洋山三期軌道鋁熱焊接工藝應用及焊縫斷裂分析

章琦，劉耘東

（1.廣州南華工程管理有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461）

1 概況

上海國際航運中心洋山深水港區位于小洋山一側，三期工程碼頭設計為第五（六）代集裝箱專用泊位，岸線總長2 600 m，分兩個階段實施，分別于2007年和2008年交工驗收。

碼頭集裝箱裝卸橋吊軌道軌距35 m，采用進口鋼軌A150（高度15 cm），鋼軌抗拉強度≥880 MPa。鋼軌標準長度12 m，鋼軌接頭采用鋁熱焊接工藝。該工藝雖然在國內應用時間較長，但對A150此種規格的鋼軌來說，鋁熱焊接接頭還是首次。

洋山三期工程一階段和二階段鋼軌采用過渡性連接方案，一階段和二階段內的鋼軌則全部連成一體，一階段軌道和二階段軌道全長分別為1 345 m和1 245 m。

廣州南華工程管理有限公司監理的項目為一階段Ⅰ標段和二階段Ⅳ標段碼頭工程，一、二階段全部軌道焊接則由分包單位實施。

2 鋁熱焊接鋼軌的基本原理和工藝技術要求

2.1 鋁熱焊接的基本原理

鋁熱焊接方法[1]為：焊接時，預先把待焊兩工件的端頭固定在鑄型內，然后把鋁粉和氧化鐵粉混合物（稱鋁熱劑）放在坩堝內用高溫火柴點燃，使之發生還原放熱反應，形成液態金屬流入接頭空隙，將接口填滿，經過打磨處理，將兩根鋼軌完美連成一體。

2.2 鋁熱焊接的主要工藝流程技術要求

1） 在鋼軌焊接前，將待連接鋼軌端頭各150 mm的鐵銹（含上、側、底面）打磨干凈。

2） 軌縫滿足25±2 mm要求。應測量上、中、下3處，下處軌縫不得超過上處軌縫寬度，上軌縫宜為25～27 mm。

3）鋼軌接頭進行垂直、水平、傾斜對正，差異不得超過0.5 mm，頂部預留1.6 mm尖點。

4）安裝砂模。先安裝底砂模、再裝側砂模，并在裝側砂模前，對接頭再次檢查調正。砂模裝好后，將砂模與鋼軌接觸的一周圈縫隙處全部抹上封箱膠泥[2]。

5）鋼軌接頭進行預熱。預熱中間不得間斷，預熱應通過以下3方面進行檢查控制：

①溫度應達到900℃以上，預熱時間應滿足工藝規定，預熱后觀察鋼軌端應清晰發紅；

②預熱為壓縮空氣+液化氣預熱系統，注意每次焊接前，檢查壓縮機汽油和液化氣重量以確保預熱不間斷；

③A150軌道預熱時間約為38 min，預熱時間確定從火焰的調節完成開始按下秒表計時，軌端發紅應為鋼軌中間及軌頭顏色發紅，預熱溫度用紅外線測溫儀測定，要不間斷注視整個預熱過程。

6）在預熱將結束時，將焊藥倒入坩鍋，預熱完成后立即將裝有焊藥的坩鍋放在砂模中央，點燃點火引信，蓋上鍋蓋，對接口進行澆筑（見圖1）。

圖1 鋁熱焊接施工圖Fig.1 Thermite welding construction

7） 澆筑完成保溫時間達到45 min后，將側模夾具拆除，并待焊接頭自然冷卻后，將砂模敲掉并將接口打磨，頂面應與母材連接平順，側面可突出于母材，形成加強層。

8）焊接完成后，對每個焊口及時進行表面檢查和超聲波、磁粉探傷檢測并留有檢測記錄。有缺陷的接頭應切割掉重焊，切割口離焊口至少150 mm。

3 鋁熱焊接鋼軌質量控制要點和需注意的問題

3.1 檢查接頭位置

在布置鋼軌時，應注意接頭位置離開伸縮縫至少3 m，且前后軌接頭應錯開。

3.2 焊接工藝評定

正式施焊前，要求施工單位進行焊接工藝試驗評定，對焊口質量進行檢驗，并確定焊接技術參數。工藝評定報告和焊接手冊應報監理工程師批準。

3.3 現場操作情況

根據批準的焊接手冊檢查施工單位現場操作情況是否符合要求，主要有：

1）檢查待連接鋼軌端頭兩側各150 mm上下和側面范圍的鐵銹是否打磨干凈。

2）測量軌縫，應滿足工藝要求，并進行固定和檢查對正情況。

3）檢查砂模有無缺損、斷裂，焊劑包裝袋有無破損，劑量是否滿足要求[3]，焊劑是否受潮變質。不符合要求的不準使用。

4）檢查預熱時間是否滿足控制標準，預熱用氣體壓力表指示是否符合控制規定，預熱后檢查鋼軌端是否清晰發紅，是否達到控制溫度，否則應延長預熱時間。

5）檢查是否在澆筑后達到規定的時間拆模。

3.4 檢查打磨情況

當焊口冷卻到空氣溫度時，進行精細打磨，打磨后，接頭與母材應連接平順。

3.5 施工記錄

督促施工單位對每個接頭施工情況進行記錄，記錄應具有可追溯性，含接頭位置、焊工姓名、天氣情況、完成時間、預熱溫度、幾何偏差、鋁熱焊劑材料批號等。監理對接頭施工情況進行抽查并填寫旁站記錄。

3.6 提供探傷檢測報告

每個接頭應提供探傷檢測報告，含磁性檢測和超聲波檢測，監理工程師應仔細檢查探傷報告，判定為不合格的，應指令施工單位鋸除不合格接頭重新施工。

3.7 施工中需注意的問題

1）鋼軌間隙控制：2根單軌連接較好控制，但如果有1根為已連接好的長軌，則要注意鋼軌溫度變化引起的熱膨脹和冷收縮對軌縫寬度的影響。雖然裝沙箱前可以將縫寬調到規定的范圍，但裝沙箱后至焊接結束有1 h多，如果此時氣溫變化較大，則縫寬可能不符合要求。

2008年5月31日上午在焊接時，曾發生封箱泥開裂，鋼水外溢事故。事故原因分析為鋼軌西頭總長已為58 m，間隙雖留置34～35 mm，但由于溫度上升較快，鋼軌伸長較大，頂壞了砂箱模具。

應對措施：焊接長軌時，應避免在氣溫變化較大的時段施工；另外應計算鋼軌可能發生的伸縮量，調整預留縫寬。

2）焊縫質量控制：

①應注意天氣狀況對焊接質量影響。為防止加熱和澆筑過程發生中斷意外或預熱不均，宜搭設擋風遮雨棚；

②密封砂模的封箱泥要均勻不能太厚以免影響封箱泥未烘干而在鐵水澆注過程中產生氣孔；

③嚴禁使用焊劑受潮、開裂、破損的藥包、坩堝和砂模，另外要觀察溫度變化和控制預熱時間，確保預熱連續，焊藥按時點燃。

4 焊縫斷裂情況和原因分析

4.1 焊縫斷裂情況

鋁熱焊接在一階段應用較成功，交工后當年焊縫沒有斷裂；但二階段2008年9月交工后，當年11月溫度降低后即有4處焊縫斷裂，斷裂部位位于軌道的末端15～150 m范圍，第2年增加到6處。分析焊縫斷裂的原因，提出以下結論：

1） A150鋼軌鋁熱焊接技術本身不夠成熟、使用有風險。據技術提供方法國拉伊臺克的經驗，采用鋁熱焊的質量保證率一般為95%～99%，在其它碼頭較小鋼軌的使用中也有斷裂的情況出現。

2）焊縫檢測手段僅為超聲波探傷，不足以發現可能存在的缺陷，檢測結論不夠可靠。

3）由于為進口材料，使用經驗少，國內無檢測標準和試驗手段，現場對焊劑材料、焊接工藝評定、焊縫合格判定等存在監管風險。

4.2 焊縫斷裂原因分析

軌道連成整體的長度較長或軌道安裝固定的時間不當也是焊縫斷裂的原因之一。一階段軌道焊接后，有1 000 m左右軌道7—8月完成安裝、與碼頭固定；碼頭結構1～4分段約300 m左右軌道因碼頭位移未穩定，軌道安裝固定推遲至當年11月，碼頭溫度降低后，軌道與碼頭的伸縮率不一致使軌道處于受拉狀態，但因長度較小，受力未超過極限，焊縫沒有斷裂。由此可推論，二階段軌道整體安裝時間如避開最熱的7—8月，或將二階段軌道連成整體的長度降低一半，可能也不會發生斷裂。

5 結語

鋁熱焊接工藝與電焊相比，具有焊接速度快、施工效率高、工藝技術要求相對簡單等特點，但其鋼軌和鋁熱焊接材料都需要進口，造價較高。同時也要注意，應用該技術時，焊縫存在斷裂的可能性，斷裂主要是由于工藝本身的技術問題和焊接時機掌握不好。在碼頭使用后，斷裂修復對生產有一定影響，故應權衡利弊，選擇應用該技術。

[1]呂凡昌.鋁熱焊接法在洋山深水港區碼頭鋼軌焊接中的應用[J].港口科技，2007（7）：33-36.LYU Fan-chang.The application of aluminium heat weld method on the rail welding in the deep water port area of Yangshan Island[J].Science ＆ Technology of Ports，2007（7）：33-36.

[2]楊勝生.鋼軌鋁熱焊接技術在鹽田三期工程中的應用[J].水運工程，2004（10）：57-59.YANGSheng-sheng.Application of Aluminithermic welding technology for steel rail in Yantian Port area phaseⅢ project[J].Port＆Waterway Engineering，2004（10）：57-59.

[3]楊勝生，莫文賀.鋼軌鋁熱焊接技術在碼頭工程上的首次應用[J].華南港工，2004（12）：56-58.YANG Sheng-sheng，MO Wen-he.The first application of Aluminium welding technology for steel rail in wharf engineering[J].South China Harbour Engineering，2004（12）：56-58.