国产首台双护盾TBM刀盘现场组装焊接施工工艺论文_陈桂萍

陈桂萍

中国水利水电第三工程局有限公司 陕西 西安 710032

摘要:国产首台双护盾TBM应用于兰州市水源地工程主输水隧洞的掘进施工,其主要部件—刀盘,由于道路、桥梁运输限制,只能采用分瓣运输的方式,运输至现场后,组拼、焊接成整体,再实施吊装,本文主要阐述了刀盘分瓣组装、焊接的施工工艺及质量控制。

关键词:国产首台;双护盾TBM;刀盘;组装;焊接

1工程概况

兰州市水源地建设工程是将刘家峡水库的优质水通过31Km长的引水隧洞引至兰州解决兰州市饮水问题的民生工程。

中国水电三局承建的第3标段采用中国铁建重工集团生产的国产首台双护盾TBM进行掘进施工,主要承担全长13458.029m的主输水隧洞掘进施工,隧洞开挖直径5.49m,采用形混凝土预制管片衬砌,衬砌后内径为4.6m。

设备总重约1187.7t,总长308m;主要由主机、连接桥及后配套拖车等组成,其中主机部分又分为刀盘、前盾(含主驱动)、前盾尾壳、伸缩盾、撑紧盾,盾尾、托梁、管片拼装机、超前钻机回转支承、主机皮带机等;因运输条件限制,刀盘、前盾尾壳、伸缩盾、尾盾等部件分两块,前盾、撑紧盾分3块运输,现场组拼后焊接成整体。

2刀盘结构特点

刀盘是双护盾TBM的主要工作部件,由刀盘钢结构、刀具等组成,其主要作用是切削掌子面、破碎岩石;该刀盘直径5.49m,重75吨。

由于受现场道路、桥梁运输限制,厂内制造时将刀盘分为上边块、下边块两瓣运输,两瓣分别重35t、40t,现场组拼、焊接完成后整体吊装。

刀盘根据兰州水源地引水隧洞的特点做了针对性的设计,其特点如下:

(1)分块式设计满足设备运输和洞内拆装要求;

(2)高强度、高耐磨性设计,提高了刀盘的整体使用寿命,正常使用情况下,其主体结构设计使用寿命不小于10000小时;

(3)刀盘整体钢结构由Q345D高强度钢板焊接组成,整体刚度和强度满足项目施工需求,同时根据刀盘开挖磨损的特性,在刀盘不同的部位增设耐磨保护。

(4)刀盘面板焊接耐磨复合钢板、外缘焊有镶嵌合金的耐磨板,刀盘后锥圆环上焊有Hardox500耐磨板。

3工艺流程

刀盘主体结构的上边块和下边块在厂内预拼装时采用螺栓连接固定,在现场拼装时在螺栓连接的基础上采用焊接。上边块和下边块连接处厂内制造时,留有焊接坡口。

因刀盘焊接时正值冬季,为保证焊接质量,对刀盘须采取保温措施,搭设保温棚,在保温棚内采用炭火炉对环境温度及刀盘进行加热。

刀盘组焊施工流程:组焊场地布置及设备材料准备→刀盘上边块吊装→刀盘下边块吊装→高强螺栓紧固→焊缝打磨→刀盘焊接保温棚搭设→组合正面焊缝焊接、着色探伤→保温棚拆除、刀盘翻身→搭设保温棚→刀盘背面焊缝焊接、着色探伤→保温棚拆除→刀盘吊装→清理、涂装

4焊接方法

4.1施工准备

(1)对刀盘部件、专用工具进行检查并核对,进行设备缺陷处理和整形,直至满足相关标准。

(2)准备钢支墩、电焊机、气泵等设备,准备组装、焊接及保温棚搭设的设备和材料。

(3)焊接设备2台ZX5-630焊机和4台NB(KR)-500TCO2/MAG焊机,烘箱1台。

(4)选用Ø4.0×400mm/5kg、EASYARCTM-7018(J506Fe)焊条及直径为Ø1.6mm,PRIMACORE™MW-71药芯焊丝。焊条使用前在300-350°C下烘烤60-120分钟;焊丝开袋即用。CO2气体纯度≥99.5%。

(5)焊前严格清理坡口两侧50mm范围内的油污、铁锈和油漆等。采用砂轮机将焊缝两侧50~100mm内进行打磨,呈现金属光泽。

(6)刀盘焊接时正值冬季,焊接前,在刀盘周围搭设保温棚,满足刀盘焊接的环境温度。

(7)准备刀钢支墩6个,尺寸为350mm×350mm×500mm,同时准备4台50t千斤顶。

(8)风动扳手、液压扭矩扳手、测温枪,组合缝调整垫片等专用工具。

4.2刀盘组装

(1)布置钢支墩6个,用电子水准仪和钢板尺测量,配合楔子板调整支墩高程,相互偏差不得大于2mm。

(2)刀盘焊接部位脱漆、除锈,焊缝两侧50mm内不允许有油污、杂物;坡口部位用角磨机打磨出金属光泽。

(3)清扫分瓣刀盘的组合面及背部法兰面,应脱漆、除锈、去毛刺。

图二 刀盘焊缝焊道、层数和次序示意图

(3)操作中还要求控制“着弧点”,尽量偏向Q345B侧,以减少刀盘边块上的碳及合金耐磨材料的过多熔化进入焊缝而产生的不利影响。

(4)焊接刀盘正面和周边时,刀盘正面向上水平放置,由于刀盘焊缝对称分布,将一条焊缝分成2段,采用对称分段退焊法同时将2个焊工呈180度分布对刀盘焊缝施焊。

(5)打底焊:采用手工电弧(焊条,EASYARCTM-7018(J506Fe)/Ø4.0×400mm)对焊缝进行打底焊,分段焊接,每焊完一道,用风铲将焊缝表面的药皮清除掉,避免产生夹渣,减少焊接应力。焊接完成后需要锤顶(整平),再被其他焊缝覆盖需进行检查和验收。

(6)打底焊完成后,用火焰烤枪对焊缝及周围100~150mm进行加热,最小预热温度为110℃,再采用CO2保护焊(药芯焊丝,Ø1.6mm,PRIMACORE™MW-71)进行焊缝的填充及盖面焊。每焊完一道,清除焊缝表面的药皮,消除应力。

(7)CO2保护焊引弧前先按遥控盒上的点动开关或焊枪上的控制开关将焊丝送出枪嘴,保持伸出长度10~15mm。

(8)焊接时,采用“预热+小热输入+后热处理”的工艺来解决冷、热裂纹问题;多层多道焊工艺焊接时,要求焊枪直线运动、不允许横向摆动,控制每道焊缝的尺寸,每道焊缝厚度≤5mm,减少每道焊缝的热输入量,减少焊接热应力。为了降低热影响区粗晶化所造成的不利影响,采用小的焊接热输入。多层多道焊时,由于后一道焊缝是对前一道焊缝和热影响区进行加热,相似于正火作用,可改善组织、细化晶粒。焊缝的塑性和韧性得到改善。

(9)在焊前、焊接过程中,以及焊接结束时,焊接部位的温度与焊件预热温度基本保持一致,并将实测预热温度作好记录。

(10)焊接完毕后及时用氧乙炔对焊缝及周围100~150mm进行均匀加热,加热温度200~250℃,保温在30min以上后,立即用保温棉盖上进行保温缓冷。

(11)焊后对焊缝表面进行着色探伤,要求达到JBT6061—1992《焊缝磁粉检验方法和缺陷磁痕的分级》Ⅱ级标准。

5刀盘吊装

刀盘组装完成后,总重75t,使用一台220t汽车吊作为主要吊装手段,一台75t汽车吊作为辅助吊装手段。

两台吊车分别站位在刀盘拼装区域两侧,220t汽车吊使用4根¢65钢丝绳,2个55t卡环,75t汽车吊使用2根¢37钢丝绳,2只55t卡环,两车缓慢起吊,当将伸刀盘吊至一定高度后,75t吊车大钩缓慢下落,220t吊车大钩缓慢起升,回转至前盾正前方吊装就位。

钢丝绳许用拉力计算:75t/4根=18.5t/根

¢65抗拉强度170Kg/mm的钢丝绳的破断拉力查表为:119000Kg

安全系数计算:119000Kg/18500Kg=6.4(倍)

大于5倍的安全系数,满足吊装要求。

6焊接、安装质量控制

钢结构主要构件安装质量的检查和验收应严格按照《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205)

(1)在构件的安装过程中应按实际情况做好:结构吊装记录、各技术复核记录、高强螺栓检查记录,焊缝的外观及一、二级探伤记录,焊条的烘陪记录,各分部的质量验收记录。

(2)焊缝包角应按照正确的焊接方法进行围焊,不允许短头焊接,焊工要严格执行焊接工艺,保证焊缝的焊脚尺寸和焊缝成型质量,及时清理焊渣、飞溅,不允许在母材上引弧。

(3)焊接完成自觉将飞溅、焊渣清理干净,对气孔、夹渣、咬边、弧坑及包角等缺陷要及时修补,否则不允许下一道工序。

(4)焊缝尺寸要求:焊缝余高+1.5~2mm,焊缝错边小于1mm。

7结语

刀盘分瓣现场组焊施工技术在兰州水源地的成功应用,解决了TBM设备大型部件运输由于道路、桥梁运输受限的问题,在施工现场只要采取相应的措施,可以达到工厂同样的效果,这为类似工程TBM设备的生产、运输、现场组装提供了可借鉴的经验。

参考文献

[1]王俊.CCS项目TBM2进洞方案比选、工业广场的形成与布置[J].四川水力发电,2015,02:4-7.

[2]文志刚.CCS项目双护盾TBM2洞外快速组装施工技术[J].四川水力发电,2014,04:12-14+32.

[3]杨大勇,袁登波,闫新博.TBM在CCS水电站输水隧洞施工中的应用[J].云南水力发电,2015,06:75-78.

[4]山西省万家寨引黄工程管理局,双护盾TBM的应用与研究[M].北京:水利水电出版社

论文作者:陈桂萍

论文发表刊物:《防护工程》2018年第30期

论文发表时间:2019/1/11

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