百万千瓦塔式炉大板梁三层双幅叠梁制作和焊接工艺

赵金鹏

首先介绍了某百万千瓦二次再热塔式锅炉钢结构大板梁的结构特点，该大板梁为三层双幅叠梁设计，高度10.8m，单件重量643t。大板梁三层双幅叠梁除了保证叠合面的螺栓穿孔率，还要保证高强螺栓的摩擦面，因此对于三层双幅叠梁的大板梁制作要求非常严苛。下文重点介绍了大板梁三层双幅叠梁的制作要点和应采取的控制措施，并通过技术创新，优化工艺、细化流程，最终取得了良好的效果。山东丰汇设备技术有限公司（以下简称“我公司”）承揽的某机组二次再热塔式锅炉，钢结构所采用的大板梁设计主要以三层双幅叠梁结构为主，在国内尚属首次，通过实践证明其制造技术及工艺方法对塔式炉大板梁三层双幅叠梁的生产制造效果明显、技术先进，对同类型的双层或三层叠梁的大板梁生产有指导性的意义。

一、结构特点

某机组锅炉钢结构的大板梁采用三层双幅叠梁设计，共两件，两件对称制作。大板梁长度34.3m，宽度2.6m，高度10.8m，单件重量则高达643t。每件大板梁共存在七部分，上层叠梁以“π”型而机构为主，共存在三部分，每部分通过中间δ=60mm厚度的连接法兰连接；中层、下层叠梁则以“工”型机构为主，三层叠梁之间，以此使用叠合板和高强螺栓进行稳固连接，叠合板厚度为δ=50mm。三层叠梁端部位置，全部安装设置法兰板，厚度为δ=75mm，利用法兰板同端板和高强螺栓性能稳固连接成整体，端板厚度为δ=25mm。大板梁整体利用两侧位置端板支坐于五层钢构架主梁的垫板上，支撑着整个炉膛的重量。大板梁孔群密集，单件总计26490个孔，叠合处5376个孔，制孔量相对较大，难以对焊接变形做出有效控制，且精度标准相对较高，具有较大的制作难度。所以，位于生产期间，应当对各工序主要难点以及关键控制点做出综合考虑，确保大板梁可以做到保质保量完成。

二、制作难点

对于制作难点，主要涵盖如下方面：第一，大板梁三层叠梁的翼缘板厚度各不相同，同一根叠梁两侧腹板厚度也不相同，而且腹板的坡口形式一侧为熔透焊接，另外一侧为非熔透焊接，因此大板梁各个叠梁的焊接收缩和焊接变形就各不相同，规律也很难掌握。如何选择合理的制孔顺序消除大板梁各个叠梁之间焊接变形不一致的影响。第二，大板梁翼缘板厚度为150mm，端板厚度为200mm，这些大厚度、大熔深的对接焊缝如何制备坡口、如何保证焊接质量并控制焊接变形。第三，大板梁上层叠梁的上翼板为150mm厚度板，宽度为2400mm，该板重量达到40t，造成上层叠梁重心向上翼板侧偏移大，形成类似“不倒翁”模型。

三、生产操作要点

1.生产前准备及下料

搭设组合平台，平台搭建应当保证牢固且可靠，严格控制平台平面度不超过2mm。原材料入厂复检合格并进行钢板防腐预处理。下料前要编制下料工艺卡，编制时充分考虑焊接收缩量及端铣余量。主要部件的材料如翼板、腹板下料前使用排料软件进行有效模拟，然后再在数控切割机上空行走验证精度，确认无误后才进行正式下料。

2.拼板

（1）拼接图编制会签

大板梁板材拼接前首先按设计和规范要求编制大板梁拼接图，并交设计部门确认。拼接时要严格按照设计部门审核通过的会签图，基于此完成钢板拼接。关于大板梁腹板位置，尽可能排除纵向拼接焊缝，尽可能定制符合宽度标准的钢板，以防纵缝拼接导致焊接出现严重变形，腹板精度无法得到保证。

（2）焊接

关于焊接操作，具体包括：第一，母材坡口制备。大板梁的翼板、腹板、端板均采用“X”型坡口，钝边2-3mm。对于100mm、150mm厚度翼板，200mm厚度端板的坡口制备，一般情况下会使用机械加工的方法进行“U”型坡口的制备，由于价格高且周期较长，我们通过合理减小坡口度数，适当增加根部间隙，使得火焰制备大厚度板“X”型坡口成为可能。这样既保证了根部熔透，又减少了焊缝填充量。第二，组对焊接操作。组对前须将坡口及坡口两侧各15mm内的疏松物、氧化皮、熔渣、油锈及其它妨碍正常焊接操作的杂物清理干净，直至发出金属光泽。对口时预留2-3mm间隙，对于大于100mm的翼板和端板将对口间隙放大，以保证小坡口根部的熔透。对口错口量不大于板厚3%，且最大不超过3mm。焊接前按照标准进行火焰预热，通过测温枪采取准确检测，确保焊接之前与焊接期间温度控制能够控制在标准范围。焊接期间，CO2气体保护焊打底，以埋弧自动焊填料、盖面方式为主完成焊接。焊接时选择合理的焊接参数和正确的焊接顺序，保证焊缝成型、减小焊接变形。第三，焊后热处理及无损检测。大板梁厚度≥38mm的对接焊缝均要进行焊后热处理，热处理方式采用电阻加热，并按照热处理作业要求严格控制升、降温速度和保温时间。

3.大板梁单件叠梁制作

（1）中层叠梁制作

中层叠梁支座，具体流程如下：第一，先对中层叠梁上、下叠合板，以钻穿制孔为主，上层、下层叠梁叠合板，则无需钻孔，通过中层叠梁叠合板当作模板，完成叠合面孔配钻，这样可以消除大板梁各个叠梁之间焊接变形不一致的影响。将校正之后腹板平铺在放置到平台，对上、下翼板、腹板采取同时组合，确保翼板、腹板能够保持纵、横向中心线的重合对齐，并以电焊方式进行固定，通过气体保护焊完成两侧焊缝的同时打底焊接，完成后对中层叠梁“工”型梁翻身并放置于平台上，再进行气保焊打底焊接。打底完成后，使用埋弧自动焊同时对两条焊缝进行平焊焊接。第二，焊接完成后对叠梁进行校正，主要通过机械校正，搭配火焰校正，以防热校正超出形成附加应力、产生变形，校正之后确保翼板平面度控制不超过0.5mm，翼板与腹板垂直度≤2mm。第三，校正完成后安装筋板，筋板通过数控平面钻制孔完成，基准以中层叠梁腹板横向中心性为主，进行准确定位并完成安装，采取焊接固定。焊接期间，应当对筋板焊接变形采取有效控制，完成之后采取有效验证，确保筋板倾斜度以及垂直度控制不超过1mm。

（2）上层叠梁制作和下层叠梁制

上层、下层叠梁制作，具体流程如下：第一，先进行上层叠梁单件“T”型梁的组合焊接，完成后对“T”型梁进行校正，主要通过机械校正，搭配火焰校正，校正只有应当确保翼板平面度控制不超过0.5mm，翼板与腹板垂直度≤2mm。下层叠梁组合焊接与上层叠梁类似。

第二，再进行上层叠梁三段单件组合焊接。上层叠梁三段分别进行组合，组合方式以倒组合为主，对上翼板平放置平台，基于图纸尺寸，对两件T型梁准确安装到翼板，对上腹板沿腹板起拱度同腹板进行点焊固定。因为上层叠梁重心发生变化，向着上翼板一侧发生较大便宜，产生同“不倒翁”形状的模型，以常规方法完成翻身无法实现。针对这一特点，对上层叠梁的重心进行计算制作了大板梁翻身工装。该翻身工装为倒三角形结构形式，能够实现平稳翻身。通过翻身将上层叠梁平放于平台上，使用埋弧自动焊对主角焊缝进行焊接完成。

第三，最后进行上层叠梁三段梁连接法兰组合焊接。将中间连接法兰先进行钻孔、端铣并喷砂完成，并将配对法兰通过定位销以及高强螺栓进行稳固连接成整体；对三段制作所得到的上层叠梁放置到平台，整体找正之后，切割满足法兰连接的合理间隙，连接法兰同腹板、翼板以电焊方式进行固定；对两处连接法兰两侧对称焊接，焊接方法采用气体保护焊，焊接完成并冷却到室温后将三段叠梁解体。上层叠梁三段梁连接法兰实配完成后，先与中层叠梁进行叠合面孔的配钻。

（3）大板梁端板制作

大板梁200mm端板厚度方向预留端铣余量，该板对接并校正完成后移交加工，对端板采取铣面和钻孔处理。端板采取铣面处理之后，读端板下端位置按标准完成端铣处理，以此为基准完成螺栓孔精准定位，在数控钻床上制孔完成，等待大板梁试装时使用。

4.实配钻孔

上层叠梁与中层叠梁实配钻孔和下层叠梁与中层叠梁实配钻孔。实配以卧式组合方式为主，对上层叠梁三段水平放置到平台，利用中间连接法兰体共同连接成整体，找正尺寸。对中层两件叠梁水平放置到平台，同上层叠梁叠合面保持准确对其，确保中层叠梁同上层叠梁腹板横向中心线保持重合对齐。对上层叠梁叠合板进行制孔，制孔时应严格控制精度，保证穿孔率，按照上述同样的方式将下层叠梁与中层叠梁配孔完成。

5.大板梁端部法兰板安装

关于大板梁端部法兰板安装，具体流程如下：第一，对大板梁以倒立型式完成组合，上层叠梁平放于地面钢板，基于标准对上层叠梁所具有的水平度和垂直度做出准确调整，待达到标准即可。对中层、上层叠梁采取有效连接，螺栓连接稳固之后，对下层、中层叠梁采取有效连接。

第二，对制作完成的200mm端板，利用高强螺栓以及定位销同端部法兰采取稳固连接，以整体完成安装。端部法兰准确就位之后，对大板梁叠梁的翼板、腹板采取切割与修磨，保证符合图纸标准，样儿基于焊接工艺完成对称焊接，待对端部法兰全部焊接完成即可。

6.大板梁试装

关于大梁板时装，具体流程为：第一，大板梁试装严格模拟现场安装工况进行，通过大板梁试装验证穿孔率和高强螺栓摩擦面要求，为现场安装提供有力保障。第二，将大板梁下层叠梁吊装至试装区域，就位时下层叠梁下部支垫150mm厚度钢板，并将下层叠梁腹板的筋板使用螺栓连接牢固，调整下层叠梁的尺寸符合标准要求。第三，安装中层叠梁：先对中层叠梁内侧筋板通过螺栓进行连接，之后通过高强螺栓完成对中层、下层叠梁叠合面的有效连接，最后将中层叠梁端部法兰板与200mm端板连接。第四，安装上层叠梁：对上层叠梁三段连接法兰通过螺栓进行连接，之后通过高强螺栓完成对上层、中层叠梁叠合面的有效连接，最后将上层叠梁端部法兰板与200mm端板连接。第五，组合完成后，对大板梁的起拱度、垂直度等参数进行测量，并逐个检查摩擦面的间隙是否符合要求，并形成试装记录。第六，验证合格后将大板梁逐层拆除，以此完成整个大板梁的试装。