水电站低合金高强度钢压力钢管制作及焊接工艺要点

2020-08-28张瑞杰杨元普

水电站机电技术 2020年8期

关键词：焊条坡口瓦片

张瑞杰，杨元普

（1.新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆乌鲁木齐830000；2.中国水利水电第五工程局有限公司机电制造安装分局，四川成都610200）

1 低合金高强度钢的性能特点

（1）低合金高强度钢在调质状态下供货使用，属于热处理强化钢，具有强度高、韧性好的“自回火”低碳马氏体和下贝体的混合组织特征。但其合金体系复杂，且随着合金元素的增多对钢材的塑性和韧性影响与其强化的作用相反。

（2）这类钢由于淬硬性大，在组织性能不均匀的热影响区，粗晶区有韧性下降和产生冷裂纹的倾向及热影响区脆化现象。

（3）厚板高强钢在近1/2 厚度上，存在合金元素的偏析现象。

（4）在等强度理论下，焊缝强度达到了等强，却使焊缝的塑性、韧性下降。

（5）为了防止产生焊接裂纹，通常需要焊前预热、焊后后热及控制层间温度，施工成本大大提高。

（6）焊材中的氢元素，是产生焊接裂纹的重要因素，因此应选用低氢焊条或超低氢焊条。

（7）厚板的焊缝为多层多道焊接，热输入和焊接环境的控制将直接影响焊缝成形及焊缝质量。

2 压力钢管制作工序质量控制要点

2.1 坡口制备

坡口制备是保证压力钢管外形尺寸和焊接质量的关键工序。坡口设计除满足GB/T985.1 和GB/T985.2 外，还应考虑：

（1）应易于加工、便于施焊，避免窄而深的焊缝断面。

（2）应使焊缝的填充金属尽量小，减少焊接变形和残余应力。

（3）鉴于高强钢的特点，中厚板常采用不对称X型坡口。

（4）根据焊接方法，焊条电弧焊钝边2～4 mm，埋弧焊钝边4～8 mm。

2.2 瓦片卷制

由于钢管瓦片组圆时，严禁在瓦片内、外壁上随意焊接用于压缝、合缝的压码，因此对瓦片的卷制要求提高。为了获得较为理想的卷制质量，宜选用四辊卷板机以获得整个瓦片的曲率满足设计图样的要求。当采用三辊卷板机时，用样板检查弧度后并将不符合弧度要求的直边段切除，为保证组圆工序及满足设计图样要求提供有利条件。

瓦片卷制成型后，应在工作平台上做质量检查（见表1）。

2.3 瓦片组圆

钢管瓦片组圆应在水平2 mm/m 工装平台上进行，平台上应划有钢管直径1：1 的地样并沿地样线焊接挡块。钢管瓦片组圆的难点和要点是在瓦片的纵缝、压缝及合缝以及相邻瓦片在管口处的错边，保证合缝处的弧度及管口平面度满足要求并留有预定的焊接间隙，检查合格后应进行定位焊。

表1 钢管瓦片质量检查表

低合金高强度钢相邻瓦片纵缝处的压缝、合缝在钢管制作过程中，严格控制在钢管内、外壁上随意焊接压码，通常采用液压机构进行压缝、合缝（见图1）。

图1 压缝、合缝液压机构示意图

通过旋转盘部分的升降，并在对称布置的液压缸的作用下，可对钢管的上部、中部和下部进行圆度调整，同时可用加劲环的内侧作为钢管外管壁圆度的样板，以检验圆度调整是否满足要求。

瓦片组圆成型后，应在工作平台上作如下的质量检查（见表2）。

表2 钢管瓦片组圆质量检查表

3 焊接

3.1 低合金高强度钢焊接时容易产生以下问题

（1）焊接裂纹。包括冷裂纹，热裂纹，再热裂纹，层状撕裂纹等。钢材的淬硬倾向、焊接接头的熔敷金属中的扩散氢含量及其拘束应力状态是产生冷裂纹（延迟裂纹）的3 大因素；焊缝凝固过程中的结晶偏析，造成了化学不均匀，因而合金元素是产生热裂纹的主要因素，再热裂纹的产生原因主要是在焊后再次加热时才可能发生。层状撕裂常发生在压力钢管加劲环与钢管外壁的T 形接头处[1]。

（2）脆化。包括过热、淬硬、混合组织、析出、应变时效脆化。

（3）软化。尤其是调质钢，焊接这类钢时往往需要比较高的预热温度。

（4）强度级别＜600 MPa 时，裂纹一般在热影响区起裂，强度级别＞600 MPa 时，裂纹倾向增大，裂纹既出现在热影响区，也可能出现在焊缝中，具体的起裂位置取决于氢的扩散及母材和焊缝马氏体转变点。

3.2 低合金高强钢焊接工艺控制要点

（1）控制焊接参数

在满足焊缝质量的前提下，采用低的热输入以及焊接电流、电弧电压和焊接速度的合理匹配，可有效的控制熔池形状，改善焊缝成形，减小焊接变形及应力集中，降低缺陷产生几率。

表3 给出了在热输入一定的情况下，不同的焊接电流、电弧电压的组合，对熔池形状的影响[2]。

从表3 中可以看出，在同样的板厚和坡口形式下，电弧电压对熔宽的影响较大，焊接电流对熔深的影响较大，即电弧电压高焊缝熔宽增大，焊接电流大，焊缝熔深大。

表3 热输入恒定时，不同的电弧电压、焊接电流组合对熔池几何形状的影响

（2）避免焊接时产生裂纹

氢元素是产生裂纹的重要原因。预热温度应考虑钢材的碳当量，一般随着碳当量的增加，预热温度也随着提高。有实验室的实验证明，焊前预热，改善母材的焊接性，延缓焊接冷却过程，有利于焊缝中氢的析出，降低焊接接头的残余应力，焊件强度虽稍低但塑性却好很多[2]。

（3）多层多道焊

采用小热输入配合多层多道焊。由于后焊焊道对前一焊道及其热影响区进行再加热，使加热区组织和性能发生相变，塑性、韧性、接头残余应力和扩散氢浓度分布得到改善。应注意的是，多层焊比单层焊的角变形大，焊接层数越多，角变形越大，但角变形可通过合理的焊接顺序加以纠正。同时还应控制熔深，因为熔深较大的对接焊缝和角焊缝抗裂性较差。

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（4）钢板偏析检测

当钢板厚度δ≥38 mm 时，对同炉号不同厚度的钢板在宽度方向采用时间衍射法（TOFD）检查钢板偏析情况，标定并做好记录。以便在焊缝内部质量检测时重点关注。

（5）焊前预热

有研究资料证实，常用于水电站压力钢管的B780 CF 高强钢的预热温度为80℃以上，就不会产生冷裂纹[3]，而WSD690 E 的预热温度为100℃以上[4]。但当实际施工中的环境温度较低时，应适当提高预热温度。

通常情况下，高强钢焊接预热温度应控制在80～120℃，预热时间可按测量钢管瓦片正面或背面焊缝温度均满足预热温度确定。

焊道两侧的预热区域应不小于板厚的6 倍。

（6）层间温度

层间温度不低于预热温度，通常在100～130℃，且不宜大于180℃[5]。同时应尽量保持层间温度基本一致。

（7）后热

高强钢钢管焊接完成后，应即刻进行后热处理，以降低焊缝冷却速度，防止焊接裂纹产生。后热温度为150～200 ℃[5]，后热时间以2 h 为宜。

（8）热输入

试验结果表明，随着热输入量的增加，焊缝金属抗拉强度和屈服强度均呈下降趋势，采用过大的热输入焊接有可能导致焊缝金属的强度低于母材钢板强度。但热输入的变化，对低温冲击韧性的性能影响不明显[3]。

（9）焊材

焊条电弧焊应优先选用与钢板母材强度相匹配的低氢型焊条，埋弧焊应选用熔敷金属具有优良的抗裂性和低温韧性的焊丝与焊剂组合。

（10）定位焊

定位焊的预热温度比正式焊缝的预热温度高20～30 ℃。定位焊缝长度50～80 mm、间距200～400 mm，沿焊道长度均匀布置并避开交叉焊道，焊缝厚度不超过正式焊缝厚度的1/2 且不大于8 mm。

（11）焊接顺序及清根

不对称X 形坡口的焊接顺序如图2 所示：

图2 不对称X 形坡口的焊接顺序示意图

在焊接前的技术准备过程中，应对不同坡口角度作工艺性试板进行焊接试验，采用不同直径的焊条或焊丝试焊，以摸索出焊缝的焊接层数及每层的焊道数。一般来说，焊条电弧焊每层的焊缝厚度3～4 mm，埋弧焊每层的焊缝厚度6 mm，以便于控制盖面焊的焊宽和焊缝余高，保证焊缝外观质量。

在清根完成并打磨出钢板的金属光泽后，使用MT 或PT 探伤，检查根部质量，刨槽尺寸应均匀，表面光滑。

（12）焊接工艺评定

为保证焊接质量，在压力钢管制作的焊接技术准备工作中，最重要的就是进行焊接工艺评定，即评估施焊单位的焊接工艺是否符合要求。若符合要求，应提出焊接工艺评定报告，在焊接工艺评定报告的基础上编制焊接工艺规程（WPS），并按此进行焊接生产。若不符合要求，应修改焊接工艺评定预规程（pWPS）重新进行评定。在实际操作中，常常选择同炉号钢板数量大、且具有厚度0.75δ≤δ≤1.25δ 覆盖范围的钢板作为焊接工艺评定试板。