高层建筑箱型钢结构制作工艺及其质量控制

张海军 宋玉

摘要：箱型钢结构制造的工艺流程和制作难点做了详细解析和探讨，并对箱型钢制作过程的关键点以及变形控制和矫正进行分析。

关键词：箱型钢结构；工艺流程；焊接变形；电渣焊；

Abstract: this paper analyzed the box-type steel manufacturing process and production difficulties, and discussed the key points of the box steel production process as well as deformation control and correction.Key words: steel box; process; welding deformation; electro slag welding

中图分类号：TU208.3文献标识码： A 文章编号：

箱形结构梁具有较好的强度和刚度，稳定性较好，受力均匀，承载能力优于其它结构，并且箱型结构便于布置各种大型设备。箱形结构柱则具有强度高、重量轻、材质均匀、塑性韧性好、安装方便等优点被广泛应用于石化建设中。2011年上海石油化工股份有限公司炼油改造工程中350万吨/年重油催化裂化装置的反再框架中用于支撑反应器的框架均是采用箱型钢结构。

1 箱型钢制作工艺流程

见流程图

2 下料余量控制

每一块腹板和翼板上都有两条长焊缝，焊缝的设计有时是角焊缝，有时是对接和角接的组合的T型焊缝，通常采用埋弧焊进行焊接，焊缝收缩量比较大。在长度方向上，其焊缝收缩补偿值按照每米加长0.5mm计算，下料时充分考虑在内。

原则上箱形构件的翼板、腹板不拼接，但尺寸超长或不得已，设计也允许采用拼接。凡长度要拼接的翼、腹板料，必须先拼接并经无损探伤合格后才能计量长度、下料，所有拼接焊缝为一级焊缝。矫平拼缝，方可划线、下料。腹板和翼板考虑到以后的加工余量、内衬板的焊接收缩余量，连同长焊缝每米0.5mm的收缩量在内，在总体长度上需要考虑50mm的余量。

箱型钢的腹板和翼板共计四块外板中，翼板根据经验在宽度方向上加2mm的余量。腹板在宽度方向上的余量，1块不予考虑，另一块按照减少2mm来考虑。箱体内的隔板在机加工后，长度和宽度方向上都应该有2mm余量。

3 板条的切割和矫正

板条下料应该使用高精度门式多嘴头气割机进行切割，气割缝的宽度要根据切割板的厚度正确加放补偿量。板厚小于等于32mm时，补偿值为2mm；板厚大于32mm时，补偿值为3mm。所以在排版时，应充分考虑切割损耗。

焊缝坡口宜采用半自动气割机两边对称、同时切割，有条件的可以采用机加工刨边（坡口质量将影响焊接质量）。箱型钢结构在梁柱、梁梁连接的节点处焊接要求比起无连接处较高，其焊缝坡口型式也有所不同，所以气割坡口时要保证两种坡口光滑过渡。所有零件切割后必须先矫正，检查并调平、调直所有板料的平面度、直线度后才能用于装配。矫正方法可以采用火焰矫正和机械冷压方法，但是要以机械冷压方法为主。若采用火焰矫正法，则加热温度不得超过900℃。

箱型钢制作流程图

4 内隔板与垫板、衬板组对

4.1 为了精确控制几何尺寸，按照隔板与垫板、衬板组对后的外形尺寸，制作矩形的靠模，靠模两直角边为固定侧，点焊在钢平台上固定，另外两直角边为活动侧，根据隔板尺寸的不同，可调节活动侧，装配应在靠模上进行。

4.2 将隔板放置在已调整好尺寸的靠模中间，四周按图纸尺寸留出垫板、衬板的距离。

4.3 将垫板和衬板各分别放在隔板上面，注意将平直面、即加工面朝外侧，紧贴靠模的边缘，板间应贴紧、平整，间隙小于0.5mm，点焊固定。

4.4 翻转180°，重复上述工序，完成组对。取出点焊固定好的隔板组，检查尺寸及四角是否垂直，合格后，方可批量生产。并经常抽查靠模及隔板组尺寸，以防走形。

内隔板与垫板、衬板组装胎具 箱型构件组装胎具

5 U型结构组装

6 焊接

6.1隔板与腹板、下翼板焊接

检查组对好的箱型柱的外形尺寸，主要有隔板的位置尺寸，箱型柱侧面的对角线的尺寸，等尺寸合格后方可进行下道工序。（停止检查点）

将U形结构翻转90°，用CO2气体保护焊焊接隔板与腹板间的连接焊缝，翻转90°，焊接下翼板上所有焊缝（包括衬条焊缝）。再翻转90°，焊接另一侧腹板上的所有焊缝，每一侧都先焊中间隔板，再分别往两端对称焊接，确认无漏焊部位（翻转的目的是使所有的焊接都处于平焊位置，利于保证焊接质量。

焊后清除焊道处及箱体内所有杂物，按图纸要求进行焊缝检测，合格后方可进行下一道工序。

6.2 隔板與上翼板组对焊接

在最后一块翼缘板封盖之前箱型柱内部要进行内部防腐，首先进行机械除锈，等级达到St3级，然后再进行油漆防腐，完成后要让监理进行检查，合格后方可封盖。（停止检查点）

在组立机上，以端板一端为基准，将上翼板吊至U形结构上，并从基准端开始，向另一端均匀点固上翼板与两腹板的连接缝。特别在隔板处，更应压紧上翼板后再点固。防止缝隙过大，影响焊接质量。点固点应在坡口内进行，点固焊缝长50mm，点固焊缝时电流应稍大，保证熔透。

在先前腹板三边焊接完成后的，焊工爬进去进行另一边的焊接，焊接要注意通风，要完成一块隔板后出来再进行另外隔板的焊接。焊接之前要让HSE经理开好作业票以后方可进入焊接，其它人员未经允许不得进入，焊接时要有专门人员进行看护，以免有特殊情况发生，焊接过程中安全措施要到位。

焊后去除药皮，切勿伤及母材，然后打磨平整。隔板焊缝进行UT检查合格后方可进行下道工序。（停止检查点）

箱体隔板的组装定位

6.3 主焊道焊接

焊接四条纵向主角焊缝，首先采用二氧化碳气体保护焊进行打底焊接，然后采用埋弧自动焊。焊接前，在焊道两端设置引弧板。焊接时，焊机应一层焊缝一层焊缝的焊接，水平位置焊接，焊接从一端开始，同时、同向、同规范施焊，并不得中断焊接，直至另一端。

焊接前先预热，预热按照相关工艺执行，预热后先用气保焊对其中一条主焊缝进行打底焊接，焊完后要注意保温。每焊完一段焊缝就用石棉垫盖住，以保证其温度缓慢降低。用测温仪来观察其温度变化，焊后进行后热，后热温度见相关工艺执行。

在一条主焊缝保温的同时，可以在进行另一条焊缝的焊接，以保证两条焊缝能交替进行焊接。每焊一遍的同时都要执行上步骤的要求。如果当天的主焊道没有焊接完，第二天重新焊接前，要重新进行预热。每焊完一遍焊道之后都要执行步骤3的要求。

在同一平面内的两条焊缝焊完以后要进行热处理，热处理见相关工艺卡。焊完同一面的焊缝后，移至锚链翻转机，翻转180°，同上法，从一端开始，同时、同向、同规范焊接另两条主角焊缝，若做不到则所有焊道要一层一层轮流交替焊接。焊完进行UT检验，在整个箱型柱完成检验后再进行下道工序焊接。

6.4 箱型柱柱底和柱顶十字隔板的焊接

注：箱型钢隔板开600的圆孔。

2和3板组成十字板先焊接好（熔透），然后推进去箱型柱中，由人分别从四个小方洞中爬进去进行焊接，如右上方的样式，并且在1隔板上分别开150mm的圆孔，以保证通风。

十字板与箱型柱及隔板接触的面都是单面坡口熔透焊接，在焊接的过程中要加衬板。如右图，四个孔洞中的焊缝由人分别爬进去焊接。

等步骤3完成后，再进行四块小隔板4的焊接，四块小隔板4，在4的位置处，分别按照图纸的尺寸事先在柱壁及隔板的上焊接好衬板，然后再把小隔板分别推进去进行焊接，小隔板四面开单面坡口，焊接完成后进行UT检验。

最后，柱底板与柱子底部进行焊接，柱底与柱子采用加衬板的单面熔透焊接，焊接完成后进行UT检测。

十字隔板与柱底接触的地方采用电渣焊，在需要电渣焊相对应的腹板和翼板上分别开20mm的圆孔，以方便电渣焊用，焊接完成后进行表面处理，打磨平整。

7 装配变形控制与矫正

装配变形控制主要从以下五方面来考虑。

7.1 横隔板：对于钢箱结构来说，横隔板尺寸精确度控制是非常必要的，横隔板尺寸精确度是保证箱型梁组装质量的关键，隔板的垂直度直接影响组装箱型梁的扭曲度。隔板制作完成后需要测量整体尺寸，要求长度、宽度尺寸、直角精度均不超过2 mm，两对角线绝对误差要小于3 mm。为防止隔板制作完成后翻转、发运过程中变形，需要对隔板增加内工艺撑，在隔板制作成形施焊前安装到位。

7.2 装配横隔板：装焊完加强筋的底板首先要与胎架固定，然后利用直角靠模装配横隔板，保证全部内隔板的边缘在同一条直线上，用线锤吊、直角尺测量调整各档隔板垂直度，横隔板对称点焊定位在底板上（点焊长度不小于50 mm），并安装角钢加固，防止倾覆。安装横隔板完毕后安装外工艺撑，其支撑高度需大于隔板高度的一半，防止隔板在焊接过程中发生焊接变形。

7.3 钢箱结构三面成型：横隔板装配完毕后装配两侧腹板，要求两侧腹板垂直于底板，不允许迎合横隔板尺寸偏差紧贴横隔板而导致腹板平直度的装配偏差。允许腹板与横隔板焊缝根部留有一定的装配间隙。底板与腹板的定位焊要求在钢箱内侧进行，以保证外侧角焊缝的成形质量。

7.4 钢箱结构四面成型：安装上盖板时，在钢箱内侧点焊定位。对四面成形的装配质量进行检验至关重要，对钢箱直线度、拱度、腹板中心距、同截面高进行检验。

8 焊接变形的矫正

可以通过机械和火焰加热的方法来矫正因焊接而造成的变形。

接卸矫正。一般在油压机上，对弯曲变形的上拱部分进行下压，使收缩部分伸长，从而使变形得到矫正。

首先对箱型钢构进行整体检查，在有平面水平度的地方划线，在变形（表现为凸起或鼓包）的钢板表面加热，使钢板局部受热，并在厚度方向上产生温差，使加热的一面由于温度高残余塑变量大，反面温度低塑变量小，以达到“拉平”钢板的目的。因此在加热区域（焊接热影响区）根据板厚选择适当的温度和速度加热，并要求在温度扩散至反面之前迅速冷却。对加热范围内的凸起处，不得用铁锒头直接敲击。

整体弯扭变形：对于梁截面扭曲变形矫正关键是确定扭转角为零的截面，然后在远离截面的两侧以中心对称加热进一步向零度递减。

火工矫正完以后应复查钢箱的直线度、平面度；检查钢箱端口的开档尺寸，以及端部腹板与翼板的垂直度。

9 端面加工

以箱形钢有端板的一端为基准，按照图纸尺寸进行端面铣削，保证端面四周的铣削宽度一致，端面与箱形钢的四面垂直。以铣好的一端为基准，测量长度方向应去除的余量，并画线。铣削另一端，将余量全部铣去（如余量较大，可先用气割切去多余部分，留5mm铣削余量）。两铣削面应保证平行，与柱面垂直。如图纸要求端部开坡口，则端部铣平后再铣削坡口。铣削后，应将四周的铣削毛刺除去。

10 安全保障措施

严格履行作业前的技术和安全交底工作，向作业人员进行作业程序和安全措施交底，对现场监护人和作业人员进行必要安全教育，内容应包括所从事作业的安全知识、紧急情况下的处理和救护方法等，必要时可提出由安全管理部门人员进行上述安全教育。安全管理部门、车间安全负责人、监护人、相关专业技术人员（必要时），对需进入作业的设备、容器、设施进行现场检查，对受限空间作业的过程实施监督。

进入受限空间作业人员，应将《进入受限空间作业许可证》交付监护人，并在“进出受限空间人员登记表”上登记入出时间，以便监护人核实掌握作业人员进出情况；

进入受限空间作业使用电动设备、电动工具、照明均为安全电压型。进入金属容器和特别潮湿、工作场地狭窄的非金属容器内作业照明电压不大于12V；当特殊情况下，需使用电动工具电压大于12V时，应按规定安装漏电保护器，其接线箱（板）严禁带入容器内使用；

为保证受限空间内空气流通和人员呼吸需要，可采用自然通风，必要时采取强制通风方法，但严禁向内充氧气。进入受限空间人的作业人员每次工作时间不宜过长，应视情况安排轮换作业或休息；

进入受限空间作业各类安全措施条件具备但在作业期间发生异常变化，应立即停止作业，待处理并达到安全作业条件后，方可再進入受限空间作业。

进入受限空间的作业人员，出现中毒、窒息的紧急情况，抢救人员应佩戴隔离式防护面具进入受限空间内，并至少有一个人在外部做联络工作.

11 结束语

由于箱型钢结构具有较复杂的结构形式，组成箱型钢的各种板材厚度较大，焊接量较大。由于局部结构采用电渣焊，热量集中易发生焊接变形。故箱型钢制作的整过过程都要做到科学、严谨、精细。在制作和现场拼装过程中一定要严格把好各道工序的质量关，并在实践中不断的探索更合理的各工序的加工余量。希望本文能够对箱型钢的生产起到借鉴之用。

参考文献

[1] 《中石化宁波工程公司钢结构预制程序》 2006 第IV版

[2] 《钢结构工程实施手册》 2002 第1版

[3] 《钢结构工程施工质量验收规范》 GB50205-2001

[4] 《建筑钢结构焊接技术规程》 JGJ81-2002

[5] 《应用科技》 钢结构箱型柱制作 刘迪 2008

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。