呼和浩特抽水蓄能电站岔管焊接工艺

2014-05-16李黎

水电站机电技术 2014年2期

关键词：岔管焊条坡口

李黎

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410007）

呼和浩特抽水蓄能电站岔管焊接工艺

李黎

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410007）

从焊接试验，焊材选用、焊接顺序、质量保证措施及焊接检验、缺陷修复、调整与消除残余应力等方面对Rm≥790MPa的高强钢焊接工艺进行分析与探讨，为以后同级别钢管焊接提供参考和指导。

呼和浩特抽水蓄能水电站；岔管；Rm≥790MPa高强钢；焊接工艺

1 前言

当今大型水电站，尤其是高水头电站和抽水蓄能电站的建造，要求提供流量大、承压高的引水钢管。若采用普通钢材，为了满足使用要求必须增加钢板厚度，厚度的增加给制作和运输带来很大的困难。随之发展起来的有Rm≥790MPa适用压力钢管焊接结构用的高强钢，由于其性能优异和经济效益显著，在水电站压力钢管（岔管）制造中得到日益广泛的应用。国内只有少数抽水蓄能电站如西龙池，宝泉，宜兴，新疆喀腊塑克等项目的岔管上应用，采用的大都是日本钢板，由外国公司制造合格后运抵现场安装。呼和浩特抽水蓄能电站钢岔管使用的为宝钢生产的B780CF钢板。在我公司用此等级钢板制造压力钢岔管尚属首次，因此对岔管的焊接工艺有着极高的要求。

2 焊接试验

对Rm≥790MPa的B780CF钢板应用于钢岔管尚属首次，因此国内水电施工企业对其热加工性能并不了解，无成功案例经验可以借鉴。因此，在岔管技术准备阶段广泛开展技术调研，进行以下试验，以制定最优方案。

2.1 抗裂性试验

通过斜Y形坡口焊接裂纹试验，插销冷裂纹试验和刚性拘束焊接裂纹试验，考察钢板的冷裂敏感性，并确定焊接B780CF钢板合适的预热温度。通过斜Y形坡口再裂纹试验，插销冷裂纹试验考察钢板的再裂纹敏感性。

2.2 硬度试验

通过热影响区最高硬度来评价钢材焊接的淬硬倾向，从而评价B780CF钢板的冷裂倾向。

2.3 气刨，气割适应性试验

对气刨和气割试样进行硬度测试和冷弯试验，评价气刨和气割工艺对B780CF钢板性能的影响。

2.4 焊接线能量试验

在确定了合适的预热温度的基础上，选用不同的焊接方法和焊接线能量焊接试板进行力学性能试验，确定B780CF钢板合适的焊接线能量范围。

3 焊接材料的选择

对于焊接材料的选择，长期以来高强钢焊接多采用“等强匹配”的原则选择。但是对于Rm≥790MPa的B780CF钢板来说，除了考虑强度外，还必须考虑焊接接头韧性和裂纹敏感性。采用“低强匹配”的原则选择的焊材可以减少焊接裂纹的经验在业界备受关注。有时“低强匹配”的焊接接头并不比“等强匹配”的焊接接头逊色。就焊缝金属来说。强度越高，韧性水平就越低，甚至低于母材。对于B780CF钢板，如果要求焊缝金属强度与母材等强，其韧性就不够；如果焊缝金属强度高于母材，则韧性更低，甚至低于岔管设计安全系数。所以，适当降低焊缝强度而使韧性提高，可能对焊接街头性能更为有利。在焊接工艺试验过程中，选择焊接材料和制定工艺参数时应该考虑组织状态对焊缝金属强度和韧性的影响，并做一些“低强匹配”方面的焊接试验研究，以优化月牙肋与支管管壁组合焊缝除外的其他焊缝的焊接工艺。

4 焊接顺序

钢岔管分成8个管节（图1所示），编号分别是A1，A2、B1-1、B1-2、B2、C1-1、C1-2、C2。其中 A1节有 A1-1，A1-2、A1-3三个瓦块；A2节有 A2-1，A2-2、A2-3三个瓦块；B1-1节有 B1-1-1、B1-1-2两个瓦块；B1-2节有 B1-2-1、B1-2-2、B1-2-3三个瓦块；B2节有 B2-1、B2-2、B2-3三个瓦块；C1-1节有 C1-1-1、C1-1-2两个瓦块；C1-2节有 C1-2-1、C1-2-2、C1-2-3三个瓦块；C2节有 C2-1、C2-2、C2-3三个瓦块；为保证焊接质量以及减少安装现场的焊接工程量和降低运输难度，将钢岔管的焊接分为两部分，第一部分焊接任务在三峡项目部制作车间完成，第二部分在呼和浩特钢岔管制造厂完成。

4.1 三峡项目部制作车间焊接顺序

先焊接第C2节、第B2节纵缝和月牙肋对接缝。单节预装完成后，焊接瓦块A2-1与A1-1、A2-2与 A1-2、A2-3与 A1-3、C1-1-1与 C1-2-1、C1-1-2与 C1-2-3、B1-1-1与 B1-2-1、B1-1-2与 B1-2-3之间环缝（图1所示）。

以上焊缝焊接完成并探伤合格后，将整个钢岔管解体分成12个单元运输至呼和浩特钢岔管制造厂整体拼装，焊接。

4.2 呼和浩特钢岔管制造厂焊完的焊缝编号

先拼装焊接第A1节，第A2节、第C1-1节、第C1-2节、第B1-1节、第B1-2节纵缝。纵缝焊完探伤合格，拼装焊接第C1-2与第C2节环缝；第B1-2与第B2节环缝。探伤合格后所有管节进行整体拼装，焊接第C1-1和第C1-2节与月牙肋组合缝；第B1-1和第B1-2节与月牙肋组合缝。最后焊接第A1与第B1-1节环缝；第A1与第C1-1节环缝（图1所示）。

整个钢岔管在呼和浩特制造厂整体拼装、焊接、探伤、水压试验、防腐合格后，整体运输至安装现场安装。

4.3 现场焊接顺序

4.3.1 纵缝焊接

图1 瓦块分节及焊缝示意图

为防止焊接时产生锥度，将纵缝分为三等段，按先中间，后底部，最后顶上的焊接顺序焊接，待主缝焊接2～3层后背缝清根打磨，在清根前应对焊缝后热，并在保持温度（不低于预热温度）的情况下清根，应将背缝渗碳层用砂轮磨掉，磨削层厚不小于0.8mm。再进行背缝焊接，在整个焊接过程中要特别注意变形控制，并根据变形情况合理地调整焊接顺序。预先制作一标准样板，在焊接过程中随时检查纵缝处的弧度，根据变形的具体情况调整焊接顺序，以保证焊接完成后样板与钢管内壁的间隙不超过4mm。

4.3.2 月牙肋对接缝的焊接

月牙肋对接板焊接过程中，必须严格控制焊接角变形，根据焊接角变形的情况来决定正反面的焊接顺序，使月牙肋板焊接平面度控制在3mm内；必要时，还要用经纬仪监控环板的扭曲，同时，为了保证半径在规定范围内及减少焊接应力必须采取多层多道分段退步跳焊。为了保证焊缝内部质量，对于根部焊道，可采用手工电弧焊焊接2～5层，再改用气体保护焊焊接；焊接主缝的40%左右进行背缝清根，在清根前应对焊缝后热，并在保持温度(不低于预热温度)的情况下清根，应将背缝渗碳层用砂轮磨掉，磨削层厚不小于0.8mm，确认焊缝清理干净后方可开始焊接；焊缝层间的焊接缺陷必须随时进行处理。

4.3.3 环缝的焊接

环缝焊接安排4名焊工，沿环缝等距离分布同步开始焊接。焊接过程中，各焊工焊接速度尽量保持一致，再根据变形情况调整内外焊接顺序。待主缝焊接2～3层后背缝清根打磨，在清根前应对焊缝后热，并在保持温度(不低于预热温度)的情况下清根，应将背缝渗碳层用砂轮磨掉，磨削层厚不小于0.8mm。再进行背缝焊接，在整个焊接过程中要特别注意变形控制，并根据变形情况合理地调整焊接顺序，以保证焊接完成后样板与钢管内壁的间隙不超过4mm。

4.3.4 月牙肋与岔管管壁组合缝的焊接

焊接过程中安排5人对称退步焊（如图2）并根据变形情况合理地调整焊接顺序，焊前先加防焊接变形内支撑（如图3），厚度为50mm以上，宽度为200mm左右，在最顶部，底部及腰部位置各加一块支撑板。

图2 焊接顺序图

此部位每位焊工焊接顺序如图2所示，待此部位主缝焊接完成60%左右时保温(不低于预热温度)气刨背缝，应将背缝渗碳层用砂轮磨掉，磨削层厚不小于0.8mm，再焊接背缝至合适位置时再焊接主缝至留两层的位置，停温进行探伤，确保已完成的焊缝质量无任何焊接缺陷后，再预热100℃焊接主缝及背缝至完毕。总的原则多层多道退步跳焊，并根据变形情况合理地调整焊接顺序。

图3 防变形支撑布置图

5 保证焊接质量的主要措施

B780CF钢板的含碳量≤0.13%，具有较高强度，又有良好的塑性和韧性，焊接性能优于中碳调质钢。但若是焊接工艺不当，焊接热影响区软化和韧性下降较为严重。因此，在岔管焊接施工过程中必须采取相应的措施。

（1）参加岔管焊接的焊工必须进行Rm≥790MPa高强钢焊接的理论和操作培训，特别是多层窄道焊接技法的训练，严格按照DL/T5017-2007第6.2节的规定通过考试，并取得相应的合格证，且证书有效期内方能参加岔管的焊接施工。

（2）岔管焊接所用的焊条的机械性能和化学成份符合国家标准，具有产品合格证。结合B780CF钢板的各种性能和各种焊接试验和焊接工艺评定，月牙肋与支管管壁对接缝、组合缝焊接时，焊条电弧焊采用四川大西洋产的CHE807RH（φ3.2、φ4.0）焊条，混合气体保护焊采用昆山宝钢产的BHG-4M（φ1.2）焊丝。

（3）无论是在三峡项目部制作车间还是在呼和浩特钢岔管制造厂，岔管焊接部位必须满足以下条件，否则应该有可靠的防护屏障和保温措施∶

1）风速∶气体保护焊小于2m/s，其它焊接方法小于8m/s。

2）相对湿度小于90%。

3）环境温度高于-5℃。

4）非雨天和雪天气。

（4）岔管施焊前，应将坡口及其两侧10～20mm范围内的铁锈、熔渣、油垢、水迹清除干净。检查坡口间隙、坡口尺寸、变形情况及定位焊缝质量。清除定位焊上的裂纹、气孔、夹渣等缺陷。

（5）焊接材料应按照下列要求进行烘烤和保管∶

焊条焊丝置于通风干燥和室温不低于5℃的专设库房内；设专人保管、烘焙和发放，并做好实测温度和焊材发放记录；焊条在使用前必须在350～400℃烘烤2h或按焊条说明书上指定的温度烘烤1～2h，烘干后的焊条应保存在100～150℃的恒温箱内，随用随取，焊工应备有焊条保温筒，焊条在保温桶内的时间不超过2h，否则重新烘焙，烘焙次数不得超过2次；焊丝使用前必须清除表面的油污和锈斑，随用随取。

（6）纵缝（对接缝）焊接要设引弧和断弧用的助焊板；严禁在母材上引弧和断弧，拆除引、断弧助焊板时不应伤及母材，拆除后应将残留焊疤打磨修整至与母材表面齐平。纵缝（对接缝）外的其他焊缝（定位焊）焊接时，应在坡口上引弧断弧，严禁在母材上引弧和断弧。断弧时应该将弧坑填满。多层焊的层间接头错开30mm以上。

（7）定位焊的焊接应该符合下列规定∶

1）定位焊焊接工艺以及对焊工的能力要求要与正式焊缝相同。

2）定位焊前，应对定位焊缝周围宽150mm用烘枪进行预热，并用点温计进行测量（点温计与工件距离为100mm），预热温度应比正式焊缝预热温度高出20～30℃，定位焊在小坡口一侧，定位焊缝位置应距焊缝端部30mm以上，长度80mm以上且至少焊两层，间距为100～400mm，厚度为8mm。

（8）每条焊缝应该连续施焊直至完成，若确需终止焊接，应立即进行后热处理。

（9）施焊时同一条焊缝的多名焊工应该尽量保持相同焊接规范，特别是焊接电流和焊接速度的一致。

（10）预热应符合下列规定∶

用履带式加温片对母材按照规范要求进行均匀预热（预热温度100℃），预热区的宽度应为焊缝中心线两侧各3倍板厚。保证层间温度不低于预热温度，整个过程中保温焊接(用点温计进行温度测量，点温计与工件距离为100mm，在距焊缝中心线各50mm处对称测量，每条焊缝测量点间距≤1000mm，且不应少于3对)。焊接岔管吊耳，内支撑时预热温度与相应管壳预热温度相同。

（11）焊接层间温度不低于预热温度，且不高于180℃。

（12）后热处理应该在焊后立即进行，保温时间不低于2h。

（13）焊接时严格按照焊接试验确定的最佳热输入范围控制焊接线能量。

（14）主缝焊至一定厚度后，在保持温度（不低于预热温度）的情况下应用碳弧气刨进行背缝清根，并将定位焊缝全部清除。气刨后用砂轮机将背缝渗碳层用砂轮磨掉，磨削层厚不小于0.8mm。

6 焊接检验

所有焊缝外观质量应按照DL/T5017-2007规范和设计文件规定进行100%外观检查。在焊缝内部质量合格后，修磨过流面焊缝表面，使余高≤2mm且与母材圆滑过渡。

鉴于B780CF的特殊性和各种无损检测方法的适用性，岔管管壁所有焊缝按GB11345进行100%UT和50%TOFD标准评定检验，检验等级为B级，I级为合格。所有焊缝表面质量做100%PT或者MT，质量评定参照JB/T4730-2005标准执行。

焊缝无损检测应至少在焊接完成48h以后进行。

7 缺陷处理和焊补

焊缝内部或者表面有不允许的缺陷时，应进行分析找出原因，制定合适的措施后方可焊补。鉴于岔管在压力钢管中重要性和焊接工艺本身的特殊性，对于焊缝内部存在的圆形缺陷（如气孔点状夹渣等），尽管按照标准评定为超标缺陷，但应该综合考虑缺陷位置，危害程度以及返修后是否会提高接头综合质量等因素，慎重制定处理方案。

内部缺陷采用碳弧气刨清除，并用砂轮机修磨成便于焊接的凹槽，焊补前采用渗透探伤检查，确认缺陷已经完全清除，方可焊补。

焊补前应进行预热，预热温度应比焊接前预热温度高出20～30℃。焊补后按照原技术要求立即进行后热消氢处理。

同一部位原则上只允许返修一次，返修前应制定可靠的技术保证措施。返修后的焊缝用TOFD复查。

岔管表面不得有电弧擦伤和硬物击痕。否则应打磨成凹槽。若打磨后的凹槽深度超过2mm则需补焊并作渗透探伤检查。

8 残余应力的调整与消除

由于焊接残余应力的存在经常会使焊接结构服役性能的下降，因而在一般情况下，必须调整与消除焊接残余应力。从焊接残余应力的产生过程来看，焊接过程中近焊缝区形成的压缩塑性变形是残余应力形成的根源。因此，调整与消除焊接残余应力的实质就是使焊接区产生适量的塑形伸长。可从焊前，焊接过程中，焊后三方面着手。

8.1 焊前措施

保证构件下料，坡口加工和卷板等尺寸精度，避免强制组装和坡口产生较大间隙。

采用型状对称的X形坡口和双J形坡口对局部间隙过大的位置，焊前统一进行堆焊打磨处理，确保破口尺寸在单条焊缝上基本一致。

8.2 焊接过程中的措施

采用多层窄道分段退步对称焊接，包括对称位置上多名焊工的焊接规范基本一致。

除打底和盖面层焊道外，采用风铲在热状态下对焊道表面中间位置进行锤击。

采用合理的焊接顺序和焊接方向，尽量使焊缝能够自由伸缩。

加大焊缝两侧的预热面积并适当预热温度。

8.3 焊后措施

焊后调整与消除残余应力的方法很多，但较为有效的引用于水电站压力钢管岔管的主要有∶

（1）通过表面加工调整残余应力

焊后对管内焊缝表面余高采用砂轮机进行机械磨削，减少余高并使之与两侧母材圆滑过渡，不但可以降低表面应力峰值，还能够大大降低应力集中系数，提高接头的疲劳强度和抗应力腐蚀能力。该方法施工简单成本低廉。

（2）过载拉伸处理

通过水压试验对岔管进行拉伸过载处理，能够确保岔管在工作压力下其全部区域均在弹性状态下，且低于Rel；可以降低岔管因管壁的不圆、角变形以及错边等引起的附加应力；有效提高岔管在低温工况下的抗脆断能力；提高寒风中残存缺陷发生疲劳和应力腐蚀的门槛应力值；不会对岔管产生明显的性能损伤。但缺点是对岔管的纵缝的纵向残余应力和对环缝的横向残余应力效果较差，也不能改善由形变或者相变引起的塑形下降或脆性提高的现象。