劉家道口支鉸鋼梁制作工藝論證與實踐

楊廣亮

一、工程概況

劉家道口樞紐工程為大I型工程，位于山東省臨沂市境內。劉家道口節制閘是劉家道口樞紐工程的主要建筑物之一，共36孔，單孔凈寬16m，工作閘門為弧形鋼閘門。單扇閘門含支臂重約83t。支鉸鋼梁與支臂鉸座相連接，是將門體水壓通過預應力錨索傳遞到基礎上的承載構件。其中中墩支鉸鋼梁35根，外形尺寸為4550mm×2740mm×1160 mm，邊墩支鉸鋼梁2根，外形尺寸為3275mm×2740mm×1160 mm。

二、方案論證

支鉸鋼梁為箱形梁結構，采用材料為Q345B。支鉸鋼梁上、下面板采用δ100鋼板，腹板采用δ80鋼板，中間隔板厚度為δ60鋼板。設計要求支鉸鋼梁要進行焊后內應力處理和機加工。如何保證焊接質量、控制焊接變形及內應力處理是制造工藝的關鍵。

針對支鉸鋼梁制作工藝的關鍵點，進行工藝制訂。先制定出工藝卡，按工藝卡要求嚴格執行；一、二類焊縫焊接前進行焊接工藝評定，制定焊接工藝參數；內應力去除采用振動時效工藝并委托有資質的第三方進行質量檢測及振動時效效果驗證。

1、拼裝焊接

從結構上看該工程支鉸鋼梁為箱型焊接件，板材較厚。面板和腹板是組成此構件的主框架。首先完成主框架的拼裝焊接，再進行其他構件拼焊。此組合焊縫為二類焊縫，且均為連續焊縫，腹板需做雙面坡口。因焊接量大，從減小焊接變形及提高效率考慮，采用雙面J形坡口，該坡口形式選用填充物相對較少、制作較方便，坡口采用銑邊機制作。

2、內應力處理

該工程支鉸鋼梁由鋼板經火焰切割、校正、焊接等多道工序加工成形，在上述多道工序中存在大量的殘余應力，當工件成形后，會因材料的原始狀態改變，導致工件內部受力失衡，釋放部分殘余應力，使原有的加工狀態扭曲變形，影響工件后續加工正常進行或使用，因此需進行消除應力處理。

鋼梁件尺寸及重量大，如采用退火工藝，一般退火設備不能滿足鋼梁尺寸及起吊需要，且工期較長。因此確定采用振動時效消應即“VSR”技術。振動時效是利用工件的共振給工件施加交變應力或變形，當附加交變應力與殘余應力疊加通過材料內摩擦吸收能量達到或超過材料的某一個閥值時，工件發生微觀或宏觀粘彈塑性變化，從而降低和均化工件內的殘余應力，并使其尺寸精度達到穩定。

三、支鉸鋼梁制作工藝實踐

支鉸鋼梁制作工藝流程：施工準備→放樣→下料→坡口制作→箱形梁拼裝焊接→隔板及肋板拼裝焊接→鋼管拼裝焊接→內應力處理→機加工→防腐→驗收。

1.施工準備

鋼梁制造前，組織人員準備施工機具，進行圖紙會審、技術交底、編制制作工藝卡。材料進場后，質量控制部門進行原材料檢驗及材料試驗，合格后投入使用。

2.放樣、下料及坡口制作

按工藝卡圖樣進行放樣，復核檢驗無誤后進行下料。一二類對接焊縫及組合焊縫均需制作坡口，坡口采用XBJ-9m銑邊機銑制，銑坡口時控制好銑削速度、每次進刀深度及坡口角度，確保精度要求。

3.箱形梁拼裝焊接

根據方案，先進行箱梁主框架拼裝焊接、再進行其他構件拼焊。在正式焊接前做焊接工藝評定，確定相關焊接參數。

將面板1#件（前）平放于平臺上（注意正反面），以下料前十字中心線為基準進行放樣，根據施工工藝尺寸做出待拼裝板邊線，復核檢驗合格后，用樣沖做好記號點，保證錨索孔十字線到中心線尺寸符合設計要求，且對角線誤差小于1mm。

將9#件即厚80mm腹板的中心線與面板1#件樣圖上中心線相對，以中心線向兩側按線拼裝，檢驗垂直度，拼裝中間7#件，以增加鋼梁的整體性和剛性，然后拼裝另一塊9#件（注意坡口朝向及上、下面），最后再拼裝另一塊面板1#件。焊前加固長度50mm，間距≤200mm。

焊接前，清理焊道，不得有雜物、水漬油污、銹斑等。然后按以下順序進行焊接：首先用手工電弧焊將箱體內四道主焊縫分中向兩側打底焊兩遍，再將中間7#件焊接，焊角高16mm，然后分多層多道焊接箱內主焊縫，為了減少翻轉次數，外側焊接可同時進行。外側采用埋弧自動焊。焊接完成后，再進行其他構件拼裝。

4.隔板及加強板拼裝焊接

在1#件上焊接4塊拼裝箱體其余7#件的定位板?？紤]箱梁內角焊縫對7#件拼裝的影響，拼裝前，將7#件四周倒角，并焊接防傾板。

5.鋼管拼裝焊接

為保證鋼管拼裝關鍵部位的精度，鋼管采用鋼絲定位法拼裝。將鋼梁側立于平臺上，并校核鋼梁十字中心線與平臺的水平及垂直度，然后掛鋼絲（鋼絲用專用模板固定），以鋼絲為基準，校核各錨索十字中心線及固定鉸座十字中心線，然后分別拼焊17#、18#、19#件。

6.消除內應力

采用振動時效的方法進行鋼梁的消除應力處理。

（1）工藝分析

從工件的工作狀態來看，該零件需要重點保持的形位要求是前后兩平面，該部位是支鉸鋼梁及鉸座安裝的工作面，對其平面度、平行度有較高的要求。在工作時，前后兩平面都會受到很大的壓力，如果不釋放殘余應力，提高工件的抗變形能力，容易產生彎曲變形。因此在振動時效時，重點是消除工件中部的殘余應力。

從工件的結構來看，該工件是箱體結構件，前后兩面相對時焊縫熔池較大、較深的部位極易積聚大量的焊接熱量，從而形成較大焊接應力，導致該部位在釋放殘余應力后，會產生較大扭曲變形。因此在振動時效時，重點消除工件中部及外部周邊的殘余應力。

從工件的力學性能來看，該工件有較高剛性和強度，自身具有較強的抗變形能力，因此在振動時效時，采用較大的激振力，強迫工件產生高頻、周期性的交變運動，形成一定程度的粘彈塑性變形，從而達到振動時效的目的。

（2）振動時效實施

振動時效實施流程：現場整理→安放彈性墊→安裝激振器→安裝拾振器→調整激振器擋位→掃頻→時效。

①現場整理。振動時效前在門機生產線內清理出場地，支鉸鋼梁水平臥放。

②安放彈性墊。該支鉸鋼梁采用三點支撐，每支撐點用一個彈性墊分別布置在支鉸鋼梁下方。彈性墊安放在工件1/3長度處，即按長度方向，兩端往內1.5m處，呈三角形放置。

③安裝激振器。將激振器安裝在支鉸鋼梁的主振點處（工件在自由振動時的振幅最大處）。支鉸鋼梁的腹板與翼板四道組合焊縫應力較大，激振點的施振方向與該組合焊縫一致。

④安裝拾振器。將拾振器安裝放置在激振點對角處。

⑤調整激振器檔位。選用KL-30BIV型激振器，激振器可調整檔位數為0°～180°，偏心檔位選為90°。

⑥掃頻。

a、設定最高轉速：操作在設備在監控狀態下進行，通電后緊接著按“監控”鍵，再按“定速”鍵，設備立即進入監控狀態。最高轉速設定為6500r/min。

b、掃描流程圖：按“掃描”鍵，系統自動進入尋找共振點過程，此時掃描指示燈亮。從最低轉速到最高轉速值。加速度值超過200m/s2自動停機，系統自動報警，此時按“打印”鍵，打印出工藝卡，第二次按打印鍵，打印掃描曲線。若加速度值不超過200m/s2時，適當調增激振力。

⑦時效。根據掃描曲線，選用1/3～2/3加速度對應的轉速直接進入時效，此時時效指示燈亮。

a、時效流程圖：預置→定速→輸入最高轉速值→定時→輸入時間值→監控→時效→打印→打印。

進入時效時，最高轉速值設定為6450 r/min，時效時間每次設定為8min。打印出a-t曲線。

b、掃描：進入時效后，回監控狀態，按“掃描”鍵，打印時效后a-f曲線。

c、觀察a-t曲線，對比振前振后a-f曲線，根據JB/T10375-2002參數曲線觀測法，判定振動時效是否有效。

（3）時效效果評定

定性評定：按振動時效效果評定方法（JB/T5926-2005）對時效曲線進行評判。

定量評定：由水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心對首件支鉸鋼梁產品進行檢測。檢測方法及結果如下：

①測試方法。殘余應力測試采用鉆孔應力釋放法，即在被測工件上鉆一盲孔，使被測點的應力得到釋放，并由事先貼在孔周圍的應變計測得釋放的應變量，根據彈性力學原理計算出殘余應力和應力方向角。用振前各點殘余應力對其平均值的差值的最大值去比較振后該最大值，從而衡量應力均化程度。

②殘余應力消除評定。殘余應力按下式計算：

σ1——振前應力平均值

σ0——振后應力平均值，k>30%。

③檢測內容。a、振動時效工藝消除殘余應力及殘余應力均化效果定量評定；b、焊縫外觀評定；c、焊縫內部質量評定；d、幾何尺寸檢測；e、抽檢數量為4件。

④結論。符合標準要求。

四、結語

劉家道口支鉸鋼梁制作質量的檢測結果表明，劉家道口支鉸鋼梁制作工藝切實可行，能夠確保鋼構件的質量。在制作工藝實施前，組織有關專家對制造工藝進行論證，并在首件產品制造完成后進行工藝驗證、修訂是制造工藝成功的關鍵因素。在劉家道口支鉸鋼梁制作過程中首次將振動時效工藝應用于水工箱型結構構件的內應力處理上，并取得較好的效果，為水工大型金屬構件的應力處理提供了一個新的思路