港口系统设备钢轨连接技术

港口系统设备钢轨连接技术

闫伟;缑海健;陆苗

【摘 要】港口系统设备一般外型尺寸和质量较大,多采用截面积较大的起重机钢轨

作为行走轨道.根据港口系统设备使用特点和工程施工现场条件,结合码头和堆场结

构,借鉴轻轨和重轨的无缝连接技术,对各种焊接工艺进行比较,分析钢轨的材料组成

和焊接过程内部组织变化,推荐一种保证设备使用安全和操作人员舒适度、 连接质

量稳定、 便于维护、 操作简便、 满足港口系统设备钢轨安装现场要求的连接方法

和工艺,有助于实现工期目标,可推广应用于矿山、 港口、 电厂、码头及堆场等大

质量机车或起重设备的钢轨连接.

【期刊名称】《水运工程》

【年(卷),期】2019(000)0z1

【总页数】5页(P12-15,43)

【关键词】起重机钢轨;焊接;钢轨焊接;连接;裂纹;鱼尾板

【作 者】闫伟;缑海健;陆苗

【作者单位】中交一航局第五工程有限公司, 河北 秦皇岛066002;中交一航局第五

工程有限公司, 河北 秦皇岛066002;中交一航局第五工程有限公司, 河北 秦皇岛

066002

【正文语种】中 文

【中图分类】U653

港口系统设备一般外型尺寸和质量较大，多采用截面积大的起重机钢轨作为行走轨

道，引导设备的车轮前进，承受车轮的压力，并传递到轨枕和基础上。港口系统设

备钢轨安装工程，一般是与水工或土建项目配套实施，钢轨型号有QU70、QU80、

QU100、QU120等，常见材质为U71 Mn、U71 MnSiCu、U75V、U71

MnBNbRE等，理论质量在53～118 kgm，供货长度8～12 m根，现场连接后

单根长度200～2 000 m，适应直径φ700 mm以上的车轮行走。

钢轨的接头形式主要有机械连接和焊接，鱼尾板连接是最常见的机械连接方式。近

年来，从降低行车振动和噪声、提高舒适性、减少行车阻力等角度出发，逐步向无

缝连接方向发展。钢轨焊接是无缝连接的关键技术[1]。无缝连接代替鱼尾板接头

连接钢轨，可以大大降低轮轨冲击载荷，延长钢轨使用寿命。钢轨和焊缝的机械性

能取决于钢轨和焊接材料的化学成分、物理力学性能、金属组织及热处理工艺等。

钢轨的无缝连接技术，国内外已经有相关文献记载，从接头失效分析[2-3]和连接

工艺[4-6]等方面进行研究和论述，提出多种焊接工艺和方法。根据港口工程施工

和设备使用特点，结合码头和堆场结构，有必要选择一种既保证工程质量、又满足

现场操作简便需求的钢轨连接方法。

1 钢轨连接工艺

1.1 机械连接

机械连接是常用的钢轨连接方式，使用夹板和螺栓连接钢轨的2个端部，钢轨间

有缝隙。一般根据使用环境和安装时间，确定安装缝的宽度。在钢轨温度变化时，

夹板能在钢轨间产生一定的纵向移动量，易于钢轨维修和更换。

1.2 钢垫板手工焊

在钢轨间轨底处设置小块三角形铁垫块作为填充金属，材质与钢轨材料相同或相近，

在焊接过程中作为钢水的模具(图1)。

图1 钢垫板手工焊工艺

钢轨对接时需配装卡具定位，点焊固定垫铁，对钢轨焊前预热，起步焊接时，单面

焊双面成形，焊后热处理和保温缓冷。该工艺操作复杂，在垫板处易形成裂纹，焊

接成功率低，要求焊工操作水平较高，曾在塞拉利昂弗里敦船厂滑道钢轨焊接中应

用。

1.3 紫铜垫板强制成形手工焊工艺

轨道下部垫紫铜板托起焊接钢水，在焊接过程中，逐步在两端垫高铜板阻挡铁水流

淌，并留缝隙起排渣作用。防止焊接过程中紫铜垫与铁水熔接，要求准确的焊接参

数和较高的焊接手法控制能力。该工艺在广州南沙港区一期工程中应用，焊接效果

良好，使用至今已十余年，未出现过焊缝断裂报告。

1.4 铝热焊

铝热焊是利用化学性质活泼的金属将化学性质活泼性较弱的金属从它的氧化物中还

原出来，化学反应热作为热源，进行钢轨焊接的工艺。

把铝热剂(铝粉和氧化铁粉混合物)投入耐火坩埚中点燃，开始铝热反应，液态钢自

动从坩埚底部释放到耐火模具，形成与钢轨化学、冶金和机械方面相匹配的焊接接

头，从而连接钢轨的两端。铝热焊不需要电源,焊接速度快，适合施工现场操作。

该工艺在锦州港、京唐港、曹妃甸、湄洲湾等工程中有应用。

2 应用情况

2.1 接头应用比较

根据不同地区和项目的使用情况得知：机械连接和手工电弧焊接头很少出现问题。

过程中，接口断面产生新的氧化层，出现断口平整，有明显的未熔合特征。铝热焊

接头存在一定的夹杂物、气孔和焊缝缺陷等，都会缩短焊接接头的疲劳寿命。铝热

焊接头出现问题后，责任不清，修补成本较高。

根据使用和操作等因素对各种接头做出评价(表1)。

表1 重型钢轨接头应用评价接头种类连接质量操作难度连接成本使用性能备注机

械连接 一般容易低一般钢垫板手工焊 良复杂一般较好直流反接紫铜垫板手工焊

优复杂一般较好直流反接铝热焊 差复杂高较好

2.2 重型钢轨载荷特点

重型钢轨主要承受低速载荷，轮压大，钢轨截面积也较大。钢轨接头的不平顺将引

起较大的冲击载荷，导致钢轨局部塑性变形或产生裂纹。钢轨接头的不平顺主要包

括钢轨接头处的高差、焊接应力引起的接头凹陷、对接组装中的预变形量过大造成

接头处凸起等。

根据钢轨材料的性能指标可知，提高接头焊缝的韧性和控制焊缝的含氢量，可适当

降低焊缝强度，但要保持焊缝内部组织的均匀性。

2.3 现场状况

码头设备钢轨基础有重力式沉箱基础、桩基础、回填块石(碎石)基础等，堆场装卸

设备轨道为回填碎石基础。设备安装后，基础常出现不均匀沉降，使钢轨受到垂直

方向的剪切力，特别是锚碇位置尤为明显。

码头和堆场的钢轨焊缝受诸多因素影象，包括焊接人员的操作水平、焊接设备、材

料、天气等。

2.4 钢轨布置和安装工艺

设计码头和堆场接头时，将8～10根钢轨手工电弧焊连接至约每段100 m，再用

鱼尾板连接(图2)。在基础施工时，可在现场轨道槽附近提前焊接钢轨，具备条件

时再整段安装。在使用中，鱼尾板部位可以控制位置，同时便于维修，延长钢轨使

用寿命。在季节变换时，可以更好地观察到轨道的应力状态，以确定是否采取无缝

钢轨的应力消散措施。

图2 钢轨布置

3 港口钢轨连接工艺

3.1 工程概况

孟加拉帕亚拉2×660 MW超超临界燃煤电厂码头及取水工程中，卸船机轨道

QU100，单线长度365 m，材质U71 Mn。

3.2 钢轨焊接分析

U71 Mn抗拉强度σb≥900 MPa,化学成分见表2。

表2 U71 Mn重型钢轨化学成分含量元素钙C硅Si锰Mn硫S磷P钒V铌Nb

含量∕%0.65～0.760.15～0.351.10～1.40≤0.030≤0.030≤0.030≤0.010

由化学成分可以看出,U71 Mn淬硬倾向大，并且焊缝成形差，容易产生缺陷。要

保证焊缝性能优良，必须认真研究和试验焊接工艺。

根据国际焊接学会(IIW)的钢轨碳当量Ce计算公式，得出Ce≥0.6%，评估为焊接

性较差，属难焊材料，容易出现冷裂纹和热裂纹，需制定严格的工艺，采用焊前预

热焊后保温措施。

在焊接过程中，钢轨内部组织由珠光体转变为奥氏体；钢轨焊接后迅速冷却，将发

生马氏体转变，引起钢轨焊缝附近内应力增大，容易导致局部变形和开裂(图3)。

图3 钢轨在焊接过程中内部组织变化

焊后对钢轨采用缓冷措施，可使冷却速度低于马氏体临界冷却速度，直到220 ℃，

使奥氏体转变为珠光体，钢轨不出现内应力。

3.3 焊条选择

焊条选择一般遵循等强度原则、同成分原则和抗裂纹原则等。重轨的焊接刚度大、

使用中承受动载荷，应该遵循抗裂纹原则。

焊接过程中，碱性熔渣的脱氧、脱硫、去氢能力强，合金元素烧损少，焊缝金属的

机械性能和抗裂性均较好，钢轨焊接选用碱性焊条。

对比E9015(J907)、E8515(J857)、E7515(J757)、E7015(J707)、E6015(J607)、

E5015(J507)等各种焊条，新建工程推荐使用 E8515(J857) 焊条。

E8515(J857)焊条用于焊接抗拉强度相当于830 MPa的低合金高强度钢结构，相

对于重型钢轨，E8515熔敷金属的抗拉强度σb≥830 MPa，伸长率δs≥12 %。

熔敷金属化学成分见表3。

表3 E8515(J857)焊条熔敷金属化学成分含量元素CMnSiMoSP含量∕%≤0.15

≥1.000.40～0.800.60～1.20≤0.035 ≤0.035

3.4 焊接设备

低氢钠型药皮一般采用直流反接,即采用直流电弧焊，钢轨接直流电焊机输出端的

负极，焊钳接输出端的正极。随着逆变焊机的普及推广，该机型体积和质量均小，

能更好地适应施工现场经常移动焊机的工况，具有高效节能、动特性好、输出稳定

等优点，可以应用于轨道焊接中。

3.5 焊接工艺

1)烘干焊条。焊条按说明书要求烘焙，置于100～150 ℃保温箱内备用。

2)清理焊口。焊前清除轨道断面10 mm范围内的污物、氧化物，并打磨焊口到光

亮。

3)工装定位。制作装配卡具，使两轨道端头装配准确，并预留反变形量，保证轨道

焊接后收缩产生的角变形刚好使轨道平顺。一般两轨道顶面间隙18～22 mm,轨

道底面间隙14～18 mm。焊口底部垫紫铜板或陶瓷衬垫，对焊接铁水起托举作用,

保证钢轨接头根部焊透和焊缝背面成形,避免清根、仰焊，减轻焊工劳动强度,提高

焊接生产效率。垫紫铜板或陶瓷衬垫对人和环境不会造成危害,是一种工艺先进、

焊缝质量高的焊接方法(图4)。

图4 焊接过程垫紫铜板(或陶瓷衬垫)

4)预热。使用中性焰预热焊口到200 ℃左右。

5)焊接。采用手工电弧焊，由下至上连续焊接。焊条直径3.2 mm ，焊接参考电

流80～120 A。焊到轨腰两侧时，用2～10 mm厚紫铜衬垫或15 mm耐火砖贴

在两侧，阻挡铁水流淌，保证焊缝良好的外形。

6)回火处理。焊后用氧乙炔焰加热焊缝及两侧50 mm范围，加热至550～650 ℃，

回火时间约10 min。钢轨焊缝局部回火处理可以有效降低该区域的拉伸残余应力。

7)保温缓冷。用保温砖和石棉布包裹焊口，并采取防止雨雪飘落到焊口的措施。

8)清理打磨。焊口冷却到常温时，打开保温材料，取出钢轨下的铜板，清理打磨钢

轨接头部位，使接头平滑顺直。

9)探伤。钢轨焊接后经探伤检验，钢轨焊缝符合规定，达到预期效果。

3.6 钢轨就位

钢轨焊接后，在码头或堆场的轨道基础施工完成并经检验具备安装条件后，可采用

吊车或滚杠方式，将钢轨逐步就位，调整后固定。

3.7 钢轨断裂修补

轨道经过一段时间使用，因应力局部集中或季节变化造成的断裂，可采用

E5015(J507)焊条焊接，可使损坏的钢轨得到及时修复，且成本较低。

4 结语

1)采用钢轨手工焊接与机械连接相结合的方式，现场操作占用场地小，通过合理安

排可满足工期要求，不影响土建施工；采用该方式安装后的钢轨，起重机设备的操

作者有较高的舒适度和位置感，有利于及时发现设备故障。设备运营期间，可以大

幅降低使用成本和维护费用，在季节转换时不必进行钢轨的应力消散。

2)采用钢轨手工焊接铜底模工艺，设备简单，可现场操作，具有焊接效率高、工作

环境适应性强、接头质量稳定等优点。随着逆变焊机的普及，该工艺更具推广价值，

可应用于港口、矿山、电厂、码头及堆场等。

参考文献：

【相关文献】

[1] 周世恒，刘拥军.钢轨焊接接头平直度研究[J].电焊机,2010,40(12):11-14.

[2] 程梦晓,苟国庆,陈辉.U75V钢轨断件断裂原因分析[J].电焊机,2010,40(10): 66-69.

[3] 张彦文,吴立新,许竹桃,等.U71 Mn钢轨断裂分析[J].铁道技术监督,2014,42(11):26-29.

[4] 卢庆华，徐培全，于治水,等.钢轨焊接技术及管理[J].焊接技术，2010,39(1):66-68.

[5] 逄金聚，张永霞.QU型起重机钢轨的焊接工艺[J].焊接技术，2006，35(3)：64-65.

[6] 段志刚,王晖.重型钢轨对接焊工艺研究[J].机械设计与制造,1997(2):49-49.