穹頂弧形結(jié)構(gòu)成型及焊接質(zhì)量控制

馮長(zhǎng)源 劉文華

中核工程咨詢有限公司 北京 100048

1 簡(jiǎn)介

穹頂由上部球缺和下部圓環(huán)帶兩部分組成，上部球缺內(nèi)半徑R內(nèi)徑=25000mm，下部圓環(huán)帶內(nèi)半徑R內(nèi)徑=6000mm，下口內(nèi)直徑Φ內(nèi)徑=38000mm，全高H=11150mm。鋼襯里穹頂為雙曲面殼體結(jié)構(gòu)，由5mm厚鋼板及焊接在其外側(cè)的角鋼肋組成。整個(gè)穹頂鋼襯里板分成五層，其中圓環(huán)帶部分為最下一層。

2 穹頂制作工藝及質(zhì)控難點(diǎn)

穹頂在車間分層分塊預(yù)制成108個(gè)分快板，分快板預(yù)制完成后在現(xiàn)場(chǎng)1至3層二次拼接成42塊，然后整體焊接拼裝。穹頂分快板車間預(yù)制，分快板首先經(jīng)過卷板機(jī)卷制→上胎膜制作→徑向及環(huán)向角鋼焊接→弧度矯正；車間完成后穹頂開始現(xiàn)場(chǎng)制作，分快板二次拼接→整體拼裝焊接→第一層立縫焊接→第一層伸縮縫焊接→第一層連接角鋼焊接→第一二層環(huán)縫焊接。

穹頂制作過程中，主要有三大質(zhì)控難點(diǎn)需要重點(diǎn)控制：第一，穹頂是雙曲面弧形結(jié)構(gòu)，徑向及環(huán)向曲率半徑相差大，弧度難控制；第二，穹頂所用鋼板薄，焊接量大，焊接過程容易變形；第三，穹頂鋼結(jié)構(gòu)丁字焊縫多，應(yīng)力集中，丁字縫區(qū)域焊縫容易開裂。

3 穹頂制作過程質(zhì)量控制

3.1 穹頂弧形結(jié)構(gòu)弧度控制

穹頂共分成5層車間預(yù)制，相比第二至第五層，穹頂?shù)谝粚与p曲面結(jié)構(gòu)的徑向曲率半徑為R=6m，而環(huán)向平均曲率半徑為R=19m，徑向和環(huán)向曲率半徑相差大，所以穹頂弧形結(jié)構(gòu)的弧度成型成為質(zhì)控重點(diǎn)。

（1）穹頂弧度控制要求。穹頂球面弧度要求：穹頂球瓣成型后，用弦長(zhǎng)3m的樣板檢查，最大間隙不能超過6mm,局部凹凸不得大于3mm，周邊不允許有褶皺。

（2）影響弧度控制的因素。由于穹頂?shù)谝粚臃挚彀鍨殡p曲面結(jié)構(gòu)，為了提高弧度控制精度，首先分快板下料切割后需經(jīng)過卷板機(jī)卷制，卷制完成后分快板上胎膜制作，因此卷板機(jī)及胎膜對(duì)穹頂分塊板的弧度影響最大；第二，分塊板背部角鋼緊貼穹頂壁板，角鋼的弧度尺寸對(duì)穹頂分快板的弧度有直接影響。

（3）具體控制措施。

①卷板機(jī)工裝尺寸決定卷制效果，應(yīng)先采用模擬試件對(duì)卷板機(jī)工裝不斷進(jìn)行調(diào)整，直到卷制的雙曲面弧度符合要求，然后再開始正式的分塊板的卷制。

②控制胎膜的弧度，分塊板最終在胎膜上進(jìn)行加工，因此應(yīng)仔細(xì)檢查胎膜尺寸，用3m的樣板分別對(duì)胎膜上的徑向及環(huán)向角鋼檢查，觀察樣板與胎膜角鋼是否存在間隙，間隙超過6mm時(shí)需要對(duì)胎膜進(jìn)行調(diào)整。

③最終弧度尺寸檢查，監(jiān)理人員應(yīng)使用標(biāo)定的樣板尺在分塊板上分別對(duì)徑向和環(huán)向弧度進(jìn)行檢查，盡量選取背部縱向和環(huán)向角鋼交叉的部位多次進(jìn)行弧度檢查，間隙不能大于6mm。

3.2 焊接變形及質(zhì)量控制

（1）焊接變形產(chǎn)生的原因。

①分塊板外側(cè)主要由角鋼及加勁肋組成，在交叉部位拘束度過大，平角焊縫與立縫焊縫集中，焊接停留時(shí)間過長(zhǎng)，受熱集中，因此焊接后產(chǎn)生變形，導(dǎo)致內(nèi)部凸起，產(chǎn)生鼓包變形。

②由于穹頂每個(gè)單元板面積較大，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)縫及立縫較長(zhǎng)，組對(duì)拼裝困難，且穹頂?shù)牧⒖p、縱縫為全熔透焊縫，鋼板厚度為5mm，焊接過程易引起角變形。

（2）事前預(yù)控。重點(diǎn)關(guān)注：焊接工藝評(píng)定已經(jīng)完成；焊工應(yīng)按HAF603的相關(guān)規(guī)定取得相應(yīng)資格；無損檢驗(yàn)人員應(yīng)按HAF602規(guī)定取得檢測(cè)資質(zhì)；焊機(jī)、檢驗(yàn)器具、圓弧靠板的使用應(yīng)在標(biāo)定有效期內(nèi)。

（3）事中控制。穹頂焊接采用焊條電弧焊焊接，從合理安排焊接順序、選用合適的焊接工藝、工裝固定方面控制焊接變形，具體包括以下幾方面：

①先焊接徑向角鋼，再焊接環(huán)向角鋼，焊接采用從角鋼肋十字交叉處往兩邊分布跳焊，角鋼肋在組對(duì)時(shí)增加十字交叉區(qū)域焊縫的組對(duì)點(diǎn)，從而減少正式焊接時(shí)該區(qū)域的受熱時(shí)間。

②在立縫焊接前，可采取增設(shè)防變形圓弧靠板的剛性固定法進(jìn)行控制，沿分塊板拼接縫長(zhǎng)度方向每間隔700-800mm設(shè)置一塊厚度t≥5mm的圓弧靠板，靠板的弧度根據(jù)分塊板的不同而不同。

（4）事后控制。

①采用機(jī)械矯正加火焰烘烤對(duì)超標(biāo)變形進(jìn)行控制。

②穹頂鋼襯里對(duì)接焊縫真空盒密封檢驗(yàn)100%，液體滲透100%，焊縫交叉處射線檢驗(yàn)100%，通過實(shí)時(shí)跟蹤焊工一次拍片合格率可及時(shí)了解焊工技能水平狀態(tài)，減少后續(xù)焊接缺陷的發(fā)生。

3.3 丁字焊縫焊接質(zhì)量控制

丁字焊縫是整個(gè)穹頂焊縫質(zhì)量的薄弱部位，在該丁字焊縫區(qū)域，焊接裂紋傾向增大，從而會(huì)增大焊縫開裂的可能性，應(yīng)重點(diǎn)控制丁字焊縫的焊接質(zhì)量。

（1）原因分析。

①在丁字焊縫區(qū)域，縱向與環(huán)向焊縫交接，焊縫承受更大的拉伸和塑性變形，消耗了材料的塑形，增大了剛性，焊接裂紋傾向增大，導(dǎo)致焊縫開裂可能性增大。

②丁字焊縫接頭形式導(dǎo)致焊縫區(qū)域經(jīng)歷兩次焊接熱循環(huán)，接頭熱影響區(qū)產(chǎn)生脆性組織，冷卻過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，焊縫性能下降。

（2）控制措施。

①選擇合理的焊接順序。丁字口區(qū)域焊接順序應(yīng)先焊接立向焊縫然后分段焊接環(huán)縫，在丁字口區(qū)域外側(cè)焊接完成后，再進(jìn)行環(huán)縫整體焊接。

②焊接過程中，填充層焊接完成后，冷卻過程中通過錘擊焊道，從而降低接頭焊接殘余應(yīng)力，減少變形，間接的提高了焊縫質(zhì)量。

③焊縫坡口打磨圓滑，保證焊接熔池當(dāng)中的熔敷金屬充分熔合。

4 應(yīng)用效果及總結(jié)

丁字接頭焊縫焊接時(shí)需控制焊接順序，按照先立縫再環(huán)縫，嚴(yán)格控制組對(duì)錯(cuò)邊量，并且錘擊填充層焊道降低內(nèi)應(yīng)力，從而有助于提高焊接質(zhì)量。

現(xiàn)場(chǎng)穹頂拼裝完成后的下口周長(zhǎng)實(shí)際測(cè)量誤差為14mm,低于理論誤差50mm要求，說明通過合理的質(zhì)控方法可以確保穹頂弧形結(jié)構(gòu)質(zhì)量滿足要求。