打底、埋弧焊進行填充蓋面的焊接組合工藝，如圖9所示。焊接開始前，應在焊縫邊緣設置引弧板。焊接工藝結合焊材使用要求設置工藝參數，具體見下表3。

表3 CO2 氣體保護焊與埋弧焊的焊接工藝參數

圖9 埋弧焊接

3.2.4 焊接順序設置

由于焊接過程中必然引起翼板和腹板的焊接角變形，為有效控制焊接變形，采取分段跳焊、從中間向兩端施焊，跳焊間距500～600mm。翼板與腹板連接采用熔透焊縫、T 型接頭、K 型坡口、坡口角度45°（角度偏差±5°）。K 型焊縫上側坡口焊接完成3/4 后進行鋼梁翻轉，然后對K 型焊縫下側坡口進行清根，清根完成后加設焊接防變形工裝，待底部一層焊縫焊接完成后防變形工裝全部拆除，繼續施焊至K 型焊縫下側坡口蓋面完成。最后再次進行鋼梁翻身動作，將K 焊縫口上側坡口剩余1/4 焊縫焊接完畢，如圖10 所示。

圖10 焊接順序設置

4 結果

4.1 鋼梁整體尺寸的控制

通過對鋼梁組對時設置的支撐、限位塊等措施，保證鋼梁組對的準確性，采取設置防變形工裝以及從中間向兩端的焊接順序，大幅度減小了鋼梁的焊接變形，設置專門工裝，利用鋼梁自重降低了校正的難度，使用火焰加熱對鋼梁進行校正，同時又釋放了部分應力。校正完成后，測量跨度方向長度與下料時所留余量進行對比，得出焊接的收縮量，并按照鋼梁尺寸的設計要求將多余部分切除。同時，其結果可應用于下批次鋼梁下料的尺寸參考。

4.2 焊接質量

按照焊接工藝的要求，焊接過程中不宜過快，焊絲適當擺動，防止焊接未熔合缺陷產生。按照CO氣體保護焊打底、埋弧焊進行填充蓋面的焊接組合工藝要求，在焊接完成后依據GB/T 11345-2013 對焊縫進行超聲波檢測，檢測結果合格。

經過取樣，焊接接頭的各項力學性能試驗結果滿足GB 50661-2011 的要求，見表4。

表4 力學性能試驗結果

5 結論

（1）通過結果可以看出，對鋼梁采取防變形支撐、校正工裝、焊接順序等措施，很好地保證了較小的焊后變形，減少了校正工作量，提高了效率。

（2）采用陶瓷襯墊打底的CO氣體保護焊與埋弧焊的組合焊接工藝及其工藝參數的設置滿足大跨度鋼梁焊縫質量的要求。說明這種組合焊接工藝在大跨度、長焊縫的鋼梁焊接過程中是可以考慮使用的。

綜上，對于這種32.5 m 的大跨度異形截面鋼梁是在核電廠的首次應用，在以往核電廠建設中并無示例可參考，合理選擇施工與焊接工藝是保證鋼梁質量的關鍵。合理的防變形工裝設計以及CO氣體保護焊與埋弧焊的組合焊接工藝的應用，也保證了長焊縫的焊接質量，為后續核電廠中此類大跨度異形截面鋼梁提供了一個很好的范例，具有一定的參考價值。