高强度螺栓连接结构锅炉钢构架制造技术

高强度螺栓连接结构锅炉钢构架制造技术

王江涛张丽

王江涛张丽

（哈尔滨锅炉厂工业锅炉公司，黑龙江哈尔滨150046）

摘要：钢构架是锅炉的承力部件，它支撑锅炉本体的重量，并抵御地震、风及炉膛额定爆炸力等荷载。就金属耗量而言，一台300MW锅炉重量在7000多吨，构架重量约占总重的1/3，所以钢构架是锅炉产品制造的重要组成部分。本文从高强度螺栓结构钢构架的结构特点入手，系统地介绍了独特的制造工艺。

关键词：锅炉钢构架；高强度螺栓；制造技术

高强度螺栓结构钢构架是构架的各部分连接件通过高强度螺栓连接成立体框架，水平和垂直方向纵横各方位连接件众多，空间位置互相制约，连接精度严格。所以庞大的锅炉构架，若想所有的连接件一次组装就位，通孔率达到100%，这对冷作制造来说，其难度是相当大的。

各锅炉厂家的锅炉构架各有自己特定的结构形式，现就哈锅300MW锅炉构架的制造技术介绍如下。

1结构特点

一台300MW锅炉构架重量一般在2000多吨，主体构架总高在60m左右，一般分5层。根据构件的作用分为柱、梁、垂直支撑（立面斜拉条）及水平支撑（水平斜拉条）4部分。柱、梁、垂直支撑基本都是板拼工型构件，采用碳钢或低合金钢材料的中厚板拼焊而成，水平支撑杆件为型钢件。各部分杆件通过连接板或连接角钢，用M22高强度螺栓连接组成构架。连接孔为Φ24，一台炉构架一般有10余万个连接孔。连接部位靠摩擦传力，摩擦系数μ=0.40。

构架最顶端有大板梁，它是锅炉构架中最重要的承力部件。一台300MW炉一般有10根大板梁，总质量在280吨左右。大板梁为板拼工型梁，最大梁高4m，梁宽1m左右，最长20m多，单件最大质量60多吨。大板梁的几何尺寸和质量都很大，钢板厚，孔群多，技术要求高，制造难度大。

2摩擦系数测定

由于高强度螺栓连接靠摩擦传力，连接部位摩擦系数的大小直接影响构架的受力，所以在生产前必须对摩擦面进行摩擦系数测定，验证拟采取的工艺措施能否达到设计值μ=0.40。

2.1试件选取。取与构架材质相同的试件和工程所用的高强度螺栓连接副进行试验。

2.2摩擦系数计算。计算公式为：μ=N/n·Σp

式中μ-摩擦系数；N-滑动荷载；n-传力摩擦面数，n=2；Σp-与试件荷载一侧对应的高强度螺栓预拉力（紧固轴力）之和，因实际预拉力与公称预拉力有一定出入，所以P应为实测值。

2.3螺栓预拉力测定。通过电阻应变仪进行测定。取10个高强度螺栓，加工后贴好应变片，用导线连接于应变仪上，然后连接试件，用电动扭矩搬手紧固螺栓。螺栓受力后产生伸长线应变，在应变仪上分别读出每个螺栓的应变量。求出平均应变量ε。

ε=Σεi/10=2493×10-6

螺栓紧固轴力计算公式为：P=εEF

式中P-螺栓紧固轴力；E-弹性模量，取E=2.1×106kg/cm2；F-螺栓截面积，3.64cm2。

经计算螺栓的平均紧固轴力为：P=186.9kN。

2.4摩擦系数测定。选3种表面处理方法分别测定：a.连接副试件全部喷砂处理；b.连接副试件全部酸洗处理；c.连接副试件一部分酸洗后淋上水，室外放置24小时，使其生锈；另一部分喷砂处理。

每种取3组试件，将其分别在拉力机上夹紧（轴线要与夹具中心严格对中）。启动拉力机，观察试件标记线。当标记线发生错位时的拉力机读数即为滑动荷载。

经测定3种方法的平均滑动荷载分别为：

Na=500kN，Nb=347Kn，Nc=514kN。

经计算3种方法的平均摩擦系数分别为：

μa=0.45，μb=0.31，μc=0.46

可以看出，a和c两种工艺方法得到的摩擦系数能够达到设计值要求。

3必要的工艺条件和工艺设备

a.足够的生产场地及试装场地。b.起重能力≥70吨。c.具有剪板机、半自动气割机和数控气割机等下料设备。d.加工能力≥80mm×10m的刨边或铣边机。e.足够能力的端面铣床或镗床。f.足够能力的钢板校平机及火焰校正能力。g.足够的钻孔设备。h.有能进行钢板对接及焊角焊缝的埋弧自动焊设备。i.喷砂设备。j.无损检验设备（MT、RT、UT）。k.预热及局部热处理设备。

4主要工艺措施

a.采用标准尺进行加工及检测。所谓标准尺，就是特殊定做一定量专用的精度比较高的盘尺。因通常使用的冷作盘尺误差很大，且在一定长度内，每把尺的偏差有正有负，无法满足该类产品的制造精度要求。在产品整个制造过程中，从备料、装配、试装及检查等各环节都用同样的标准尺，以避免因尺的误差累计而影响制造精度。b.所有孔群均采用钻模板加工，以保证孔群节距公差。对同一处连接孔群，应尽量做成整体结构，并使钻模在结构上有利于对线、装夹和方便使用。c.采用必要的胎夹具和专用划线工具等，以保证关键件或关键部位的装焊精度和划线精度。d.孔群位置线等高精度部位的尺寸划线，采用钢针划线，细钢丝拉线。因通常冷作用的石笔、粉线划线方法误差太大。e.连接板上的孔群基准边、翼板上有孔群的杆件腹板两边及柱子两端等关键部位要进行机械加工。f.所有孔群内外表面全部喷砂处理。

5工艺要点

5.1零件备料。工型杆件翼板、腹板采用数控气割机或半自动气割机下料，校平、校直用校板机和火焰校证。

连接板δ<20mm采用剪板机下料，δ≥20mm用手工气割或数控气割下料，压力机校平。

连接角钢厚δ≤10mm采用联合冲剪机下料，δ>10mm用手工气割下料，最好采用锯床锯切下料。如角钢角度不能保证90°时，要用压力机角尺模进行校正。

5.2机械加工。连接板基准边用钅包或铣加工；翼板上有孔群的杆件腹板两边及δ≥38mm的所有板件边缘进行刨边或铣边加工；柱子两端端铣或镗加工；对接边及对接坡口进行机械加工。

依据钢板厚度和下料方法，单边机械加工余量预留3~7mm；腹板机加宽度公差按-0.5~-1控制。

5.3工型杆件翼板和腹板长度余量。翼板和腹板在备料时应适当放出一定的余量，以补偿下列因素的收缩影响。

钢板拼接焊缝收缩。主要与拼接缝的多少及板厚有关，拼接缝越多、板越厚收缩量越大。

角焊缝收缩。主要与焊缝的长度有关，焊缝越长收缩越大。

火焰校正收缩。工型杆件焊接成型后的变形用火焰校正，火焰校正的收缩量与操作者技术水平高低有很大关系，烤火点准确、烤火量及遍数少，收缩量就小，反之就大。

柱子端铣余量。根据截面的大小，一般按每端5~8mm考虑。

综合以上各种因素，一般按以下规律放余量：梁、垂直支撑杆件翼板和腹板按总长的1%-1.5%mm放余量；柱子两端机械加工，余量按总长的2%~3%mm选取。

5.4焊接。钢板对接及杆件4条主角焊缝采用埋弧自动焊。两端装点引息弧板（L≥100mm），焊后割掉，不允许用锤击去除。焊缝区域浮锈及杂物要清理干净露出金属光泽。

对接焊缝采取全焊透结构，工型角焊缝采取船形位置焊，埋弧焊熔深P≥1mm。

对接焊缝坡口形式，以保证焊缝质量，并尽量减少填充金属。

定位焊要求。定位焊过渡时间短，母材升温迟缓，冷却速度快，容易出现裂纹和焊不透现象。所以定位焊应与正式焊接同等对待，由具有合格证的焊工施焊，且定位焊缝高度和长度应足够大，焊缝高度一般情况下应不小于焊缝高度的7倍，长度50~100mm。

焊接材料选取见表2所示。

预热及热处理。16Mn材料δ≥32mm焊前预热100~150℃，Q235-A材料δ≥70mm焊前预热100℃，均包括定位焊。δ≥38mm板对接焊缝焊后要进行去应力热处理。

无损检验。δ≥32mm板对接焊缝100%RT或UT检验；δ>25mm板对接焊缝及两块板均δ>25mm的角焊缝100%MT检验；δ≤25mm对接焊缝MT抽查起弧和收弧部位。

5.5其它。工型组件中的翼板和腹板拼接焊缝及其相关联部位要相互错开，下料尺寸要参照组件图绘出，最好出拼接图。相互错开距离如下：相邻拼缝L>200mm；拼缝与附件L≥100mm；拼缝与孔L>120mm。

钻完孔后要清理干净铁屑及毛刺等，但不能将孔磨出倒角，这样会减小摩擦面，而影响传力。

孔群周围75mm范围内不允许油漆，涂漆时应用必要的工装覆盖孔群周围表面，避免摩擦面淋上油漆而降低摩擦系数。

6试装

为了保证构架在工地安装能够顺利进行，构架制造完成后要在厂内试装。试装也是对产品制造质量的综合检验，对试装过程中出现的质量问题，及时进行返修，并总结经验，不断改进工艺和提高制造质量。

厂内试装原则上所有连接件都应进行，但考虑这样试装工作量非常大，既延长生产周期，又增加了制造费用。根据构架各部分连接特点及生产经验，一般情况下厂内试装只对关键的立面，主要是有垂直支撑的立面，即柱、梁和垂直支撑3部分进行试装，因这些部分连接件及孔群数量多，制造精度要求严格，容易出现质量问题。

立面试装从构架第一层开始，每相临两层，一个或二个柱距一起分片试装。第一、二层试装完毕后，第一层就可以油漆、包装发货，第二层留下继续试装，依次类推。

7结论

高强度螺栓连接结构构架的制造需要必要的工艺设备和工艺装备，及先进合理的制造工艺技术。随着工艺设施进步、工艺改进及制造质量的不断提高，厂内试装就可以逐步减少或最终取消试装，这样就可以大大缩短生产周期及降低制造成本。对如何进一步提高制造质量，从工艺措施上提出以下设想。

7.1采用数显划线装置。对连接杆件上的孔群相对位置采用数显划线装置划线，更有利于保证划线准确度。

7.2整体划线。对垂直支撑、水平支撑的杆件及两端连接板3部分，可采用整体划线装置，使相关联的部分一次划出孔群位置线，避免各部分单独划线造成误差累计而容易超差。

7.3采用滑座钻床。因连接杆件长，各方位孔群多。在摇臂钻床上钻孔，需频繁串动找正，不利于保证钻孔质量，效率也低。如采用滑座钻床就可以将工件固定，通过钻床的移动来加工杆件同方向的各个孔群。

7.4采用数控钻床。更先进的工艺措施是采用数控钻床，这样孔群不用划位置线，各方位孔群相对位置由钻床自动控制钻孔，质量好效益高。对专业制造厂，尽管购进数控钻床投资高，但长远效益是相当可观的。

参考文献

[1]李秋爽.钢结构入门及设计基础知识[M].成都：西南交通大学出版社，2004.

[2]陈骥.钢结构稳定理论与设计[M].第四版.北京：科学出版社，2008.

[3]袁继雄.框架梁柱节点性能研究之测试方法与边界条件的分析[D].汕头：汕头大学，2008.