超大型桥梁钢结构节点去应力退火技术

2015-09-18

建筑施工 2015年4期

关键词：加热器热处理工件

中建钢构江苏有限公司靖江 214532

1 工程概况

上海市云翔大型社区配套蕰藻浜大桥（图1）为典型针形独塔斜拉桥。针形塔柱为全钢结构，高逾110 m，质量逾1 000 t，向主跨倾斜18°。塔柱分为上、中、下塔柱进行制作。

图1 上海蕰藻浜大桥效果图

下塔柱为全塔主承力结构件，其横断面为3 块超厚板组成的等边三角形，截面尺寸由上端向下渐缩，底座为铸钢件。下塔柱主要材质为Q345qD，主体板厚均在100 mm以上，最厚处达到150 mm，焊缝填充量巨大。

节点部位结构复杂，焊缝密集，存在焊缝相交情况（图2）。焊后节点部位存在大量残余应力，对塔柱整体承力性能及抗疲劳性能产生不利影响。

图2 节点部位结构复杂、焊缝密集相交

2 技术原理

焊件在冷却过程中由于各部位冷却速度不同而产生内应力，同时大型结构焊接件由于焊接量大，导致焊件内部产生大量焊接残余应力。若内应力、残余应力较大而未及时予以去除，常导致工件变形甚至形成裂纹[3-5]。

去应力退火是将工件缓慢加热到工件A1点以下某个温度，保温一段时间，使金属内部发生弛豫，然后缓冷的过程。去除应力热处理主要有以下作用：

1）消除焊缝金属中的氢，提高焊接接头的抗裂性和韧性。

2）降低焊接接头中的残余应力，消除冷作硬化，提高接头抗断和耐应力腐蚀的能力。

3）稳定焊接结构的形状，消除焊件在使用中的畸变。

通过消应力退火处理，可去除焊件70%内应力，大大提高焊接构件的整体承力性能。

3 拟定工艺

大的焊接构件难以在加热炉内进行去应力退火，常常采用远红外热辐射方式局部退火，其退火加热温度一般略高于炉内加热。钢的去应力退火保温时间为3 min/mm。去应力退火后的冷却应尽量缓慢，以免产生新的应力[1]。

对于上海蕰藻浜下塔柱桥梁节点处，要求在端头2 250 mm范围内进行整体消应力退火处理，其中主要钢材板厚度为100 mm。

1）消应力退火保温温度及时间：Q345qD材质，退火温度≥550 ℃；局部焊缝集中区域，焊缝相交、重叠厚达200 mm，保温时间根据T（保温时间，h）≥[150+δ（厚度，mm）]/100控制。由于为空心腔体结构，除在内部加设加热片以外，应适当提高保温温度及保温时间[2]。

拟定消应力退火处理保温温度625 ℃±25 ℃，保温时间设定为6 h。

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

拟定升温速度：55 K/h≤R1（升温速度）≤60 K/h；降温速度：55 K/h≤R2（降温速度）≤80 K/h。

3）结构件在低于400 ℃升温、降温时，可不采取外部热辐射的方法进行升、降温控制。

4）结构件退火消应力区域保温时，局部最大温差不大于85 K，并在结构件局部退火处理长度扩大至2 500 mm，保证加热范围。图3为下塔柱局部消应力退火范围示意。初步拟定的消应力热处理温度曲线如图4所示。

图3 下塔柱局部消应力退火范围

图4 消应力热处理温度曲线

4 焊接工艺评定

焊接工艺评定条件应与产品条件相对应[4]。根据节点内部的焊接接头形式、板厚进行焊接工艺评定，并要求进行消应力退火处理。图5为焊接工艺评定试件。图6为焊接工艺评定试件进行消应力退火。

图5 评定试件

图6 试件退火

焊接工艺评定力学性能[5]如表1所示（括号内数据为标准要求值）。

表1 焊接工艺评定力学性能

由表1得到以下结论：

1）焊接工艺评定合格。

2）去应力退火工艺可行，可作为实际构件热处理工艺。

3）试件未表现出由于去应力退火导致抗拉强度明显下降的情况。

5 桥梁节点整体去应力退火实施关键点

5.1 热功计算

根据节点质量60 000 kg计算，以20 kW/t计算，60 000 kg/1 000×20 kW=1 200 kW，现场供电容量约为1 200 kW。

5.2 构件热处理现场工艺

1）供电系统。由于热处理的不可逆性，须确保现场的供电和安全用电。从变压器至热处理施工现场应设置5 组DZ-400/400自动空气开关，变压器至每台智能温控仪的一次导线（中间经空气开关）由3×95 mm2+1×50 mm2铜芯电缆制作。

2）加热系统。热源采用QDZ型框架式加热器48 片，LCD型履带式加热器72 块，每片加热器功率为10 kW，框架式加热器外形尺寸1 000 mm×400 mm×90 mm，履带式加热器外形尺寸660 mm×330 mm，设计总功率为1 200 kW。

（1）加热器的布置。根据工件实际情况，框架式布置在工件内部，共48 块。履带式加热器沿工件底部布置，工件外侧适当分布，共计72 块，利用热辐射和热对流加热工艺使工件达到均匀加热退火之目的。

（2）加热器的连接。整体热处理加热器的内接导线采用φ6.5 mm的圆钢，套上氧化铝瓷管引至工件外与外导线连接，再接到智能温控仪，所用单台控制设备的零线焊为一体，作为公共零线引出组成3 组，各自形成独立电网，所有加热器均采用星形接法，同步通电加热。

（3）保温层的铺设。保温材料须保证加热时炉外温度不高于60 ℃，选用保温性能好、导热系数低、容重轻的LT型硅酸铝纤维针刺毡，为了减少热损失，保温层厚100 mm，保温层之间应注意接缝错开、搭接严密，防止热量损失。

（4）测温的控温系统。本次热处理工程采用K形简装热电偶测温，热电偶的补偿采用铜-康铜补偿导线并通过ZWK-240 kW（或10 台ZWK-120 kW）智能温控仪控温，每台智能温控仪输出功率为240 kW，温度控制范围0～1 000 ℃，控制精度为±1 ℃，将设定的工艺参数输入电脑进行温度控制。各点温度控制均由智能扫描监视，每2 s扫描1 次，每24 s修正1 次功率系数，实时控温屏幕显示，并由连续式记录仪自动记录工艺曲线。

（5）热电偶布置。工件设控温点18 个，感温元件热电偶放置在工件外表面，能真实反映工件的实际加热温度。