穹頂弧形結構成型及焊接質量控制

馮長源 劉文華

中核工程咨詢有限公司 北京 100048

1 簡介

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

2 穹頂制作工藝及質控難點

穹頂在車間分層分塊預制成108個分快板，分快板預制完成后在現(xiàn)場1至3層二次拼接成42塊，然后整體焊接拼裝。穹頂分快板車間預制，分快板首先經過卷板機卷制→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，主要有三大質控難點需要重點控制：第一，穹頂是雙曲面弧形結構，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，穹頂鋼結構丁字焊縫多，應力集中，丁字縫區(qū)域焊縫容易開裂。

3 穹頂制作過程質量控制

3.1 穹頂弧形結構弧度控制

穹頂共分成5層車間預制，相比第二至第五層，穹頂?shù)谝粚与p曲面結構的徑向曲率半徑為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，所以穹頂弧形結構的弧度成型成為質控重點。

（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曲面結構，為了提高弧度控制精度，首先分快板下料切割后需經過卷板機卷制，卷制完成后分快板上胎膜制作，因此卷板機及胎膜對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，角鋼的弧度尺寸對穹頂分快板的弧度有直接影響。

（3）具體控制措施。

①卷板機工裝尺寸決定卷制效果，應先采用模擬試件對卷板機工裝不斷進行調整，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行加工，因此應仔細檢查胎膜尺寸，用3m的樣板分別對胎膜上的徑向及環(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時需要對胎膜進行調整。

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

3.2 焊接變形及質量控制

（1）焊接變形產生的原因。

①分塊板外側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，焊接停留時間過長，受熱集中，因此焊接后產生變形，導致內部凸起，產生鼓包變形。

②由于穹頂每個單元板面積較大，現(xiàn)場環(huán)縫及立縫較長，組對拼裝困難，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）事前預控。重點關注：焊接工藝評定已經完成；焊工應按HAF603的相關規(guī)定取得相應資格；無損檢驗人員應按HAF602規(guī)定取得檢測資質；焊機、檢驗器具、圓弧靠板的使用應在標定有效期內。

（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，角鋼肋在組對時增加十字交叉區(qū)域焊縫的組對點，從而減少正式焊接時該區(qū)域的受熱時間。

②在立縫焊接前，可采取增設防變形圓弧靠板的剛性固定法進行控制，沿分塊板拼接縫長度方向每間隔700-800mm設置一塊厚度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采用機械矯正加火焰烘烤對超標變形進行控制。

②穹頂鋼襯里對接焊縫真空盒密封檢驗100%，液體滲透100%，焊縫交叉處射線檢驗100%，通過實時跟蹤焊工一次拍片合格率可及時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 丁字焊縫焊接質量控制

丁字焊縫是整個穹頂焊縫質量的薄弱部位，在該丁字焊縫區(qū)域，焊接裂紋傾向增大，從而會增大焊縫開裂的可能性，應重點控制丁字焊縫的焊接質量。

（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，導致焊縫開裂可能性增大。

②丁字焊縫接頭形式導致焊縫區(qū)域經歷兩次焊接熱循環(huán)，接頭熱影響區(qū)產生脆性組織，冷卻過程中產生應力集中，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)域外側焊接完成后，再進行環(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力，減少變形，間接的提高了焊縫質量。

③焊縫坡口打磨圓滑，保證焊接熔池當中的熔敷金屬充分熔合。

4 應用效果及總結

丁字接頭焊縫焊接時需控制焊接順序，按照先立縫再環(huán)縫，嚴格控制組對錯邊量，并且錘擊填充層焊道降低內應力，從而有助于提高焊接質量。

現(xiàn)場穹頂拼裝完成后的下口周長實際測量誤差為14mm,低于理論誤差50mm要求，說明通過合理的質控方法可以確保穹頂弧形結構質量滿足要求。