塔式鍋爐疊合式大板梁制作要點

謝 娜

(中國鋼結構協會，北京 100088)

近年來，我國電站鍋爐行業發展迅速，在國內外建立運行了大量的超大型電站，電站鍋爐日益朝著節能環保方向發展[1-2]。從電站鍋爐的整體布置形式看，這些大型電站有П形布置，也有塔式布置[3]。大型塔式布置的鍋爐鋼結構頂板大板梁，由于載荷巨大，造成大板梁的截面也非常大，并且由于結構受力很大，以及構件的不可替換性，其重要性不言而喻。

大板梁是電廠鍋爐鋼結構中的主要受力構件：鍋爐本體載荷通過吊桿傳到鍋爐鋼結構頂板吊點梁上，由吊點梁傳到大板梁；通過大板梁將載荷傳至鍋爐主體鋼柱，由鋼柱傳到基座。隨著國內外火電廠單臺裝機容量的增大，鍋爐鋼結構中的大板梁設計尺寸及質量也越來越大。由于大板梁超長、超高、超重的特點，其整體制造、安裝和運輸均不方便，故將大板梁設計成通過高強螺栓將上梁和下梁連接在一起的疊合式大板梁(簡稱疊梁)結構，最終在安裝過程中，通過中間法蘭面的高強螺栓連接成整體受力構件。

筆者將某1 000 MW電廠塔式鍋爐大板梁作為研究對象，研究了疊梁的制作方法，為此類大型復雜構件的制作提供了參考。塔式鍋爐疊梁由上下2根實腹式焊接H形梁組合而成，制作難度較高，其疊合面螺栓孔的對接、厚板焊接技術、超大型梁的起拱等是此類構件制作的難點。疊梁應保證疊合面連接螺栓穿孔率，使疊合面高強螺栓能有效地將上下梁連成一個整體，達到設計要求的幾何尺寸和使用性能，滿足鍋爐設備的安全運行。

1 疊梁結構

該1 000 MW塔式鍋爐發電機組，采用了典型的疊梁結構，上下2根焊接H形鋼梁整體高8 m、長45.5 m，上下翼緣板厚度和寬度分別為145 mm和1 500 mm，腹板板厚50 mm，上下梁間疊合面通過1 300余組M27螺栓連接(見圖1、圖2)，整個疊梁總質量約360 t。

圖1 疊梁整體圖

圖2 疊梁結構圖

2 制作要點分析

疊梁擁有超高截面、超長長度、超厚板材的結構特性，容易變形，故制作精度要求高。在控制上下梁同步起拱的同時，保證疊合面1 300余組孔的同心穿孔率及疊合面的密貼度，成為了疊梁制作的關鍵。疊梁的加工難點主要在于以下幾個方面：(1)上下梁同步起拱控制；(2)超厚板的焊接；(3)疊合面的同心度控制；(4)上下梁加勁板的同步控制；(5)疊梁騰空翻身技術。

2.1 上下梁同步起拱控制技術

2.1.1 起拱方法

大板梁在受自重和載荷的作用下會產生下撓，在制作過程中，需要有一定的上拱度。按照技術文件要求，大板梁的拱度最大為L/1 000(L為長度，mm)，通常拱度下限取10 mm，上限取L/1 000。

大板梁自重產生的撓度[4]為：

(1)

式中：f1為大板梁自重產生的撓度，mm；q為大板梁單位長度自重載荷，kN/m；E為材料彈性模量，MPa；I為大板梁截面慣性距，mm4。

根據式(1)計算出的大板梁自重產生的撓度為1.95 mm，在最大載荷下的撓度為54 mm。因此，根據結構撓度計算及考慮焊接收縮變形等因素，該大板梁起拱按28 mm設計較為合適。

對于截面剛度較小的鋼梁，可以采用火焰矯正起拱法預制拱度；但是對于截面剛度較大的鋼梁，火焰矯正起拱法因加熱區域較小、熱量不穩定、起拱均勻性較差，難以滿足上下梁同步起拱的效果。經過研究并結合制作經驗，腹板預制拱度法則更為合適，上梁腹板上側及下梁腹板下側在下料過程中，直接由數控火焰切割機切割出28 mm弧度(見圖3)。當翼緣沿腹板弧線頂緊裝配時，即可得到起拱后的鋼梁；而在疊合面位置，為了方便疊合面的密貼裝配與檢查，通常保持水平，不設拱度。

圖3 起拱抽象圖

2.1.2 余量設計與材料采購

大板梁受長度和質量的影響，應定長、定寬采購材料，以減少加工成本，并且由于大型構件在制造中會發生焊接收縮等問題，需要在加工制作時適當增加余量，保證加工后滿足構件設計的尺寸要求。材料采購應注意的主要問題有：

(1)材料應滿足設計提出的理化性能指標，入場時提供鋼材質保證明書。對于疊梁的50 mm腹板與145 mm翼緣，優先選擇正火或控軋控冷狀態交貨的鋼材，并按NB/T 47043—2014 《鍋爐鋼結構制造技術規范》要求，附加原材料100%超聲波要求，其質量等級應符合NB/T 47013.3—2015 《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》中Ⅲ級的要求，并按JB/T 3375—2002 《鍋爐用材料入廠驗收規則》進行入廠復檢。

(2)應綜合考慮材料經濟性，并按減少拼接量的原則定尺寸采購材料，疊梁長約45.5 m，應將每塊腹板及翼緣長度控制在11～12 m，單塊腹板或翼緣質量控制在30 t以內，腹板寬度為4 m，減少橫向拼接，拼接應符合NB/T 47043—2014要求。

(3)材料采購時，需要注意余量的加設，每根單梁腹板分為4塊約11 m長、4 m寬的鋼材進行采購。

①所有上梁腹板加設28 mm寬度余量；居中2塊板不加設長度余量，邊側板加設50 mm長度余量，其中3 mm為焊縫拼接收縮余量，47 mm為端部修邊余量。

②所有下梁腹板不加設寬度余量；居中2塊板不加設長度余量，邊側板加設50 mm長度余量，其中3 mm為焊縫拼接收縮余量，47 mm為端部修邊余量。

③所有翼緣不加設寬度余量，長度余量隨腹板同樣加設。

④所有材料的邊緣另外加設10 mm的火焰切割余量。

(4)相鄰拼縫必須錯開200 mm，拼縫與螺栓孔中心必須錯開120 mm，拼縫與加強板必須錯開100 mm，疊梁排版圖需要提交設計單位審核批準，經設計部門會簽確認后才能使用，制作過程中必須嚴格按會簽圖施工，拼接焊縫不應與連接的吊點梁重合，使大板梁的受力更加合理，滿足設計要求。

2.1.3 下料

該疊梁的翼緣屬于超厚鋼板，腹板為中厚鋼板。對于需要切割的板材，應采用相應的設備進行合理下料切割。在下料前，應檢查氣割機割炬的火焰垂直度，控制切割邊緣垂直度在2 mm以內。

切割前的預熱能有效減少起弧位置的切割缺陷。該疊梁腹板需要預熱30 s，而翼緣預熱時間應不少于150 s。

切割過程必須采用有效的方法減少材料旁彎。翼緣應使用多頭直條火焰切割機下料；腹板采用數控異形切割機下料，應采用斷續切割法，即每隔3 m應設置20 mm的氣割斷點。

2.2 厚板焊接及熱處理技術

(1)依據標準GB 50661—2011 《鋼結構焊接規范》的規定，材料拼接前應進行焊接工藝評定，制訂合理的焊接工藝及熱處理規范參數。

(2)沿距離接縫兩側各50 mm的表面，應徹底清理水、氧化物、油污、泥灰、毛刺及熔渣等其他影響焊接質量的物質。

(3)坡口的表面應進行磁粉探傷(MT)，徹底排除表面裂紋、軋制夾渣等缺陷。

(4)鋼板拼接前應預留反變形2°～3°，焊接過程中應時刻注意變形情況。鋼板側面裝設吊耳，便于焊接過程中的翻身，以減少拼接角變形。

(5)焊前按要求進行預熱，焊接參數應符合焊接工藝規程(WPS)要求。

(6)焊接并校正完成后，進行超聲波探傷 (UT)，確保無缺陷后進行620 ℃焊后退火熱處理，以消除焊縫殘余應力。

苦瓜一般花后12～15天為商品瓜的適宜采收期，此時的果實瘤狀突起飽滿，果皮有光澤，商品性最好。及時采收可保證品質和增加坐果。采收后的苦瓜如不及時銷售，應置于低溫下保存，否則易后熟變黃開裂，失去食用價值。

(7)熱處理冷卻至室溫后靜置2 d，重新進行焊縫UT及MT，確保焊縫無缺陷。

2.3 疊合面孔位同心度控制技術

疊梁的疊合面由螺栓連接，如果在制造過程中不能保證同心度，在空中吊裝時，會造成大量螺栓偏移，不能按設計要求穿孔和擰緊，造成較大的質量事故。

2.3.1 法蘭疊合面配鉆技術

為保證疊合面組孔同心度，上下疊合面應疊放固定在一起，采用配鉆的方式打孔。配鉆操作簡單，鉆孔效率高、精度好，穿孔率高度契合。配鉆前的劃線需要考慮一定量的本體焊后收縮長度，鉆孔余量加設見圖4。在每檔勁板的位置，應少量加設長度余量。

圖4 鉆孔余量加設

2.3.2 疊合面鎖緊裝焊技術

疊合面鎖緊裝焊技術作為疊梁制作的核心技術，主要包括疊合面螺栓鎖緊裝焊技術和疊合面銷釘鎖緊裝焊技術。疊合面鎖緊裝焊技術可以使疊梁在本體裝配、本體焊接、勁板裝焊、焊后矯正等過程中，達到疊合面整體同步收縮、同步起拱，疊合面孔位同心度及間隙保持不變的目的。

首先，根據疊梁的整體截面設立水平胎架(見圖5)，胎架高度應超過1 m，以保證能夠進入梁下側施工。其次，將疊合面先固定在水平胎架上，在疊合面之間，每3 m設一檔，使用直徑比螺栓孔徑小0.5 mm的銷釘固定，這樣能保證整個疊合面螺栓孔的同心度。同樣，每3 m設一檔，再使用直徑比孔徑小1 mm的螺栓擰緊固定，使整個上下梁緊緊貼合在一起。再次，將上梁腹板與下梁腹板分別通過點焊固定于疊合面翼緣上。點焊長度為120～150 mm，間距為200～300 mm，焊腳高為5 mm，點焊需要預熱至100 ℃，邊點焊邊測量腹板的對中情況及疊合面的直線度。最后，利用側面胎架及千斤頂，將上梁上翼緣、下梁下翼緣分別裝配至上梁腹板、下梁腹板上，裝配過程中，應隨腹板的弧形起拱線頂緊，保證疊梁最終裝配后的拱度。

圖5 本體組裝

組裝后的疊梁應保證腹板平面度。在整個疊梁后續制作焊接過程中，疊合面應始終置于銷釘和螺栓鎖緊狀態。

2.3.3 主體焊接

焊接主體主焊縫應盡量控制收縮，以減少焊接收縮對拱度的影響。經過反復試驗，疊梁主焊縫采用以下技術進行焊接，減少了焊接變形影響，達到了焊接質量要求。

(1)分段對稱退焊技術(見圖6)。同時安排4名焊工施焊，由中間向兩側分段退焊，每段焊縫長度控制在6 m以內，能夠在減少焊接變形的同時，減少焊接預熱后的熱量流失。

圖6 分段對稱退焊法

(2)翻身焊與組合焊技術(見圖7)。位置①處正面氣體保護焊打底10 mm；位置②處正面埋弧焊填充10 mm；位置③處翻身，反面氣體保護焊打底10 mm；位置④處反面埋弧焊填充10 mm；位置⑤處反面埋弧焊蓋面補強后高12 mm；位置⑥處翻身，正面埋弧焊蓋面。

圖7 組合焊翻身焊

2.4 上下梁栓接加勁板的孔位保證技術

為加強疊梁的局部剛度，增設了多個加勁板進行加固。縱向加勁板與疊合面需要頂緊裝配，上下梁間的加勁板采用連接板螺栓連接，必須保證關聯加勁板間的孔距，才能保證螺栓安裝要求，進而滿足加勁板的受力要求。

(1)整個疊板梁起拱后，厚翼緣與疊合面的間隙發生改變，縱向加勁板的長度應根據梁焊后的實際尺寸進行測量后下料。

(2)縱向加勁板與疊合面需要頂緊裝配，加勁板的長度應+5 mm下料，并使用銑邊機兩端銑平。

(3)上下梁的縱向加勁板應同時裝配，并使用連接板配裝，配合使用-0.5 mm孔徑的銷釘固定，保證穿孔率。

2.5 疊梁騰空翻身技術

疊梁是鍋爐鋼結構中最重要的構件，構件在制造過程中的抬吊翻身和運輸，應通知相關部門、相關人員完成《重大構件吊運、翻身會簽單》。另外，在翻身前，檢查構件各位置，保證構件與胎架無約束并清點翻身所用的鋼絲繩、卸扣等吊索具。第一次翻身時，吊耳附近本體焊縫需要進行加強。大板梁單重180 t左右，板梁翻身時，采用一臺雙小車(兩側各100 t行車)、一臺單小車(100 t行車)和一臺50 t行車同時抬吊，具體翻身過程見圖8。

(1)在翼緣側，分別用雙小車的100 t行車主鉤栓繩；疊合面側使用單小車的100 t行車主鉤和50 t行車主鉤，將大板梁抬離地面1 m處(見圖8(a))。

(2)厚翼緣側鋼絲刷緩慢提升，使大板梁漸漸豎直(見圖8(b))。

(3)疊梁處于豎直狀態，卸除脫力的疊合面側鋼絲繩(見圖8(c))。

(4)使用100 t行車的32 t副鉤，配合50 t行車的主鉤，緩慢提升并往右行走，使疊梁翻轉，處于平放狀態為止(見圖8(d))。

圖8 疊梁翻身過程

(5)所有掛鉤緩慢降落，使疊梁輕放于地面。

整個疊梁翻身過程均在空中完成，沒有受到任何沖擊，這種方法為典型的騰空翻身技術。騰空翻身技術不需要地面翻身胎具，節省了場地占用和胎具制作。

3 立面預裝與檢驗

所有疊梁應模擬現場工作狀態，進行立面預裝，以保證在工地安裝時能夠順利滿足設計和受力要求。預裝過程中，將下梁直接垂直擺放在水平地面上，用角撐進行加固。使用行車將上梁緩緩降落在下梁疊合面上。利用銷釘控制上下梁法蘭面間的相對位置。從中間往兩端，在每檔縱向加勁板位置上，將上下梁疊合面使用螺栓鎖緊密貼。

經檢查，疊合面采用螺栓直徑+1.0 mm的銷釘檢查時，穿孔率≥95%；疊合面采用螺栓直徑+0.5 mm銷釘檢查時，穿孔率為100%；80%疊合面密貼間隙小于0.3 mm，局部最大間隙在2.0 mm以內；拱度為+15～+30 mm。

4 結語

該疊梁制作技術以整體制作為原則，利用腹板弧形數控切割起拱技術、疊合面螺栓孔配鉆技術、疊合面螺栓鎖緊裝焊技術、疊合面銷釘鎖緊裝焊技術，配合簡潔實用的騰空翻身方案，嚴控焊接順序，減少焊接變形，控制火焰矯正量。采用上述工藝制作的疊梁，工期較短，制作成本低，工地安裝穿孔率100%，各項技術指標符合設計要求，有效地保證了1 000 MW塔式鍋爐的疊梁質量。