大連期貨大廈鋼結(jié)構(gòu)低溫焊接施工技術(shù)論文
大連期貨大廈鋼結(jié)構(gòu)低溫焊接施工技術(shù)論文
焊接：也稱作熔接、镕接，是一種以加熱、高溫或者高壓的方式接合金屬或其他熱塑性材料如塑料的制造工藝及技術(shù)。以下是學習啦小編今天為大家精心準備的：大連期貨大廈鋼結(jié)構(gòu)低溫焊接施工技術(shù)相關(guān)論文。內(nèi)容僅供參考閱讀，希望大家能夠喜歡。
大連期貨大廈鋼結(jié)構(gòu)低溫焊接施工技術(shù)全文如下：
0.工程背景
鋼結(jié)構(gòu)工程中的低溫焊接技術(shù)歷來是學術(shù)界、工程界共同關(guān)注的課題。尤其是在近年來國內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的飛速發(fā)展和大量應(yīng)用下，鋼結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境下的施工被提到了相當高的位置，引起了各方面的高度關(guān)注。國內(nèi)各大鋼結(jié)構(gòu)施工企業(yè)、各大科研院所都投入了相當大的人力、物力資源研究、解決低溫環(huán)境下施工技術(shù)尤其是對焊接質(zhì)量所造成的直接影響。在國內(nèi)外建筑鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展過程中，因為焊接質(zhì)量控制不好所造成的焊接質(zhì)量的下降甚至造成不安全隱患，甚至是因此所引起的安全事故不斷發(fā)生，而由于環(huán)境所引起的焊接質(zhì)量缺陷又是相當重要的一個方面。因此，國外內(nèi)在此領(lǐng)域內(nèi)的研究、試驗力度不斷加強。下面以大連期貨大廈鋼結(jié)構(gòu)工程為例，對低溫環(huán)境下的鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)進行簡要的分析。
1.工程簡介
大連期貨大廈位于大連市沙河口區(qū)，主體結(jié)構(gòu)為242.8m高的超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程，工程總建筑面積為13.15萬平方米，是目前東北地區(qū)已建成的結(jié)構(gòu)最高的甲級寫字樓。由于本工程地處渤海灣，受陸地氣候和熱帶海洋氣候的綜合影響較為嚴重。根據(jù)大連市常年氣象預報，大連市每年11月底至第二年3月15日為冬季施工期，其中11月底至12月31日為初冬期，該期間平均氣溫在-5℃~+5℃之間，極端最低溫度為-13℃;1月1日~2月底為寒冬期，平均氣溫為?5℃~-10℃之間，極端氣溫為-19℃，該期間為冬施最不利時期;3月1日~3月15日為冬末期，平均氣溫在-5℃~+8℃之間，極端最低溫度為-15℃，主要受北風寒流影響，會出現(xiàn)溫差較大的特殊時段。而自2008年9月份至2009年6月份為大連期貨主體結(jié)構(gòu)施工階段，鋼結(jié)構(gòu)安裝貫穿了整個低溫的冬季時段。
本工程塔樓由鋼筋混凝土筒體和鋼結(jié)構(gòu)外框架組成，橫剖面為44.55m×44.55m的正方形，外框結(jié)構(gòu)共設(shè)置42根由口1000×600×30×30、口800×600×30×30、口900×600×24×24、□600×600×24×24等多種截面規(guī)格組成的箱型鋼柱，單根鋼柱最重11.3噸;核芯筒混凝土內(nèi)設(shè)12根H型鋼勁性鋼骨柱，為H750×400×16×16、H400×400×16×16、H250×250×12×12、H300×300×14×14、600×250×20×20;采用Q345和Q235材質(zhì)組成H型鋼梁主要分為以下幾種規(guī)格：H800×300×14×18、H1000×300×18×20、H600×350×18×22、H800×200×14×14、H800×300×14×18;鋼柱對接口采用全熔透焊縫焊接，鋼柱與鋼梁采用單面坡口焊接，所有對接口焊縫均為一級熔透焊，現(xiàn)場的焊接量較大。
2.低溫焊接破壞機理
大量焊接鋼結(jié)構(gòu)失效事故表明，低溫是導致脆斷的主要原因，特別是結(jié)構(gòu)中存在著缺陷(缺口效應(yīng))則脆斷效應(yīng)更嚴重。當溫度低于材料的臨界轉(zhuǎn)變溫度時，在遠小于σs的作用下，鋼材的σs提高并接近于σb，出現(xiàn)完全無屈服的斷裂。這就是進行低溫焊接試驗的根本原因。試驗結(jié)果給我們帶來了很多啟示，也我們冬季施工提供了理論依據(jù)和操作指南。很多低溫試驗是相當成功的，為我們在工程施工過程中提供了可靠的理論及技術(shù)支持，為焊接工藝評定方案的編制提供了比較可靠的試驗數(shù)據(jù)。
經(jīng)過實驗室的研究、分析，低溫環(huán)境對焊縫金屬危害的直接表征就是出現(xiàn)裂紋和工作狀態(tài)下發(fā)生脆斷，其脆斷機理受溫度下降的速率變化而變化，主要歸納為以下幾點：
(1)低溫焊接條件下，焊縫的冷卻速度較常溫比較速度增加，直接后果是t8/5下降，晶粒度隨之粗大，因此冷裂紋的敏感性也相應(yīng)增加。
(2)在結(jié)構(gòu)拘束度很大的前提下，冷卻速度過快，極易造成焊縫金屬偏析，在較強的拉應(yīng)力場作用下，在焊縫的偏析處即焊縫中心部分發(fā)生結(jié)晶裂紋，是熱裂紋的一種形式。
(3)冷裂紋的延遲效應(yīng)增加，焊縫金屬在冷卻過程中，游離氫的溶解度降低，冷卻的速度變快，氫透出的時間變短，因此殘留在金屬的比例增大，使冷裂紋的效應(yīng)增加。延遲效應(yīng)同殘留在金屬中的氫含量成正比。
(4)低溫下發(fā)生脆斷的可能性增加，當構(gòu)件的工作溫度低于材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度的情況下，在拉應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力共同作用下，結(jié)構(gòu)的靜載強度大幅度的降低，極大可能在遠低于材料的σs點的外力作用下發(fā)生脆斷。
3.大連期貨大廈低溫焊接措施
由于我國特殊的地理環(huán)境及近年來建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的鋼結(jié)構(gòu)施工尤其是鋼結(jié)構(gòu)焊接都要經(jīng)歷冬季比較漫長的低溫焊接過程。通過大量的試驗和分析、研究，人們逐漸總結(jié)出了一套低溫焊接質(zhì)量控制的要領(lǐng)。首先，為了消除焊接應(yīng)力對施工質(zhì)量造成的影響，在高層鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中，通常情況下都遵循從中心向四周擴展，采用結(jié)構(gòu)對稱、節(jié)點對稱的焊接順序。平面上采用從結(jié)構(gòu)中心開始向四周對稱擴展焊接，為減小焊接應(yīng)力所造成的損害，同一根構(gòu)件的兩端不得同時進行施焊，不得從結(jié)構(gòu)外圈向中心焊接，并在安裝過程中預留焊縫收縮量。
其次，在低溫環(huán)境下進行焊接施工時，不但要有嚴密的焊接防護措施，還必須采用焊前大范圍加熱的方法來消除不經(jīng)焊前加熱即進行焊接時母材與焊縫區(qū)的強烈溫差，避免造成母材與焊接接頭產(chǎn)生裂紋。焊前嚴格加熱，施焊過程中保證持續(xù)、穩(wěn)定并且較高的層間溫度，全過程地執(zhí)行窄道焊、有規(guī)律地采用左、右交替焊道可以有效的控制焊接裂紋的產(chǎn)生。
根據(jù)以上低溫焊接質(zhì)量控制要領(lǐng)，在大連期貨大廈工程中，采取了如下焊接質(zhì)量保障措施。
1) 鋼柱焊接防護
焊接鋼柱對接口時，在對接口下設(shè)置全封閉的操作操作平臺(詳見圖1、2)。平臺底部密鋪腳手板后，采用石棉布鋪墊于腳手板上，以防止焊接火花掉落傷人。操作平臺四周采用防風、防火布搭設(shè)防風、雨頂蓬，當雨、雪天氣時，頂蓬與鋼柱連接處使用錫箔膠紙粘貼密實，防止雨、雪水滲透至焊縫上影響焊縫質(zhì)量。
圖1 鋼柱對接口防風棚示意圖
圖2 鋼柱對接口防風棚現(xiàn)場照片
2) 鋼梁焊接防護
在風速超過8m/s，焊接鋼梁節(jié)點時，在節(jié)點處設(shè)置焊接防風、防雨雪、防火花飛濺的局部防風罩和防風棚。局部防風罩用永久磁鐵固定在焊縫兩側(cè)，兩端可設(shè)置端板，以不影響焊接操作為原則，確定其間距，根據(jù)焊工的實際需要隨時調(diào)整位置(如圖3所示)。防風棚設(shè)置在迎風靠近焊縫的位置，施工人員在另外一側(cè)掛籃內(nèi)進行焊接作業(yè)。
圖3 防風罩示意圖
圖4 鋼梁防風棚現(xiàn)場設(shè)置照片
3) 低溫焊接的溫度控制
焊前預熱：預熱是防止冷裂紋的有效措施，預熱的目的主要是為了增加熱循環(huán)的低溫參數(shù)t100，使之有利于氫的充分擴散溢出。預熱溫度的選擇視施焊環(huán)境溫度、鋼材強度等級、焊件厚度或坡口形式，焊縫金屬中擴散氫含量等因素而定。預熱溫度過高，一方面惡化了施工環(huán)境，另一方面在局部預熱的條件下，由于產(chǎn)生附加應(yīng)力，產(chǎn)生冷裂，同時會使板狀鐵素體形成，因此不是預熱溫度越高越好。根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》中對于鋼材最低預熱溫度規(guī)定Q345GJDδ=60mm最低預熱溫度為80℃，Q345Dδ=20mm可以不預熱但需要烘干焊接區(qū)域內(nèi)的水分。
大連期貨大廈工程，由于中厚板數(shù)量較少，因此當焊接作業(yè)區(qū)環(huán)境溫度低于0℃時，我們采用氧-乙炔中性火焰對鋼柱焊接節(jié)點整體加熱，對鋼梁施焊焊縫加熱，預熱范圍在焊接坡口兩側(cè)150mm范圍內(nèi)。預熱時火焰離鋼板保持大于50mm距離，并來回移動，使鋼板均勻受熱至預熱溫度。預熱溫度參見下表1。
表1： 焊縫預熱溫度表(℃)
鋼材
牌號 接頭最厚部件的板厚t(mm)
≤25 25
Q235 36 36 80 100 120
Q345 36 80 100 120 160
層溫控制：低溫焊接因焊接區(qū)域溫度冷卻失散較常溫快，易產(chǎn)生脆硬組織不利于焊縫質(zhì)量。焊接時，焊縫間的層間溫度應(yīng)始終控制在90℃~130℃之間，每個焊接接頭應(yīng)一次性焊完。施焊前，注意收集氣象預報資料，預計惡劣天氣即將到來，應(yīng)放棄施焊。若焊縫已開焊，要搶在惡劣天氣來臨前至少焊完板厚的1/3方能停焊;且嚴格做好夠熱處理和防護措施，當重新焊接時應(yīng)先預熱后再進行焊接，重新焊接預熱溫度、時間相對延長。
表2： 焊縫層間溫度控制參數(shù)表(℃)
鋼材
牌號 接頭最厚部件的板厚t(mm)
40
Q345 100 100～200 140～200
焊后熱處理：在負溫下焊接完成后，在焊縫兩側(cè)150mm范圍內(nèi)用兩把烤槍烘烤來進行焊后熱處理，加熱溫度在180~200℃之間，保持在1小時左右，加熱后立即采取保溫措施，使焊縫緩慢冷卻至環(huán)境溫度。
焊后緩冷處理：當焊接焊縫后熱達到要求后，采用石棉布加保溫棉雙重多層保溫，需包裹密實，確定保溫時間達到緩冷效果。
4)遠紅外預熱技術(shù)
目前比較先進的預熱、保溫技術(shù)就是遠紅外電加熱技術(shù)，由于此技術(shù)采用了較先進的電腦控制，具有穩(wěn)定性強、溫度控制精準等特點，因此在近年來重大工程無論是制作還是安裝過程中均得到了比較廣泛的應(yīng)用。尤其是對δ≥36mm的焊縫和重要焊接節(jié)點采用電加熱，可以有效的保證焊縫的預熱(后熱)溫度的均勻和準確性，對防止焊接裂紋的產(chǎn)生和控制應(yīng)力應(yīng)變起到積極的作用，特別在冬季施工中電加熱起到了不可替代的作用。
4.低溫焊接保障制度
1)焊工在正式焊接前，必須具備個人防寒用品，包括棉鞋、帽子、護膝、手套等，必須具備較長時間抵抗嚴寒的能力和防滑能力。盡量較少因人為因素對焊接質(zhì)量造成的影響;
2)下雪天氣及雪后，進行高空焊接作業(yè)，通道應(yīng)設(shè)專人及時清掃，特別掃除薄冰，以保證焊工的安全通行和保存焊工體力。在施焊前對焊接區(qū)域必須用氧-乙炔中性火焰進行預熱，消除水汽對焊接質(zhì)量的影響;
3)焊機應(yīng)盡量集中擺放在可移動的焊機防護棚內(nèi)，防護棚內(nèi)應(yīng)設(shè)置加熱設(shè)備，使焊機在正溫狀態(tài)下工作;
4)使用前，氣瓶應(yīng)盡可能集中存放，在氣瓶存放棚應(yīng)設(shè)有加熱裝置，確保氣體隨用隨有。氣瓶在使用時，應(yīng)放置在焊機棚內(nèi)，實現(xiàn)正溫管理，單機使用時，氣瓶必須采取加熱保溫措施，采用電熱毯加熱外包巖棉或其它保溫材料進行保溫保證液態(tài)氣正常氣化，使保護氣體穩(wěn)定通暢;
5)冬季施工采用接觸式測溫儀控制預熱、后熱及層間溫度，環(huán)境溫度使用普通溫(濕)度計監(jiān)控;
6)保護氣體應(yīng)使用純度為99.9%的CO2氣體，以保證焊接接頭的抗裂性能;
7)按要求對焊條進行烘焙、保溫，嚴格執(zhí)行焊材的使用、管理制度。焊條必須按標準進行烘干，烘干次數(shù)不得超過2次，在空氣中的暴露時間不得超過2小時;
8)藥芯焊絲使用過程中應(yīng)采取防潮措施，焊機上的焊絲防護罩必須保持完好，未用完的焊絲應(yīng)及時送回焊材庫，防止受潮;
9)盡量選用國內(nèi)最新研制的防風焊絲，減少空氣流動對焊縫質(zhì)量造成的影響。
5.結(jié)束語
在大連期貨鋼結(jié)構(gòu)工程的整個冬季施工過程中，我們通過嚴格按照公司焊接研究所通過大量的低溫焊接試驗和施工經(jīng)驗總結(jié)并編制的焊接工藝評定報告和低溫焊接技術(shù)規(guī)程組織施工。本工程焊縫總長5723.45米，在整個工程的焊接質(zhì)量自檢、第三方檢測中，一次自檢探傷合格率達到98%以上，返修合格率100%，本工程最終被評為鋼結(jié)構(gòu)金獎。
通過本工程，我們對于低溫焊接施工技術(shù)主要歸納為以下幾個方面，供同行參考：
1、根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的特點，合理編排焊接順序，減少焊接殘余應(yīng)力;
2、在施焊過程中，鋼材本身應(yīng)實現(xiàn)正溫(即要采用各種不同的預熱方式提高焊縫周圍小環(huán)境溫度)，選擇合適的預熱方式;
3、采取焊后緊急保溫緩冷措施，減少因氣溫驟降所造成的焊接裂紋。