超大型橋梁鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)去應(yīng)力退火技術(shù)

中建鋼構(gòu)江蘇有限公司 靖江 214532

1 工程概況

上海市云翔大型社區(qū)配套蕰藻浜大橋（圖1）為典型針形獨(dú)塔斜拉橋。針形塔柱為全鋼結(jié)構(gòu)，高逾110 m，質(zhì)量逾1 000 t，向主跨傾斜18°。塔柱分為上、中、下塔柱進(jìn)行制作。

圖1 上海蕰藻浜大橋效果圖

下塔柱為全塔主承力結(jié)構(gòu)件，其橫斷面為3 塊超厚板組成的等邊三角形，截面尺寸由上端向下漸縮，底座為鑄鋼件。下塔柱主要材質(zhì)為Q345qD，主體板厚均在100 mm以上，最厚處達(dá)到150 mm，焊縫填充量巨大。

節(jié)點(diǎn)部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫密集，存在焊縫相交情況（圖2）。焊后節(jié)點(diǎn)部位存在大量殘余應(yīng)力，對(duì)塔柱整體承力性能及抗疲勞性能產(chǎn)生不利影響。

圖2 節(jié)點(diǎn)部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊縫密集相交

2 技術(shù)原理

焊件在冷卻過(guò)程中由于各部位冷卻速度不同而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)大型結(jié)構(gòu)焊接件由于焊接量大，導(dǎo)致焊件內(nèi)部產(chǎn)生大量焊接殘余應(yīng)力。若內(nèi)應(yīng)力、殘余應(yīng)力較大而未及時(shí)予以去除，常導(dǎo)致工件變形甚至形成裂紋[3-5]。

去應(yīng)力退火是將工件緩慢加熱到工件A1點(diǎn)以下某個(gè)溫度，保溫一段時(shí)間，使金屬內(nèi)部發(fā)生弛豫，然后緩冷的過(guò)程。去除應(yīng)力熱處理主要有以下作用：

1）消除焊縫金屬中的氫，提高焊接接頭的抗裂性和韌性。

2）降低焊接接頭中的殘余應(yīng)力，消除冷作硬化，提高接頭抗斷和耐應(yīng)力腐蝕的能力。

3）穩(wěn)定焊接結(jié)構(gòu)的形狀，消除焊件在使用中的畸變。

通過(guò)消應(yīng)力退火處理，可去除焊件70%內(nèi)應(yīng)力，大大提高焊接構(gòu)件的整體承力性能。

3 擬定工藝

大的焊接構(gòu)件難以在加熱爐內(nèi)進(jìn)行去應(yīng)力退火，常常采用遠(yuǎn)紅外熱輻射方式局部退火，其退火加熱溫度一般略高于爐內(nèi)加熱。鋼的去應(yīng)力退火保溫時(shí)間為3 min/mm。去應(yīng)力退火后的冷卻應(yīng)盡量緩慢，以免產(chǎn)生新的應(yīng)力[1]。

對(duì)于上海蕰藻浜下塔柱橋梁節(jié)點(diǎn)處，要求在端頭2 250 mm范圍內(nèi)進(jìn)行整體消應(yīng)力退火處理，其中主要鋼材板厚度為100 mm。

1）消應(yīng)力退火保溫溫度及時(shí)間：Q345qD材質(zhì)，退火溫度≥550 ℃；局部焊縫集中區(qū)域，焊縫相交、重疊厚達(dá)200 mm，保溫時(shí)間根據(jù)T（保溫時(shí)間，h）≥[150+δ（厚度，mm）]/100控制。由于為空心腔體結(jié)構(gòu)，除在內(nèi)部加設(shè)加熱片以外，應(yīng)適當(dāng)提高保溫溫度及保溫時(shí)間[2]。

擬定消應(yīng)力退火處理保溫溫度625 ℃±25 ℃，保溫時(shí)間設(shè)定為6 h。

2）升溫、降溫速度：升溫速度R1≤220×25/δ，降溫速度R2≤275×25/δ；且一般均不低于55 ℃/h[3]。

擬定升溫速度：55 K/h≤R1（升溫速度）≤60 K/h；降溫速度：55 K/h≤R2（降溫速度）≤80 K/h。

3）結(jié)構(gòu)件在低于400 ℃升溫、降溫時(shí)，可不采取外部熱輻射的方法進(jìn)行升、降溫控制。

4）結(jié)構(gòu)件退火消應(yīng)力區(qū)域保溫時(shí)，局部最大溫差不大于85 K，并在結(jié)構(gòu)件局部退火處理長(zhǎng)度擴(kuò)大至2 500 mm，保證加熱范圍。圖3為下塔柱局部消應(yīng)力退火范圍示意。初步擬定的消應(yīng)力熱處理溫度曲線如圖4所示。

圖3 下塔柱局部消應(yīng)力退火范圍

圖4 消應(yīng)力熱處理溫度曲線

4 焊接工藝評(píng)定

焊接工藝評(píng)定條件應(yīng)與產(chǎn)品條件相對(duì)應(yīng)[4]。根據(jù)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的焊接接頭形式、板厚進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，并要求進(jìn)行消應(yīng)力退火處理。圖5為焊接工藝評(píng)定試件。圖6為焊接工藝評(píng)定試件進(jìn)行消應(yīng)力退火。

圖5 評(píng)定試件

圖6 試件退火

焊接工藝評(píng)定力學(xué)性能[5]如表1所示（括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)要求值）。

表1 焊接工藝評(píng)定力學(xué)性能

由表1得到以下結(jié)論：

1）焊接工藝評(píng)定合格。

2）去應(yīng)力退火工藝可行，可作為實(shí)際構(gòu)件熱處理工藝。

3）試件未表現(xiàn)出由于去應(yīng)力退火導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度明顯下降的情況。

5 橋梁節(jié)點(diǎn)整體去應(yīng)力退火實(shí)施關(guān)鍵點(diǎn)

5.1 熱功計(jì)算

根據(jù)節(jié)點(diǎn)質(zhì)量60 000 kg計(jì)算，以20 kW/t計(jì)算，60 000 kg/1 000×20 kW=1 200 kW，現(xiàn)場(chǎng)供電容量約為1 200 kW。

5.2 構(gòu)件熱處理現(xiàn)場(chǎng)工藝

1）供電系統(tǒng)。由于熱處理的不可逆性，須確保現(xiàn)場(chǎng)的供電和安全用電。從變壓器至熱處理施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)設(shè)置5 組DZ-400/400自動(dòng)空氣開關(guān)，變壓器至每臺(tái)智能溫控儀的一次導(dǎo)線（中間經(jīng)空氣開關(guān)）由3×95 mm2+1×50 mm2銅芯電纜制作。

2）加熱系統(tǒng)。熱源采用QDZ型框架式加熱器48 片，LCD型履帶式加熱器72 塊，每片加熱器功率為10 kW，框架式加熱器外形尺寸1 000 mm×400 mm×90 mm，履帶式加熱器外形尺寸660 mm×330 mm，設(shè)計(jì)總功率為1 200 kW。

（1）加熱器的布置。根據(jù)工件實(shí)際情況，框架式布置在工件內(nèi)部，共48 塊。履帶式加熱器沿工件底部布置，工件外側(cè)適當(dāng)分布，共計(jì)72 塊，利用熱輻射和熱對(duì)流加熱工藝使工件達(dá)到均勻加熱退火之目的。

（2）加熱器的連接。整體熱處理加熱器的內(nèi)接導(dǎo)線采用φ6.5 mm的圓鋼，套上氧化鋁瓷管引至工件外與外導(dǎo)線連接，再接到智能溫控儀，所用單臺(tái)控制設(shè)備的零線焊為一體，作為公共零線引出組成3 組，各自形成獨(dú)立電網(wǎng)，所有加熱器均采用星形接法，同步通電加熱。

（3）保溫層的鋪設(shè)。保溫材料須保證加熱時(shí)爐外溫度不高于60 ℃，選用保溫性能好、導(dǎo)熱系數(shù)低、容重輕的LT型硅酸鋁纖維針刺氈，為了減少熱損失，保溫層厚100 mm，保溫層之間應(yīng)注意接縫錯(cuò)開、搭接嚴(yán)密，防止熱量損失。

（4）測(cè)溫的控溫系統(tǒng)。本次熱處理工程采用K形簡(jiǎn)裝熱電偶測(cè)溫，熱電偶的補(bǔ)償采用銅-康銅補(bǔ)償導(dǎo)線并通過(guò)ZWK-240 kW（或10 臺(tái)ZWK-120 kW）智能溫控儀控溫，每臺(tái)智能溫控儀輸出功率為240 kW，溫度控制范圍0～1 000 ℃，控制精度為±1 ℃，將設(shè)定的工藝參數(shù)輸入電腦進(jìn)行溫度控制。各點(diǎn)溫度控制均由智能掃描監(jiān)視，每2 s掃描1 次，每24 s修正1 次功率系數(shù)，實(shí)時(shí)控溫屏幕顯示，并由連續(xù)式記錄儀自動(dòng)記錄工藝曲線。

（5）熱電偶布置。工件設(shè)控溫點(diǎn)18 個(gè)，感溫元件熱電偶放置在工件外表面，能真實(shí)反映工件的實(shí)際加熱溫度。

5.3 施工保證

1）工件在熱處理過(guò)程中會(huì)熱脹冷縮，為防止工件產(chǎn)生拘束應(yīng)力和殘余變形，工件每間隔3 m放置1 個(gè)支座，支座下需放置滾動(dòng)裝置，從而確保在熱處理過(guò)程中工件的自由伸縮。

2）熱處理過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行熱處理工藝規(guī)范，防止工件在熱處理過(guò)程中溫差過(guò)大造成溫差應(yīng)力。圖7為熱處理過(guò)程中的溫控設(shè)備及溫控曲線。

圖7 熱處理過(guò)程中溫控設(shè)備及溫控曲線

6 熱處理前后維氏硬度定性分析

熱處理前后對(duì)此橋梁節(jié)點(diǎn)應(yīng)用維氏硬度計(jì)，測(cè)量15 個(gè)點(diǎn)的表面維氏硬度值，每個(gè)點(diǎn)測(cè)量10 次。圖8為測(cè)量點(diǎn)位置示意。圖9為所測(cè)15 個(gè)點(diǎn)的熱處理前后的表面硬度平均值。從圖中可以清晰地看出，構(gòu)件各測(cè)量點(diǎn)表面硬度值均呈下降趨勢(shì)[6-7]。

圖8 測(cè)量點(diǎn)位置示意

圖9 熱處理前后表面硬度平均值

7 結(jié)語(yǔ)

1）本工程超大型橋梁節(jié)點(diǎn)采用的遠(yuǎn)紅外熱輻射方式熱處理技術(shù)，很好地滿足了去應(yīng)力退火處理的相關(guān)溫控要求，有效地減少構(gòu)件內(nèi)殘余應(yīng)力。

2）遠(yuǎn)紅外熱輻射方式去應(yīng)力退火技術(shù)的應(yīng)用，為超大型橋梁節(jié)點(diǎn)消除應(yīng)力提出了新的思路與方法。

3）采用維氏硬度計(jì)測(cè)量熱處理前后構(gòu)件表面硬度值，能定性地分析構(gòu)件表面硬度的變化趨勢(shì)，側(cè)面表明構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力在去應(yīng)力退火處理后得以部分消除。