張西坤，宋秋鋒，申壽長，劉大仲，浦靜怡，曹繼玉，魏少軍

（1.河北建勘鉆探設(shè)備有限公司，河北 石家莊051134；2.陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司，陜西 西安710021；3.石家莊技師學(xué)院，河北 石家莊050800）

0 引言

覆蓋層和礦體及巖石爆破孔鉆進(jìn)是大多數(shù)露天礦山和采石場的一項關(guān)鍵工作，目前生產(chǎn)爆破孔鉆機(jī)的公司主要有瑞典的Atlas Copco公司，英國的Comp Air Holman公司，美國的Gardner Denver M&C公司，德國的Klemm公司，法國的Montabert SA公司，芬蘭的Tamrock公司，俄羅斯的Machinoexport公司等［1-2］。生產(chǎn)的爆破孔鉆機(jī)有136個品種，主要類型有液壓或氣動沖擊鉆機(jī)、牙輪鉆頭回轉(zhuǎn)鉆機(jī)、潛孔錘回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，鉆進(jìn)直徑27～445 mm，孔深一般不超過30 m，號稱是“移動的鉆井平臺”。因為爆破孔布孔密集且數(shù)量眾多，一般采取不換桿一次成孔施工工藝，這樣為保證鉆孔深度和施工效率，就要設(shè)計成高度較高的整體式爆破孔鉆塔［3］。

Atlas Copco公司的DMH 90型爆破孔鉆機(jī)是一種重載耐用型爆破孔鉆機(jī)，配套鉆塔整體高度27 m，可實現(xiàn)單桿成孔鉆孔深度65 ft（19.8 m），由于無需更換鉆桿，減少了鉆孔輔助時間，從而可提高鉆進(jìn)效率25%以上。為了解決進(jìn)口產(chǎn)品價格高、周期長等問題，我們進(jìn)行了進(jìn)口爆破孔鉆機(jī)配套ZT 27-45型爆破孔鉆塔的研制。

1 ZT27-45型爆破孔鉆塔的設(shè)計和選材

Atlas Copco公司的DMH 90型爆破孔鉆機(jī)廣泛應(yīng)用于大型露天礦開采的爆破孔鉆孔施工。ZT 27-45型爆破孔鉆塔與DMH 90型爆破孔鉆機(jī)配套使用，為整體式結(jié)構(gòu)，塔高27 m，沒有對接。爆破孔鉆塔要滿足低溫條件下承受較大的沖擊載荷和交變載荷的使用要求，鉆塔的設(shè)計結(jié)構(gòu)、材料選擇、焊接質(zhì)量和加工質(zhì)量直接影響鉆機(jī)的使用壽命、施工安全和效率，直接影響到鉆機(jī)的整體壽命。如何滿足這些要求，實現(xiàn)替代進(jìn)口，是爆破孔鉆塔設(shè)計和制作過程中需要重點解決的問題。爆破作業(yè)現(xiàn)場見圖1。

圖1 爆破作業(yè)現(xiàn)場Fig.1 Blasting site

1.1 鉆塔的設(shè)計要點

ZT 27-45型爆破孔鉆塔整體分為鉆塔底部井口部分、塔體部分、塔頂部分、鏈條加壓部分、起塔機(jī)構(gòu)部分、維護(hù)保養(yǎng)踏板部分、管路托板部分、管路托架部分、聯(lián)接支撐結(jié)構(gòu)部分等。ZT 27-45型爆破孔鉆塔總體設(shè)計見圖2。

圖2 ZT27-45型爆破孔鉆塔總體設(shè)計Fig.2 General design of ZT27-45 blasting hole drilling mast

（1）鉆塔為K型前開口式整體結(jié)構(gòu)，塔高27 m，中間沒有對接，強(qiáng)度大，整體性強(qiáng)。這樣的設(shè)計有利于現(xiàn)場安裝，有利于鉆進(jìn)施工，但整體質(zhì)量14.2 t、不可解體式結(jié)構(gòu)，給加工和運輸帶來了很多困難。ZT 27-45型爆破孔鉆塔詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 ZT27-45爆破孔鉆塔技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of ZT27-45 blasting hole drill mast

（2）鉆塔為液壓起塔，高效快捷，適合爆破孔布孔密集、數(shù)量眾多且起落塔搬遷頻繁的施工特點。

（3）鉆塔由矩形鋼管焊接而成，采用雙切斜支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計（圖3a），對比單切斜支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計（圖3b），雙切斜支撐結(jié)構(gòu)最大程度地限制了作用在鉆塔內(nèi)部的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，受力狀態(tài)大大優(yōu)化。

1.2 鉆塔的選材

爆破孔鉆塔工作環(huán)境惡劣，在承受較大的壓力和較大的扭矩的同時，還要保證在低溫條件下承受較大的沖擊載荷和交變載荷。為保證爆破塔具有良好的綜合機(jī)械性能和高強(qiáng)度，避免爆破塔制造過程中產(chǎn)生焊接冷裂紋、熱裂紋和氣孔現(xiàn)象，確保使用過程中穩(wěn)定可靠，經(jīng)過查閱《圓形與異型冷成型焊接與無縫碳素鋼結(jié)構(gòu)管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》（ASTM A 500—2013）等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對各種適合的材料進(jìn)行對比分析，選用奧運主場館“鳥巢”采用的一種低合金高強(qiáng)度鋼Q460D［4］。Q460D有害元素S、P含量低，質(zhì)量等級高，低溫脆性好，在-20℃時具有良好的低溫沖擊性能。Q460D在保證良好的焊接性的同時，還可以達(dá)到良好的機(jī)械性能指標(biāo)［5］，對于爆破孔鉆塔減輕自重、節(jié)約成本、降低制造難度、提高工作效率、縮短工期等方面發(fā)揮了積極作用。Q460D低合金高強(qiáng)度鋼力學(xué)性能見表2、化學(xué)成分見表3。

圖3 鉆塔塔節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計示意Fig.3 Design of a mast section

表2 Q460D低合金高強(qiáng)度鋼力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of Q460D low alloy high strength steel

表3 Q460D低合金高強(qiáng)度鋼化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of Q460D low alloy high strength steel %

2 ZT 27-45型爆破孔鉆塔的焊接工藝

2.1 焊接設(shè)備

焊接設(shè)備采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊機(jī)，二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊具有焊接生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低、焊接變形小、油銹不敏感、焊縫含氫量低、產(chǎn)生氣孔和出現(xiàn)冷裂紋傾向小、操作簡單等優(yōu)點［6］。

2.2 焊接材料

焊接材料采用：

（1）GFR-81K 2/Φ1.2藥芯焊絲；

（2）99.75%的二氧化碳保護(hù)氣體。

2.3 焊口處理

按圖紙要求氣焊下料，將鋼管對接處100 mm范圍內(nèi)的水漬、油漬、鐵銹等影響焊接質(zhì)量的雜質(zhì)清除干凈。

2.4 焊接工藝評定

焊接前應(yīng)進(jìn)行焊接工藝評定，保證焊縫強(qiáng)度大于母材強(qiáng)度［7］。

（1）按爆破孔鉆塔圖紙規(guī)定的產(chǎn)品制造標(biāo)準(zhǔn)，確定焊接工藝評定的標(biāo)準(zhǔn)，按照《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》（GB 50661-2011）進(jìn)行檢驗。

（2）按母材的類別（Q460D）、厚度（8 mm）、接頭形式（對接焊）、焊接方法（下述“2.5 焊接工藝”）、熱處理要求（下述“2.5 焊接工藝”）等，確定需要做評定的評定項目是接頭拉伸、焊縫沖擊、熱影響區(qū)沖擊。

（3）編制下述“2.5 焊接工藝”，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸制備焊接試樣，由有資質(zhì)的合格焊工進(jìn)行焊接，并進(jìn)行焊后熱處理。

（4）在無損檢測合格的部位制取拉伸、彎曲等試樣，進(jìn)行性能試驗，合格指標(biāo)按評定標(biāo)準(zhǔn)的要求，通常應(yīng)不低于母材（Q460D）。

（5）評定試驗結(jié)果，如果不合格，則調(diào)整焊接工藝指導(dǎo)書中的焊接參數(shù)，重復(fù)（3）、（4）步過程。

（6）如果試驗結(jié)果合格，則收集所有相關(guān)資料，編制焊接工藝評定報告（PQR），按程序文件規(guī)定的流程簽署存檔，評定完成。

焊接工藝評定試樣和檢驗報告見圖4。

2.5 焊接工藝流程

（1）在焊接平臺架上進(jìn)行定位焊。

（2）焊前預(yù)熱：用氣焊將接縫兩端80 mm范圍均勻加熱到150～200℃，用紅外線測溫儀監(jiān)測預(yù)熱溫度達(dá)到要求。

圖4 焊接工藝評定試樣和檢驗報告Fig.4 Welding procedure assessment sample and inspection r epor t

（3）焊接。焊接工藝參數(shù)：焊接電流210～230 A，電弧電壓24～26 V，焊接速度12～20 m/h。

（4）焊后保溫：進(jìn)行150～200℃+2 h焊后加熱，然后包裹石棉布進(jìn)行緩慢冷卻。

（5）鉆塔所有機(jī)械加工件、焊接件及裝配除應(yīng)符合圖樣及工藝文件的要求外，還應(yīng)符合《工程機(jī)械機(jī)械加工件通用技術(shù)條件》（JB/T 5936—1991）、《工程機(jī)械 焊接件通用技術(shù)條件》（JB/T 5943—1991）、《工程機(jī)械 裝配通用技術(shù)條件》（JB/T 5945—1991）的規(guī)定［8］。

焊前預(yù)熱和焊后保溫措施見圖5。

2.6 控制和消除焊接殘余應(yīng)力措施

（1）選擇合理的鉚焊和焊接順序。焊接時要考慮到焊接變形的影響，提供焊縫變形的條件和渠道，盡可能地隨時將焊接應(yīng)力進(jìn)行有效釋放，從而降低焊接殘余應(yīng)力。一般來說，應(yīng)先焊接錯開的短焊縫，再焊接直通長焊縫，這樣就能最大限度地讓焊縫收縮，減少焊接殘余應(yīng)力。

（2）選擇合理的焊接參數(shù)。對于焊縫集中的主干、橫撐、斜撐連接處，焊接時應(yīng)盡可能采用較小的焊接電流和較快的焊接速度，減少焊縫集中區(qū)的受熱范圍，從而減少焊接殘余應(yīng)力。

（3）采用多層多焊道焊接。在多層多焊道焊接時，每道焊縫長度要短，控制好層間溫度，在焊縫冷卻過程中，采用錘擊焊縫的方法去除殘余應(yīng)力，可有效降低焊縫殘余應(yīng)力25%～50%。

（4）采用反變形法。對于薄壁部位的焊接，要預(yù)先制造一個反方向的變形，通過焊接變形，既釋放了應(yīng)力，也保證了焊后的形狀滿足設(shè)計要求。

（5）振動時效消除殘余應(yīng)力。采用振動時效消除應(yīng)力裝置對整個爆破孔鉆塔進(jìn)行振動時效處理，選取3～5個主要焊接區(qū)域施加振動載荷，使振源與爆破孔鉆塔發(fā)生穩(wěn)定共振，利用穩(wěn)定共振產(chǎn)生交變應(yīng)力，使焊縫區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，以達(dá)到消除焊接殘余應(yīng)力的目的。

（6）采用預(yù)熱保溫法控制和消除應(yīng)力。焊接溫差越大，殘余應(yīng)力也越大，進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后保溫可以有效降低溫差和減慢冷卻速度，以減少焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

ZT 27-45型爆破孔鉆塔焊后整體振動時效實施情況和焊后檢驗超聲波探傷實施情況見圖6。

圖5 焊前預(yù)熱和焊后保溫Fig.5 Preheating before welding and heat insulation after welding

圖6 振動時效和焊后檢驗超聲波探傷Fig.6 Vibration stress relief and post weld inspection with ultrasonic testing

2.7 焊后檢驗

（1）對焊縫余高進(jìn)行修磨，為無損探傷做準(zhǔn)備。

（2）焊后24 h對焊縫進(jìn)行UT超聲波探傷，關(guān)鍵部位100%探傷，一般部位30%探傷，探傷按《焊縫無損檢測超聲波檢測 技術(shù)、檢測等級和評定》（GB/T 11345—2013）標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到BI級；進(jìn)行RT射線探傷，關(guān)鍵部位100%探傷，一般部位30%探傷，焊接質(zhì)量達(dá)到《焊縫無損檢測 超聲波檢測 技術(shù)、檢測等級和評定》（GB/T 11345—2013）的Ⅱ級要求［9-10］。

2.8 表面涂裝

爆破孔鉆塔底漆采用環(huán)氧富鋅底漆，面漆采用聚氨酯面漆。保證涂漆平整、光滑，色澤均勻一致、結(jié)合牢固，保證沒有起皮、脫落、流痕、涂漏等缺陷［11-12］。

3 ZT27-45型爆破孔鉆塔的檢驗驗收

爆破孔鉆塔整體驗收內(nèi)容包括資料是否齊全，加工工藝過程是否按要求執(zhí)行，各部件完整性、焊接質(zhì)量、整體外觀質(zhì)量、垂直度、油漆色澤和附著力是否達(dá)標(biāo)，附件是否齊全［13-15］。ZT 27-45型爆破孔鉆塔加工成品和出廠檢驗報告見圖7。

圖7 爆破孔鉆塔加工成品和出廠檢驗報告Fig.7 Finished products of blasting hole drill masts and factory inspection report

4 ZT27-45型爆破孔鉆塔的應(yīng)用

2018年冬季，ZT 27-45型爆破孔鉆塔在鄂爾多斯煤礦進(jìn)行露天臺階爆破孔施工作業(yè)，鉆孔直徑250 mm，平均孔深19 m，孔距11 m，排距8 m，臺階高10 m，平均每班完鉆10個孔。在惡劣的高寒、易爆、腐蝕、潮濕、風(fēng)沙的環(huán)境下，ZT 27-45型爆破孔鉆塔能夠高效運行，還保持了良好的低溫沖擊性能和穩(wěn)定的綜合機(jī)械性能。爆破孔鉆機(jī)施工現(xiàn)場見圖8。

圖8 爆破孔鉆機(jī)施工現(xiàn)場Fig.8 Construction site of the blasting hole drill

實踐證明，ZT 27-45型爆破孔鉆塔安裝方便順利，整體起放靈活可靠，在同時承受最大軸壓力（356 k N）和最大扭矩（16.8 k N·m）時，仍然安全可靠，工作正常，沒有扭曲變形等異常現(xiàn)象。ZT 27-45型爆破孔鉆塔達(dá)到了設(shè)計和使用要求，完全可以替代原進(jìn)口產(chǎn)品。

5 結(jié)語

（1）ZT 27-45型爆破孔鉆塔施工環(huán)境惡劣，使用工況復(fù)雜，需要在設(shè)計選材、對焊焊接、加工裝配、涂裝噴漆和質(zhì)量檢驗上進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，ZT 27-45型爆破孔鉆塔研制在這些方面進(jìn)行了很多有益的探索。

（2）ZT 27-45型爆破孔鉆塔研制在低合金高強(qiáng)度鋼大件焊接方面取得了寶貴的經(jīng)驗，通過對這種特殊材料的焊接工藝評定和生產(chǎn)焊接實踐，形成了較為成熟的焊接工藝和質(zhì)量保證措施，在今后類似特殊需要的結(jié)構(gòu)件設(shè)計制造時可以進(jìn)一步推廣應(yīng)用。