超特厚170钢材用于船闸人字门背拉杆螺栓

梁健

摘 要：随着亚洲投资银行的成立和“一路一带”国家战略的实施，随着国防现代化的深入，国内在超特厚钢板的需求方面，质和量的要求必然会再上一个台阶，本文试图通过船闸背拉杆的选材实例，展现令人担忧的热轧型超特厚低碳钢板的供货和质量现状，从而希望唤起相关企业的高度重视，并能够在这一领域苦练内功，缩小差距，赶超世界先进水平。船闸大型人字门的关键零部件——背拉杆螺栓，需要承受高强度的拉力（单根≦2808KN），兼具优秀的焊接性能和机加工性能，试图把热轧型超特厚Q345钢板作为它的材料首选。

关键词：人字门背拉杆 力学试验 化学成分检测 选材 超特厚板质量

1.人字门背拉杆螺栓介绍

高水头船闸特大型人字门单扇重300多吨，高26米，宽14米，厚2.2米，门轴柱的远端平行于门轴柱的斜接柱，在门的自重、门前壅水压力和风压力作用下会发生扭转变形，为制止变形，增加人字门的抗扭刚度，在单扇人字门的上下半扇各布置一对交叉组合背拉杆，作用是增加闸门的整体刚度，特别是闸门的扭曲刚度。由于背拉杆紧固螺栓在人字门上所起到的独特作用，决定了制作背拉杆螺栓零件的材料必须同时具有出色的抗拉性能、优秀的焊接性能和优秀的机加工性能，它有特大型高水头人字门制作皇冠之上的明珠称谓，上下四扇人字门需制作螺栓24支。

背拉杆螺栓单支重34.88Kg，总长1.80米，一头为直径120mm的T14梯形螺栓，长度为600mm，在螺栓的根部向后由光圆柱形渐渐变成立体纺锤形，大头螺栓侧宽200mm，纺锤形末端为半径R30mm的圆弧收尾，纺锤体厚度为160mm，纺锤体中空开厚34mm长700mm的立体音叉形状槽，音叉槽的轴线和螺栓的轴线不重合，叉口向上背拉杆有0.446度的斜夹角，叉口向下背拉杆有0.45度的斜夹角，肉眼分辨较难。由于音叉形内壁精度要求高，挖掉这块金属板子必须依靠高精度数控线切割机来完成，且需一次准确加工完成，没留富裕数量的毛坯。该零件体量大、构造立面复杂、精度要求高、加工周期长是它的特点。

2.Q345超特厚170钢板

早在2014年初，人字门制作厂家在制作合同一签订，就到处联系购买型号为Q345的170mm超特厚热轧碳素结构钢板一块做为制作的原材料，由于系超特厚板材，市场需求少，故此货品比较稀缺，加上超特厚板质量控制比较难做，确实是一板难求，直到2015年3月份才实实在在看到一块长5650mm宽1920mm钢板静静地躺在工厂的切割车间里面。业主、监理、厂质检和工艺相关人员到现场，看着老师傅采用高压离子切割机，在已经放过样的不影响零件加工位置，花了5分钟就切下一块100mm×300mm试板，送实验室车制成直径10MM的标准试棒做拉拔试验。本来想走走程序就赶紧加工的，因为时间拖得比较久，出人意料的事情还是发生了，拉拔试验没通过，三根试棒的试验拉应力只有267、265和269MPa，而规范对于超特厚板150～200mm的试件要求许用拉应力≧275MPa。消息传到材料供应商，大家都愕然了，于是有人提出在厚板的另一头再割一块试板再做做试验看看，如果结果出来都合格，可以认定是材质均匀性问题，也许有挽回的余地，可是做了二根试棒拉出来的结果为296、266MPa，单次合格50%，总试验合格率为20%，大家于是乎对这块单重达14.36吨的板子失去了信心，价值5万多元的这块钢板就这样挂了！记得以前在买国产护套线时，在标签上标明是100米/卷，可如果你是有心人的话，把线拆开用卷尺丈量，往往只有99～97米，从来没有一卷线达到或超过100米的，——我们的产品至今仍然存在缺斤少两的现状，问题是电线不太影响使用，人们不会太抠总是会多买一点余量的，可是钢板就不行了，区区的10MPa，完全决定了这块钢板的命运，也就是说少了10MPa它就是废钢板了。

3.25号中碳钢

过了一段时间，从抗拉强度和容易选材方面考虑，生产厂家提出采用25号中碳钢来加工背拉杆，结果遭到设计的否决，尽管与低碳钢比较，由于含碳量高，强度也高，但是25号钢不具备优秀的焊接性能，无法与Q345钢带进行有效焊接。主要有以下二点：（1）热影响区容易产生低塑性的淬硬组织。板厚越大，这种淬硬倾向也越大。焊件刚度较大和焊条选用不当时，容易产生冷裂纹。（2）由于在一般情况下，焊条电弧焊焊缝的熔合比为30%～40%左右，所以焊缝的含碳量比较高，其结果是容易产生热裂纹。

4.Q345锻钢件

又过了一段时间，在2015年5月份，生产厂家经过多方调研，提出采用Q345锻钢来加工背拉杆，总算得到多方的认可，在订货一段时间之后，锻造厂家送来24根Φ170mm左右的毛胚和一根试棒，说是同炉的，这边监理提出异议，要求在试棒做拉拔试验的同时做化学成分试验，再任选一毛胚，现场从它上面切一小块盔状金属也做化学成分试验，如果二者的化学成分相同，则试棒的力学拉拔数据等同于毛胚，否则直接要拿毛胚做拉拔试验。意想不到的事情又发生了，锻钢试棒拉拔数据相当好，为335MPa通过了，但是化学成分C：0.143%、S：<0.003%、Si：0.226%、Mn：1.19%、P：0.010%，相比较毛坯盔的化学成分C：0.173%、S：0.0 05%、Si：0. 32 2 %、M n：1.37%、P：0.013%，显然是有比较大的出入的，因此试棒和毛坯，想要通过化学成份建立起来的联系链还是断掉了，直接导致需要抽查毛坯来进行拉拔试验。可问题又出来了，贝拉杆数量为24根，毛坯数量也是24根且尺寸上面也没有太大的宽裕，仅仅预留出了点机加工余量。根据制作流程，在材料各项试验没通过的前提之下，是不能进入到下一道加工工序的，一筹莫展的制作厂家打电话给锻钢生产厂家，对方却胸脯拍的山响，说是绝对没问题，加工做就是了，如果不对，则一切损失算在他们头上好了，在做军工的高精度线切割机上切下一块纺锤形的厚25mm钢板来做为试板，送到50公里外的标准实验室，通过辨认材料需要的受力方向，来进行锯切成方料，然后上车床加工成为两头粗中间直径10mm的标准试棒进行拉拔，人们在复杂和忐忑中，在担心这批锻件不要又变成废品，还要搭上加工费用的心情之中，观看一边试棒在试验台拉钳拉力的作用之下，渐渐由缩颈直到最后断裂；另一边，监控计算机显示屏中一根斜线向上直走、小齿状平走、在向上抛物线、再突然下来，我们大家心中念念着不要不够，直到检测员在报告上写下288MPa，方才感觉有一个词从天踏踏实实而降——材料过了！化学成分报告出来为C：0.177%、S：0.003%、Si：0.267%、Mn：1.32%、P：0.005%，和毛坯盔的化学成分相当的吻合。历时一年半的富春江船闸人字门背拉杆螺栓选材，在人们的忐忑不安中，通过了试验，得以进入正常制作中。

5.结语

对于超特厚件需要焊接的背拉杆零件加工制作来说，优选材料应该是Q345热轧型钢，而锻钢属于再加工强化钢，势必消耗较多的能量，且热锻打过程噪音非常之大，万般无奈而用之。如果我们的钢铁制造厂家，能够在超特厚钢板制作的质量控制方面更进一步，达到和超过规范所要求的力学指标，那么我们的钢铁冶炼行业就会为下游的制作厂家节约相当的成本，减少对环境的负面影响。随着亚洲投资银行的成立和“一路一带”国家战略的实施，随着国防现代化的深入，在超特厚钢板的需求方面，质和量的要求必然会再上一个台阶，国内的冶炼企业也要随大势而动，加大相应的技改投入，在超特厚热轧钢领域赶超世界先进水平。

参考文献：

[1]吴光宇，申丽敏.船闸人字门背拉杆预应力设计分析[J].黑龙江水利科技，2007（1）.

[2]张瑜，陈雄.长洲船闸人字门背拉杆预应力张拉技术[J].广西水利水电，2008（1）.

[3]黄福艺.长洲水利枢纽船闸人字门背拉杆预应力施工[J].人民长江，2008（5）.

[4]吴宝泉.船闸人字门背拉杆预应力优化与调试[D].哈尔滨工业大学，2013.

[5]白培康，李志勇，丁京滨，刘斌.材料连接技术[M].国防工业出版社，2007.endprint