积石峡水电站压力钢管焊接质量控制

李晓刚，赵延智

（1.黄河上游水电开发有限责任公司工程建设分公司，青海 西宁 810000；2.青海禹天监理咨询有限公司，青海 西宁 810008）

积石峡水电站位于青海省循化县境内积石峡出口处，海拔1 830 m，冬寒夏凉，日温差较大，施工条件较差。电站引水压力钢管直径11.5 m，是目前国内第4大压力钢管。由于1号机钢管道完工节点调整，施工强度较大，冬季必须正常施工，年安装工程量达到3 000 t，且建设单位提出了高于规范规定的质量和检测要求。为此, 施工单位对压力钢管的安装进行了全过程控制,成功地解决了质量、安全和工期的矛盾,使水电建设压力钢管的安装焊接技术上了一个新的台阶。

1 Q345C焊接性能

Q345C低合金结构钢是在碳素结构基础上，加入多种合金元素，提高钢材的机械性能和焊接性能，使钢材具有较高的强度和足够的韧性。

Q345C低合金结构钢含碳量以及其他各种合金元素的含量对钢材的强度与可焊性有较大的影响，为便于表达这些材料的强度性能和焊接性能以碳当量Cd来表示。经计算Cd为0.54%。可见，Q345C低合金钢焊接性能并不很好，需要在焊接时制定严格的工艺措施。为保证积石峡压力钢管的焊接质量，通过焊接工艺试验，确定了合理的焊接工艺参数，并严格按工艺执行。

2 压力钢管焊接质量控制

2.1 焊接工艺控制

根据现场施工的特点并本着经济适用的原则，选用手工电弧焊进行焊接作业。结合积石峡水电站压力钢管钢材特性，制定合适的工艺试验参数（见表1）。焊接工艺评定后，编写焊接工艺评定报告并做出综合评定，并在此基础上编制焊接工艺规程，用于指导实际施工。

2.2 焊接材料设备控制

焊接设备采用ZX7—400型手工直流弧焊机，具有陡降的外特性，适于手工电弧焊操作特点。该设备设有数显电流表，可精确预置焊接电流，可调节推力电流，保证最佳电弧性能，可调节引弧电流，保证最佳引弧性能。

表1 焊接工艺参数（非对称X形坡上）

焊接材料采用大西洋CHE507（相当E5015）低氢钠型药皮碳钢焊条。采用直流反接，电弧挺度好，不易产生磁偏吹，焊缝成形细洁美观，飞溅少，脱渣容易，电弧稳定，可进行全方位焊接。焊缝金属具有优良的塑性和韧性，熔敷金属的力学性能见表2。

表2 熔敷金属的力学性能

焊条在使用前应严格按焊条烘烤说明、烘干温度及时间进行烘烤。防止过高的烘干温度使药皮脆化或过低的烘干温度达不到烘干效果。领用时要求焊工必须使用保温桶，随用随取。焊条从恒温箱中取出后超过4 h，必须重新烘干。在整个施工过程，对烘干、发放、领用及回收进行详细的记录，严格控制整个过程。

2.3 坡口控制

原设计图纸钢管环缝坡口为X形对称坡口（见图1），为改善焊接条件，根据焊接工艺试验，将坡口变更为非对称X形坡口。外坡口深约1/3δ（δ为钢板厚），保证清根后坡口深度约为1/2δ，同时使变形量内外一致。内坡口深约2/3δ，有利于提高效率。

图1 非对称X形坡口（尺寸单位：mm）

钢管坡口错边及间隙应严格控制。坡口错边量过大，焊缝外观成形不易控制，且容易产生应力集中；间隙过小，不易焊透，造成背缝清根时过深，易产生末熔合、夹渣等缺陷；间隙过大，底层焊接难度增加，且使熔敷金属增加。

2.4 焊工资格控制

从事压力钢管一、二类焊缝焊接的焊工，必须持有能源部、水利部等部委颁布的有效合格证书，方能上岗施焊。焊工焊接的钢材种类、焊接方法和焊接位置等，均应与焊工本人考试所取得的合格项目相符，且在开工前对所有焊工及手工碳弧气刨作业人员进行理论和实践培训考试合格方可上岗。

2.5 施焊环境控制

环境因素对压力钢管的焊接质量有很大的影响。压力钢管焊接时指定专人对天气情况进行监测和记录，对环境温度，空气相对湿度和风速进行测定，测定地点在距焊接处1 m以内。

在风速大于8 m/s、相对湿度大于90%、雨雪环境及-10℃以下的环境，焊接部位应有可靠的防护屏障和保温措施，否则严禁开焊。

根据DL/T 5017—2007规范要求，低合金结构钢当环境相对湿度大于90%或环境温度低于-5℃时，需预热至20℃以上时才能施焊。

由于积石峡水电站压力钢管低合金结构钢板材厚度小于30 mm，冷裂纹敏感性不大，故未进行后热处理。

2.6 焊前准备

为了保证焊缝焊接质量，防止焊接缺陷的产生，要求施焊前必须用角磨机将焊缝坡口及两侧100 mm范围内的铁锈、熔渣、油垢、水迹等清除干净。坡口局部间隙大于6 mm小于20 mm时，允许在坡口两侧作堆焊处理后用砂轮修整出坡口形状。堆焊过程中每道焊缝金属必须熔化上1条焊道的1/3～1/2宽度，使各焊道紧密连接，防止产生夹渣和未熔合等缺陷。

双面焊缝单侧焊接后用碳弧气刨进行清根，清根后使用砂轮机磨除渗碳层和刨槽表面缺陷。

由于积石峡水电站压力钢管安装与右坝肩开挖同时进行，为防止开挖扬尘对焊接质量造成影响，开焊前使用篷布对施焊焊缝四周进行封闭防护。

焊接完毕，用钢丝轮将焊缝两侧150 mm范围内清理干净，便于检查外观缺陷，同时为以后的无损检测做好准备。

2.7 焊接顺序

焊接过程中随时检测变形情况，调整焊接顺序，以便控制焊接变形。为尽可能减小压力钢管的焊接变形并使应力分布均匀，合理安排焊接顺序，10位焊工对称施焊，并使焊接参数、焊接顺序等保持基本一致。在施焊前选定定位焊焊点和焊接顺序，从构件受周围约束较大的部位开始焊接，向约束较小的部位推进。

每条焊缝应一次连续焊完，当因故中断焊接时，应采取防裂措施。在重新焊接前，应将表面清理干净，确认无裂纹后，方可按原工艺继续施焊。

2.8 焊接工艺要求

（1）定位焊位置距离焊缝端部30 mm以上，其长度在50 mm以上，间距为100～400 mm，厚度不超过正式焊缝高度的1/2，最厚不超过8 mm。

（2）只能在焊接坡口或焊道内引弧和熄弧，防止母材淬火导致母材的金相组织被破坏和出现裂纹。收弧应填满弧坑，以免产生弧坑裂纹。必须短弧直线运条，以减少合金元素的烧损，减少热影响区的宽度，有利于提高焊缝的抗晶尖腐蚀能力和减少裂纹产生的倾向。

（3）碳弧气刨清根后一定要磨除渗碳层，否则残留的渗碳层将会在随后的焊缝熔合线上形成脆硬的高碳马氏体组织，甚至导致熔合线开裂。

（4）多层焊时，仔细清理每层的飞溅物，自检合格后进行下层焊接，层间接头错开30 mm以上。

（5）焊接完毕，焊工应进行自检，并做好焊接记录。

3 焊接检验及缺陷处理

（1）所有焊缝焊接完成后，按DL 5017—2007《压力钢管制造安装及验收规范》的相关规定进行焊缝外观检查，合格后方可转入无损探伤工序。

（2）按照设计技术要求及建设单位精细化标准要求，所有压力钢管安装环缝100%超声波探伤，探伤应包含全部T形焊缝及每个焊工所焊焊缝的一部分。凑合节一类焊缝100%超声波探伤后进行10%射线探伤复检。

（3）施工单位内部探伤合格后，由建设单位委托黄河电力检测公司进行50%抽检。

（4）焊缝内部或表面发现有裂纹等危险性缺陷时，应进行分析，找出原因，制定措施后，方可焊补。

（5）焊缝内部缺陷应用碳弧气刨或砂轮将缺陷清除干净并修磨成便于焊接的凹槽，焊补前应检查。如缺陷为裂纹，则应采用表面探伤检查，确认裂纹已经消除后方可焊补。

（6）返工后的焊缝，应用射线或超声波探伤复查，同一部位的返工次数不能大于两次。否则，应制定可靠的措施，并经专门研究后使用熟练技能较高的焊工焊补处理。

4 结语

积石峡水电站压力钢管安装施工环境较差，钢管管径大，施工工期紧张，经严格执行控制措施，目前已安装完成的压力钢管环缝焊接一次合格率达99.7%以上，达到了建设单位精细化施工的高标准要求。实践证明，积石峡水电站压力钢管焊接措施有效，焊接质量满足工程要求。