国产800 MPa级高强钢压力钢管焊接工艺研究

2016-11-23陈招明

水力发电 2016年8期

关键词：弧焊高强层间

陈博，陈招明

(中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁沈阳110000)

国产800 MPa级高强钢压力钢管焊接工艺研究

陈博，陈招明

(中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁沈阳110000)

洪屏抽水蓄能电站压力钢管采用国内钢厂生产的WSD690E高强钢板，这种钢材的合金化体系比较复杂，且本工程压力钢管壁厚较大，有许多焊接方面的技术问题亟待解决。编制了详细的焊接工艺，并通过试验验证了焊接工艺的适宜性。介绍了800 MPa级高强钢压力钢管焊接工艺控制，分析了焊接横向裂纹的产生机理，并提出了解决方案和处理措施。

800 MPa级高强钢；焊接工艺；横向裂纹；洪屏抽水蓄能电站

0 引言

江西洪屏抽水蓄能电站压力钢管主要布置在输水系统。其中，800 MPa级高强钢压力钢管布置在引水下竖井、引水下平洞及引水支管。压力钢管管径4.8～2.1 m，壁厚30～52 mm，总质量2 111.32 t。800 MPa级高强钢压力钢管采用国内舞阳钢厂生产的牌号为WSD690E高强钢板，这种钢材的合金化体系比较复杂，合金元素含量较高，屈服比较大，且为调制状态供货。同时，本工程压力钢管壁厚较大，国内如此大量使用此种钢材尚数首例，无应用经验，有许多焊接方面诸如钢材的裂纹倾向及预热温度、最佳线能量范围的确定及其控制等技术问题亟待解决。

1 材料性能

WSD690E钢板的化学成分见表1。力学性能见表2。

2 焊接工艺

通过前期的积极准备，收集相关资料，并与舞阳钢厂的焊接专家进行探讨，编制了详细的焊接工艺。焊接工艺参数见表3。

为了验证所编制焊接工艺的适宜性，在正式焊接生产前，组织相关焊工进行了焊接工艺性试验，

表1 化学成分(熔炼分析) %

表2 力学性能

厚度δ/mm屈服强度Rp0.2/MPa抗拉强度Rm/MPa延伸率A/%夏比“V”形冲击功(横向)温度/℃冲击能量Akv/J180°冷弯试验≤40≥670770～940≥14-40≥47d=3a>40≥660750～920≥14-40≥47d=3a

注：d为弯心直径；a为试样厚度。

表3 焊接工艺参数

焊接方法焊接位置预热温度/℃层间温度/℃焊条或焊丝直径/mm焊接电流/A焊接电压/V焊接线能量/kJ·cm-1手工电弧焊F100℃100～1503.2490～140130～18020～26V100℃100～1503.2480～150110～18020～26H100℃100～1503.2490～130130～18020～26O100℃100～1503.2480～150110～18020～2610～20埋弧自动焊F80℃80～1504450～70026～36≤35

按照JB 4708—2000《钢制压力容器焊接工艺评定》标准进行了焊接工艺评定。采用“X”形坡口对WSD690E高强钢钢板对接焊缝及WSD690E与WDB620D高强钢钢板对接焊缝进行了试验，试验的材料、板厚、坡口形式与工艺涵盖了实际所有焊缝类型[1]。在环境温度和湿度非常理想的状态下，焊接试板焊后经X射线探伤和超声波探伤检查合格，评定该焊接工艺符合相关标准，可以指导施工。焊接工艺评定结果见表4。

表4 焊接工艺评定结果

序号材料检验项目试验项目检验结果1WSD690Eδ=32mm“X”形坡口SMAW.F.+V.+H+.OSAW.F拉伸弯曲冲击合格2WSD690Eδ=50mm“X”形坡口SMAW.F.+V.+H+.OSAW.F拉伸弯曲冲击合格3WSD690E/WDB620δ=32/30mm“X”形坡口SMAW.F.+V.+H+.OSAW.F拉伸弯曲冲击合格

3 现场焊接的实施

因压力钢管的制造厂采用流水线作业方式，为保证焊接质量和生产效率，所有800 MPa级压力钢管焊缝均采用埋弧焊进行焊接，定位焊、焊接缺陷返修采用手工焊。

埋弧焊焊丝和焊剂均选用大西洋CHW-S10+CHF101；手工焊焊条采用大西洋CHE807RH[2]。施焊前，焊条和焊剂必须进行烘焙，烘干温度350 ℃，烘干时间2 h，保温100 ℃。800 MPa级压力钢管瓦片卷制、组对完成后，经检查合格，在焊缝外侧进行定位焊，定位焊预热温度120 ℃，比正常焊接高20 ℃[3]。预热采用履带式红外加热装置进行加热。定位焊工艺参数按照焊接工艺评定执行。

正式焊接前，在纵缝两侧焊接引弧板和熄弧板(尺寸不得小于100 mm×100 mm)，并用碳弧气刨在引弧熄弧板上刨出焊接坡口，焊前预热温度为80～120 ℃。焊接时，由内侧焊缝开始施焊，采用多层多道焊，每道焊缝厚度不大于4 mm，采用电动风铲清理层间焊渣，层间温度控制在80～150 ℃，焊接线能量控制在32 kJ/cm以下[4]。内侧焊缝焊接完成后，用碳弧气刨清根，刨槽前端半径应在5 mm以上，宽度应稍大于深度，呈“V”形。

4 焊接过程中存在的问题

800 MPa级高强钢压力钢管制作过程中，δ=52 mm钢管纵缝埋弧焊焊接完成48 h后，经超声波探伤检查，在纵缝两端0～400 mm范围内发现横向裂纹，深度为30～35 mm，经多次返修后仍无法消除。横向裂纹位于焊缝中央，垂直于焊缝，热影响区与母材未发现横向裂纹。采用碳弧气刨清除裂纹焊缝时，裂纹发展延伸，几乎贯穿焊缝。埋弧焊纵缝横向裂纹见图1。横向裂纹易发生部位见图2。

图1 埋弧焊纵缝横向裂纹

图2 横向裂纹易发生部位(单位：mm)

4.1 横向裂纹成因分析

对横向裂纹的成因进行了分析和讨论认为，横向裂纹的产生与下列因素有关：

(1)外部环境。因800 MPa级高强钢压力钢管正式生产的时间为12月，正值深冬，白天气温5 ℃，夜间气温-2 ℃，环境温度与焊接工艺评定时的环境温度发生较大变化。

(2)焊接过程中，焊接层间温度不均，尤其横向裂纹发生区域焊缝处的层间温度较高。

4.2 横向裂纹形成机理

焊接横向裂纹常起源于淬硬倾向较大的合金钢焊缝边界，并延伸至焊缝和热影响区，尺寸不大但常显露于表面。厚板多层焊接时，则发生在距焊缝上表面有一小段距离的焊缝内部，其方向大致垂直于焊缝轴线，且往往与氢脆有较大联系。

(1)氢脆现象。WSD690E钢板在焊接时，焊缝的合金成分较高，淬硬性高于母材，热影响区的转变可能先于焊缝，此时氢就从热影响区向焊缝扩散，原来焊缝中较高的含氢量也滞留在焊缝中，产生氢脆现象。

(2)淬硬现象。WSD690E钢板Ceq≤0.57%，淬硬倾向较高。在焊接时，近缝区的加热温度很高(达1 350～1 400 ℃)，奥氏体晶粒严重拉长，快冷时转化为粗大马氏体，性能更为脆硬，且对氢脆更为敏感[5]。

(3)拘束度的影响。WSD690E钢板在焊接时，焊缝两端被固定，每道焊缝的焊接完成后，层间温度过高；冷却过程中，因冷却速度不均，焊缝产生的热应力集中在温差变化较大区域，且垂直于焊缝轴线方向[6]。

总之，WSD690E钢板产生焊接横向裂纹的机理在于钢种淬硬之后受氢的侵袭和诱发，使之脆化，在拘束力的作用下产生了横向裂纹。

4.3 横向裂纹的预防办法

(1)因冬季施工，环境温度较低，应适当提高焊前预热温度，将预热温度从80 ℃提高至100 ℃。

(2)严格控制层间温度，控制在100～120 ℃左右。

(3)冬季施工，适当降低焊接线能量，选用合理的焊接工艺参数。调整后焊接工艺参数见表5。

表5 调整后焊接工艺参数(δ=52 mm)

焊接方法焊接层数焊丝直径/mm焊接电流/A焊接电压/V焊接速度/cm·min-1焊接线能量/kJ·cm-1层间温度/℃埋弧焊内14.0530334523.3103内24.0550334524.2105内34.0550334524.2108内44.0550334524.2113内54.0550334524.2109内64.0550334524.2101内7～164.0550334524.2100～120外14.0530334523.3107外24.0580344526.3105外34.0550334524.2111外44.0550334524.2108外54.0550334524.2109外64.0550334524.2112外7～114.0550334524.2100～120

4.4 横向裂纹手工焊返修工艺

(1)碳弧气刨刨除缺陷前，必须进行焊前预热，预热温度比手工焊正式焊接预热温度高出20 ℃。

(2)气刨完成后，采用磁粉探伤，检查根部裂纹是否清除干净；裂纹清除干净后，检查刨槽尺寸是否满足规定要求，且必须打磨干净。

(3)手工焊焊接时，选用合理的焊接方式。经多次不同方式焊接试验，因立焊的焊接线能量较小，能取得较好的结果，再次发生横向裂纹的几率较低，故于工焊采用立焊方式。

(4)焊前必须控制预热温度在100 ℃左右；焊接过程中严格控制层间温度在100～120 ℃左右。

5 结语

WSD690E高强钢在目前国内水电建设中应用较少，属新的钢种。随着国内越来越多的高水头电站的兴建，尤其是抽水蓄能电站的高速发展，国产800 MPa级高强钢的应用领域越来越广，WSD690E高强钢将会大量应用。本文针对WSD690E高强钢压力钢管焊接工艺的研究，促进了800 MPa级高强钢钢板的推广和应用，可供同类电站借鉴。

[1]JB 4708—2000 钢制压力容器焊接工艺评定[S]．

[2]余燕，吴祖乾. 焊接材料选用手册[M]. 上海：上海科学技术文献出版社， 2005．

[3]陈祝年. 焊接工程师手册[M]. 北京：机械工业出版社， 2002．

[4]GB 50766—2012 水利水电工程压力钢管制作安装及验收规范[S]．

[5]殷树言，刘金合，陈善本，等. 焊接手册[M]. 北京：机械工业出版社， 2008．

[6]张文钺. 焊接冶金学基本原理[M]. 北京：机械工业出版社， 2003.

(责任编辑杨健)

Study on Welding Technology of Domestic 800 MPa-grade High Strength Steel Penstock

CHEN Bo, CHEN Zhaoming

(Sinohydro Bureau 6 Co., Ltd., Shenyang 110000, Liaoning, China)

The penstock of Hongping Pumped-storage Power Station is manufactured by domestic high-strength steel WSD690E. As complex alloyed system of steel and greater pipe wall thickness of penstock, there are many technical problems to be solved in the welding of steel. A detailed welding technology is prepared and the suitability of welding process is verified by welding tests. Actual welding process control of this 800 MPa-grade high strength steel penstock is introduced. The mechanism of transverse weld cracking is analyzed and the solutions and crack treatments are also proposed．

800 MPa-grade high strength steel; welding technology; transverse crack; Hongping Pumped-storage Power Station