章琦，劉耘東

（1.廣州南華工程管理有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

1 概況

上海國(guó)際航運(yùn)中心洋山深水港區(qū)位于小洋山一側(cè)，三期工程碼頭設(shè)計(jì)為第五（六）代集裝箱專用泊位，岸線總長(zhǎng)2 600 m，分兩個(gè)階段實(shí)施，分別于2007年和2008年交工驗(yàn)收。

碼頭集裝箱裝卸橋吊軌道軌距35 m，采用進(jìn)口鋼軌A150（高度15 cm），鋼軌抗拉強(qiáng)度≥880 MPa。鋼軌標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度12 m，鋼軌接頭采用鋁熱焊接工藝。該工藝雖然在國(guó)內(nèi)應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，但對(duì)A150此種規(guī)格的鋼軌來(lái)說(shuō)，鋁熱焊接接頭還是首次。

洋山三期工程一階段和二階段鋼軌采用過(guò)渡性連接方案，一階段和二階段內(nèi)的鋼軌則全部連成一體，一階段軌道和二階段軌道全長(zhǎng)分別為1 345 m和1 245 m。

廣州南華工程管理有限公司監(jiān)理的項(xiàng)目為一階段Ⅰ標(biāo)段和二階段Ⅳ標(biāo)段碼頭工程，一、二階段全部軌道焊接則由分包單位實(shí)施。

2 鋁熱焊接鋼軌的基本原理和工藝技術(shù)要求

2.1 鋁熱焊接的基本原理

鋁熱焊接方法[1]為：焊接時(shí)，預(yù)先把待焊兩工件的端頭固定在鑄型內(nèi)，然后把鋁粉和氧化鐵粉混合物（稱鋁熱劑）放在坩堝內(nèi)用高溫火柴點(diǎn)燃，使之發(fā)生還原放熱反應(yīng)，形成液態(tài)金屬流入接頭空隙，將接口填滿，經(jīng)過(guò)打磨處理，將兩根鋼軌完美連成一體。

2.2 鋁熱焊接的主要工藝流程技術(shù)要求

1） 在鋼軌焊接前，將待連接鋼軌端頭各150 mm的鐵銹（含上、側(cè)、底面）打磨干凈。

2） 軌縫滿足25±2 mm要求。應(yīng)測(cè)量上、中、下3處，下處軌縫不得超過(guò)上處軌縫寬度，上軌縫宜為25～27 mm。

3）鋼軌接頭進(jìn)行垂直、水平、傾斜對(duì)正，差異不得超過(guò)0.5 mm，頂部預(yù)留1.6 mm尖點(diǎn)。

4）安裝砂模。先安裝底砂模、再裝側(cè)砂模，并在裝側(cè)砂模前，對(duì)接頭再次檢查調(diào)正。砂模裝好后，將砂模與鋼軌接觸的一周圈縫隙處全部抹上封箱膠泥[2]。

5）鋼軌接頭進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱中間不得間斷，預(yù)熱應(yīng)通過(guò)以下3方面進(jìn)行檢查控制：

①溫度應(yīng)達(dá)到900℃以上，預(yù)熱時(shí)間應(yīng)滿足工藝規(guī)定，預(yù)熱后觀察鋼軌端應(yīng)清晰發(fā)紅；

②預(yù)熱為壓縮空氣+液化氣預(yù)熱系統(tǒng)，注意每次焊接前，檢查壓縮機(jī)汽油和液化氣重量以確保預(yù)熱不間斷；

③A150軌道預(yù)熱時(shí)間約為38 min，預(yù)熱時(shí)間確定從火焰的調(diào)節(jié)完成開(kāi)始按下秒表計(jì)時(shí)，軌端發(fā)紅應(yīng)為鋼軌中間及軌頭顏色發(fā)紅，預(yù)熱溫度用紅外線測(cè)溫儀測(cè)定，要不間斷注視整個(gè)預(yù)熱過(guò)程。

6）在預(yù)熱將結(jié)束時(shí)，將焊藥倒入坩鍋，預(yù)熱完成后立即將裝有焊藥的坩鍋放在砂模中央，點(diǎn)燃點(diǎn)火引信，蓋上鍋蓋，對(duì)接口進(jìn)行澆筑（見(jiàn)圖1）。

圖1 鋁熱焊接施工圖Fig.1 Thermite welding construction

7） 澆筑完成保溫時(shí)間達(dá)到45 min后，將側(cè)模夾具拆除，并待焊接頭自然冷卻后，將砂模敲掉并將接口打磨，頂面應(yīng)與母材連接平順，側(cè)面可突出于母材，形成加強(qiáng)層。

8）焊接完成后，對(duì)每個(gè)焊口及時(shí)進(jìn)行表面檢查和超聲波、磁粉探傷檢測(cè)并留有檢測(cè)記錄。有缺陷的接頭應(yīng)切割掉重焊，切割口離焊口至少150 mm。

3 鋁熱焊接鋼軌質(zhì)量控制要點(diǎn)和需注意的問(wèn)題

3.1 檢查接頭位置

在布置鋼軌時(shí)，應(yīng)注意接頭位置離開(kāi)伸縮縫至少3 m，且前后軌接頭應(yīng)錯(cuò)開(kāi)。

3.2 焊接工藝評(píng)定

正式施焊前，要求施工單位進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)評(píng)定，對(duì)焊口質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，并確定焊接技術(shù)參數(shù)。工藝評(píng)定報(bào)告和焊接手冊(cè)應(yīng)報(bào)監(jiān)理工程師批準(zhǔn)。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)操作情況

根據(jù)批準(zhǔn)的焊接手冊(cè)檢查施工單位現(xiàn)場(chǎng)操作情況是否符合要求，主要有：

1）檢查待連接鋼軌端頭兩側(cè)各150 mm上下和側(cè)面范圍的鐵銹是否打磨干凈。

2）測(cè)量軌縫，應(yīng)滿足工藝要求，并進(jìn)行固定和檢查對(duì)正情況。

3）檢查砂模有無(wú)缺損、斷裂，焊劑包裝袋有無(wú)破損，劑量是否滿足要求[3]，焊劑是否受潮變質(zhì)。不符合要求的不準(zhǔn)使用。

4）檢查預(yù)熱時(shí)間是否滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)熱用氣體壓力表指示是否符合控制規(guī)定，預(yù)熱后檢查鋼軌端是否清晰發(fā)紅，是否達(dá)到控制溫度，否則應(yīng)延長(zhǎng)預(yù)熱時(shí)間。

5）檢查是否在澆筑后達(dá)到規(guī)定的時(shí)間拆模。

3.4 檢查打磨情況

當(dāng)焊口冷卻到空氣溫度時(shí)，進(jìn)行精細(xì)打磨，打磨后，接頭與母材應(yīng)連接平順。

3.5 施工記錄

督促施工單位對(duì)每個(gè)接頭施工情況進(jìn)行記錄，記錄應(yīng)具有可追溯性，含接頭位置、焊工姓名、天氣情況、完成時(shí)間、預(yù)熱溫度、幾何偏差、鋁熱焊劑材料批號(hào)等。監(jiān)理對(duì)接頭施工情況進(jìn)行抽查并填寫(xiě)旁站記錄。

3.6 提供探傷檢測(cè)報(bào)告

每個(gè)接頭應(yīng)提供探傷檢測(cè)報(bào)告，含磁性檢測(cè)和超聲波檢測(cè)，監(jiān)理工程師應(yīng)仔細(xì)檢查探傷報(bào)告，判定為不合格的，應(yīng)指令施工單位鋸除不合格接頭重新施工。

3.7 施工中需注意的問(wèn)題

1）鋼軌間隙控制：2根單軌連接較好控制，但如果有1根為已連接好的長(zhǎng)軌，則要注意鋼軌溫度變化引起的熱膨脹和冷收縮對(duì)軌縫寬度的影響。雖然裝沙箱前可以將縫寬調(diào)到規(guī)定的范圍，但裝沙箱后至焊接結(jié)束有1 h多，如果此時(shí)氣溫變化較大，則縫寬可能不符合要求。

2008年5月31日上午在焊接時(shí)，曾發(fā)生封箱泥開(kāi)裂，鋼水外溢事故。事故原因分析為鋼軌西頭總長(zhǎng)已為58 m，間隙雖留置34～35 mm，但由于溫度上升較快，鋼軌伸長(zhǎng)較大，頂壞了砂箱模具。

應(yīng)對(duì)措施：焊接長(zhǎng)軌時(shí)，應(yīng)避免在氣溫變化較大的時(shí)段施工；另外應(yīng)計(jì)算鋼軌可能發(fā)生的伸縮量，調(diào)整預(yù)留縫寬。

2）焊縫質(zhì)量控制：

①應(yīng)注意天氣狀況對(duì)焊接質(zhì)量影響。為防止加熱和澆筑過(guò)程發(fā)生中斷意外或預(yù)熱不均，宜搭設(shè)擋風(fēng)遮雨棚；

②密封砂模的封箱泥要均勻不能太厚以免影響封箱泥未烘干而在鐵水澆注過(guò)程中產(chǎn)生氣孔；

③嚴(yán)禁使用焊劑受潮、開(kāi)裂、破損的藥包、坩堝和砂模，另外要觀察溫度變化和控制預(yù)熱時(shí)間，確保預(yù)熱連續(xù)，焊藥按時(shí)點(diǎn)燃。

4 焊縫斷裂情況和原因分析

4.1 焊縫斷裂情況

鋁熱焊接在一階段應(yīng)用較成功，交工后當(dāng)年焊縫沒(méi)有斷裂；但二階段2008年9月交工后，當(dāng)年11月溫度降低后即有4處焊縫斷裂，斷裂部位位于軌道的末端15～150 m范圍，第2年增加到6處。分析焊縫斷裂的原因，提出以下結(jié)論：

1） A150鋼軌鋁熱焊接技術(shù)本身不夠成熟、使用有風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)技術(shù)提供方法國(guó)拉伊臺(tái)克的經(jīng)驗(yàn)，采用鋁熱焊的質(zhì)量保證率一般為95%～99%，在其它碼頭較小鋼軌的使用中也有斷裂的情況出現(xiàn)。

2）焊縫檢測(cè)手段僅為超聲波探傷，不足以發(fā)現(xiàn)可能存在的缺陷，檢測(cè)結(jié)論不夠可靠。

3）由于為進(jìn)口材料，使用經(jīng)驗(yàn)少，國(guó)內(nèi)無(wú)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)手段，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)焊劑材料、焊接工藝評(píng)定、焊縫合格判定等存在監(jiān)管風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 焊縫斷裂原因分析

軌道連成整體的長(zhǎng)度較長(zhǎng)或軌道安裝固定的時(shí)間不當(dāng)也是焊縫斷裂的原因之一。一階段軌道焊接后，有1 000 m左右軌道7—8月完成安裝、與碼頭固定；碼頭結(jié)構(gòu)1～4分段約300 m左右軌道因碼頭位移未穩(wěn)定，軌道安裝固定推遲至當(dāng)年11月，碼頭溫度降低后，軌道與碼頭的伸縮率不一致使軌道處于受拉狀態(tài)，但因長(zhǎng)度較小，受力未超過(guò)極限，焊縫沒(méi)有斷裂。由此可推論，二階段軌道整體安裝時(shí)間如避開(kāi)最熱的7—8月，或?qū)⒍A段軌道連成整體的長(zhǎng)度降低一半，可能也不會(huì)發(fā)生斷裂。

5 結(jié)語(yǔ)

鋁熱焊接工藝與電焊相比，具有焊接速度快、施工效率高、工藝技術(shù)要求相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但其鋼軌和鋁熱焊接材料都需要進(jìn)口，造價(jià)較高。同時(shí)也要注意，應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，焊縫存在斷裂的可能性，斷裂主要是由于工藝本身的技術(shù)問(wèn)題和焊接時(shí)機(jī)掌握不好。在碼頭使用后，斷裂修復(fù)對(duì)生產(chǎn)有一定影響，故應(yīng)權(quán)衡利弊，選擇應(yīng)用該技術(shù)。

[1]呂凡昌.鋁熱焊接法在洋山深水港區(qū)碼頭鋼軌焊接中的應(yīng)用[J].港口科技，2007（7）：33-36.LYU Fan-chang.The application of aluminium heat weld method on the rail welding in the deep water port area of Yangshan Island[J].Science ＆ Technology of Ports，2007（7）：33-36.

[2]楊勝生.鋼軌鋁熱焊接技術(shù)在鹽田三期工程中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程，2004（10）：57-59.YANGSheng-sheng.Application of Aluminithermic welding technology for steel rail in Yantian Port area phaseⅢ project[J].Port＆Waterway Engineering，2004（10）：57-59.

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