董 菲

（東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110166）

目前現(xiàn)代大型預(yù)焙陽極鋁電解槽[1]普遍采用大跨度管桁架梁或者實(shí)腹板梁結(jié)構(gòu)，而其下方則通過四處鉸接形式的立柱底座支撐。立柱底座承擔(dān)著鋁電解槽上部結(jié)構(gòu)所有重量。

通過分析實(shí)際情況，基于開源節(jié)流的原則，將此處沖突的技術(shù)問題轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)問題，對(duì)比各種改造方案，確定采取直接切割立柱底座支板后補(bǔ)焊的方案。

1 焊接方案

上支板整體尺寸為250×250×185mm，由平板和立板組成，下部預(yù)留有鉸接銷軸孔。具體方案為：切割上平板和下立板之間原有焊縫后，補(bǔ)焊50mm高的鋼板，即切割后新增2處焊縫，分別為T形對(duì)接與角接組合焊縫和對(duì)接焊縫。

（1）焊接接頭設(shè)計(jì)。為防止對(duì)原上支板切割變形，采用等離子切割，形成整齊而窄小的切口。其具有切割速度快、切割面光潔、熱變形小、熱影響區(qū)域小、精度高、無掉渣等優(yōu)點(diǎn)。平板和補(bǔ)焊立板之間，采用CO2氣體保護(hù)焊，T形對(duì)接與角接組合焊縫，K形坡口，坡口角45°，根部間隙0。

（2）施工要求。由于此處為重要受力結(jié)構(gòu)，須按一級(jí)焊縫要求，采用超聲波進(jìn)行100%探傷。切割完畢后須對(duì)切割面進(jìn)行打磨。

2 焊縫強(qiáng)度計(jì)算

為簡化計(jì)算對(duì)實(shí)際做了以下假定：不考慮焊接殘余應(yīng)力的影響；不考慮焊根等處的應(yīng)力集中；不考慮焊腳尺寸對(duì)單位面積的影響。

2.1 受力情況分析

基于最不利因素考慮，按電解槽正常生產(chǎn)時(shí)期極限載荷計(jì)算受力工況：

表1 工況下最大荷載表

其中，頂部立柱壓力N1為：

2.2 復(fù)核焊縫強(qiáng)度

依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，按焊縫布置，分兩處復(fù)核焊縫強(qiáng)度（連接件材質(zhì)均為Q235B）。

2.3 對(duì)接T形與角接組合焊縫

平板和補(bǔ)焊立板之間，采用T形對(duì)接與角接組合焊縫。

（1）頂部立柱壓力應(yīng)力為：

式中：N1—頂部立柱壓力，垂直于焊縫長度方向，N；He1—角焊縫計(jì)算厚度，為18mm：Hf1—角焊縫焊腳高度，mm；Lw1—角焊縫計(jì)算長度，即：

所以，根據(jù)式（1）得：

式中：βf—正面角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值增大系數(shù)，按直接靜載和間接動(dòng)載，取1.22；—角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，按低值計(jì)，取160N/mm2；

因此，根據(jù)式（2），頂部立柱壓力下焊縫滿足強(qiáng)度要求。

（2）側(cè)部母線推力應(yīng)力為：

根據(jù)式（3）得：

因此，根據(jù)式（2），在側(cè)部母線推力作用下焊縫強(qiáng)度滿足要求。

（4）縱向支座反力（剪應(yīng)力）為：

（5）在通過焊縫形心的壓力、拉力或剪力綜合作用下：

因此，在對(duì)接T形與角接組合焊縫位置，總體也滿足強(qiáng)度要求。

2.4 對(duì)接焊縫

頂部立柱壓力應(yīng)力為：

式中：N1—頂部立柱壓力，垂直于焊縫長度方向，N；S—焊縫坡口深度，為12mm；lw3—角焊縫計(jì)算長度，mm；he3—角焊縫計(jì)算厚度，即：

所以，根據(jù)式（7）得：

3 總結(jié)

由于上部金屬結(jié)構(gòu)式在臨時(shí)組裝場地將門形立柱、立柱底座、大梁、水平罩板等組焊安裝成一體后交付安裝。按此改造方案，僅材料費(fèi)用一項(xiàng)就可以節(jié)約電解車間投資123萬余元，尚不包括節(jié)約的加工費(fèi)、機(jī)具費(fèi)、人工費(fèi)等，而且為整體工程進(jìn)度爭取了時(shí)間。同時(shí)為了防止厚板材發(fā)生層狀撕裂，重點(diǎn)部位鋼板施工下料時(shí)應(yīng)著重考核Z向性能，并且用機(jī)械方法去除淬硬層。采用軋制T型鋼代替焊接T形。鑒于該位置受熱因素影響較多，后續(xù)研究中需要完善熱力學(xué)輸入條件等，可以在焊件體系下建立底座支板模型，采用三維有限元軟件模擬分析焊縫處受力情況，供今后設(shè)計(jì)、施工借鑒。