武 斌

（四川電力送變電建設公司金屬結構加工廠， 四川 成都 610056）

變電站鋼管結構加工焊接工藝及變形控制

武 斌

（四川電力送變電建設公司金屬結構加工廠， 四川 成都 610056）

本文結合我廠加工變電站鋼管結構多年的經驗，以西昌500KV變500Z-2構架的焊接為例，論述了我廠鋼管構架的法蘭和橫撐焊接的工藝和方法及焊接變形的控制措施，通過對前后變形實測結果和數(shù)據(jù)的分析，總結歸納了此類焊接結構變形的一般規(guī)律，提高了產品焊接質量，對于指導、規(guī)范同類產品的加工具有較高實用價值。

鋼管結構 焊接變形 控制

引言

變電站鋼管構架的焊接變形對于產品質量，特別是對于現(xiàn)場安裝會帶來影響的主要是兩個部位的焊接變形：橫撐撐管同主管的焊接（以下簡稱橫撐焊接）導致的主管變形；法蘭焊接時法蘭端面發(fā)生的變形。橫撐焊接導致的主管撓曲變形會給現(xiàn)場安裝過程中帶來困難，影響安裝精度；法蘭端面變形會導致組合完成后法蘭邊緣縫隙過大，從而可能使法蘭貼合面比例達不到設計要求，在變形嚴重的情況下由于縫隙過大甚至可能導致螺栓連接處無法貼合，導致螺栓受力情況發(fā)生變化，留下安全隱患。我們結合我廠多年的生產經驗，對上述兩種影響現(xiàn)場安裝質量的焊接變形進行了研究，經過觀察和測量，提出了一套控制兩種不同部位焊接變形的工藝和后續(xù)處理方法。

1 法蘭焊接及變形控制

1.1 法蘭焊接結構、法蘭尺寸及技術要求

法蘭焊接結構簡圖如下，法蘭尺寸為φ748（外徑）/φ482（內徑）/40（厚度），鋼管為φ478*8螺旋焊管，法蘭內徑同鋼管外徑有4mm差值，鋼管插入法蘭深度為30mm，坡口尺寸為7mm（W）×10mm（H）。鋼管和法蘭材質均為Q345B，相關技術要求如下：1）法蘭組合后貼合面比例不小于80%；2）外圈焊腳尺寸不小于10mm。

1.2 焊接工藝

焊接方法為手工二氧化碳氣體保護焊，不預熱，層間溫度80℃~150℃，其他焊接參數(shù)如下表：

焊材 焊道 規(guī)格/mm 電流/A 電壓/V 備注DHQ50-6 1 1.2 145~155 25 內圈DHQ50-6 2 1.2 125~135 23 內圈DHQ50-6 3 1.2 145~155 25 外圈DHQ50-6 4 1.2 145~155 25 外圈DHQ50-6 5 1.2 ~100 20 外圈

焊接材料（DHQ50-6）參數(shù)如下表：

1.3 工藝參數(shù)選擇依據(jù)

焊接電流和電弧電壓是影響焊縫成形的重要因素。焊接電流太大會使飛濺增加，并容易產生燒穿，氣孔等缺陷。焊接電流太小電弧不穩(wěn)定，容易產生未焊透焊縫成形差。電弧電壓過高容易產生氣孔，電弧電壓過低則焊絲容易深入熔池，一般情況下焊接電流和電弧電壓應按電流×0.04+16=電壓來計算。一般而言，在希望提高熔融效果時，電流、電壓選擇偏大，希望獲得比較好的表面時選擇偏小的電流、電壓。

1.3.1 焊道1，3，4

焊道1，3分別為內圈和外圈的打底焊，為了確保母材和焊材熔融，根據(jù)我們多次工程焊接的經驗，選擇較大的電流和電壓。按照一般的電流、電壓配比看，電壓偏高，這是為了產生較深的熔池深度，改善金屬融合情況。為了避免高電壓情況下出線氣孔等缺陷，我們在焊接此三道焊道時提高了CO2保護氣體的壓力，將氣壓設為15MPa（一般情況下選用13MPa）來減少氣孔缺陷發(fā)生的幾率。氣孔焊道4為外圈的中間一道焊道，參數(shù)選擇依據(jù)仍然以金屬熔融為重，故仍選擇同樣的參數(shù)。根據(jù)焊接后超聲波無損探傷結果表明，此參數(shù)的選擇效果很好，在無操作失誤的條件下，無損探傷通過率（二級焊縫要求）100%。實際操作中感覺此參數(shù)配比下金屬融合好，且缺陷較少，部分表面缺陷可以在下一焊道的焊接過程中進行修正。

1.3.2 焊道2，5

內圈的最外一層成形焊道。為了獲得較好的焊縫外觀和焊接速度，結合兩個焊縫不同部位、不同寬度，故選擇了較焊道1，3，5為小的電流、電壓作為焊接參數(shù)進行焊接，特別是焊道5，外觀質量非常受重視，故焊道5選擇了最小的電流、電壓。按照此參數(shù)焊接的西昌500KV變電站構架外觀規(guī)則，均勻，美觀，得到了現(xiàn)場施工單位及監(jiān)理的肯定。

1.4 焊接方法

為了達到設計要求的焊縫要求，并獲得較好的外觀質量，我們在多年的變電站鋼管結構加工中不斷探索、試驗，先后試驗了多種焊接工位的多種焊接方法，最終經過實際效果比較，確定立焊工位連弧擺動焊法最為符合要求。立焊便于焊接作業(yè)人員施焊，操作性好，連弧擺動焊能比較好的適應焊縫

試驗項目 相當于美國AWS5.18或5.28 抗拉強度(MPa) 屈服強度(MPa) 延伸率(%) AKV(試驗溫度)沖擊值（J）-29℃保證值 ER70S-6 ≥500 ≥420 ≥22 ≥27

圖表 1 法蘭結構示意圖

圖表 2 法蘭焊縫示意圖

圖表 3 焊道示意圖

1.5 變形形式及危害

法蘭結構焊接變形基本形式為法蘭端面變形。由于焊接熱脹冷縮引起的應力，牽引法蘭盤外緣向鋼管方向變形，導致法蘭組合端面形成內圈高、外圈低的鼓狀變形，類似凸面。這種變形發(fā)生后會導致現(xiàn)場在安裝中因為相互貼合的一對法蘭凸面高點的接觸，而使外圈縫隙過大，法蘭貼合面積不夠。

1.6 措施及變形實測

由于法蘭此種凸面變形在焊后無法矯正，故對于此變形必須在焊接的同時加以控制。我廠從彭州500KV變鋼管結構加工中就開始試驗用工裝法蘭反向施加外力的方式進行變形控制。工裝法蘭根據(jù)管徑大小進行加工，在一面車削成斜面，一般外圓較內圓的削去值按照下表進行：

管徑 外圓厚度-內圓厚度（mm）D≥Φ273 1.5 φ 273>D≥Φ325 2 Φ325>D≥φ426 2.5 Φ426>D≥φ478 3.5 Φ478>D≥φ560 4.5

工裝法蘭在法蘭內圈焊接完畢后安裝，先手工將螺栓安平，工裝法蘭同法蘭邊緣間隙大致均勻，再用150KG風炮進行機械擰緊，施加約束力控制變形。彭州變我們對此方法進行了實驗，分別按照同種焊接方法、同樣的焊接參數(shù)對五對φ478法蘭進行了焊接變形實驗，檢驗方式為水平靠尺靠齊后用塞尺檢測靠尺同法蘭端面的最大間隙，法蘭焊后為凸面檢測數(shù)據(jù)為正值，凹面檢測數(shù)據(jù)為負值，每個在不同方向法蘭檢測4個數(shù)據(jù)。實測結果如下表：

法蘭編號 無約束 施加約束1 1.8，2.2，1.5，2.1 0，0.1，-0.2，0.1 2 1.5，1.7，1.3，1.9 0，0.1，0.3，0 3 1.2，1.5，1.6，1.5 0.1，0.1，0.1，0 4 1.7，1.8，1.7，1.9 0，0，0.1，0 5 2.0，1.9，2.2，2.3 0.2，0.2，0.1，0

可以看到，采用工裝法蘭施加剛性約束后，明顯起到了很好的抑制變形的效果。之前的數(shù)據(jù)幾乎全部超標，法蘭端面平整度無法達到設計要求，而施加約束后，按照雙側同值計算，最大法蘭間隙0.3*2=0.6mm，符合設計要求法蘭邊緣間隙0.8mm的要求。

1.7 工藝改進措施

1）焊前注意清理焊縫及其周邊油、銹、水、氧化鐵等有害雜質；2）小號焊道焊接完后先對本焊道焊接質量進行檢驗，消除藥皮、飛濺以及氣孔、夾渣等焊接缺陷后方可進行下道焊道的焊接；3）嚴格控制層間溫度，手背在距離焊縫約200mm處能感覺到溫熱感；4）坡口不宜過大，坡口夾角不超過40°，組合時法蘭同管的間隙盡量均勻；5）外圈時采用工裝法蘭施加剛性約束，消除焊后法蘭變形；盡量一次合格，減少焊接返修量。

2 橫撐焊接介紹及變形處理

2.1 結構及技術要求

橫撐結構示意圖如圖表4所示，主管、撐管均為φ377×8螺旋焊管。西昌500KV變設計單位為西南電力設計院，橫撐焊接采用短主管設計，主管總長1.5m。另外一種更常見的設計是主管為8.5m的長主管設計。

2.2 焊接變形形式及危害

對于1.5m的短主管設計，我們采用先焊接橫撐后再次上工裝組合法蘭的方式來消除橫撐焊接變形的影響，此種方式不在本文討論。本文重點討論對于長主管設計的方式下，主管焊接變形的危害。

橫撐焊接的變形主要是焊接引起主管向構架中軸線方向的撓曲變形。在長主管結構形式下，由于橫撐在主管中間，橫撐焊接后導致的主管彎曲變形會嚴重影響上下構架段之間的組合。下面我們以西昌500KV變220Z-1構架為例進行說明橫撐焊接引起的主管變形對產品質量和現(xiàn)場安裝的危害。（本例中主管長度為7m，在8.5m的主管設計中影響比此例更為明顯）。設計數(shù)據(jù)如下表：

項目 設計數(shù)值A 673.8959 B 2066.9479

主管橫撐以上 2995.3862主管橫撐以下 4004.6138橫撐尺寸 1270

按照現(xiàn)場安裝的一般順序，由上往下組裝構架，我們假設A尺寸保持不變，如橫撐焊接引起主管發(fā)生5mm的撓曲變形（即直線連接主管上下兩端，橫撐焊接部位偏離此直線的最大距離），由于橫撐撐管本身不發(fā)生長短改變，即橫撐處1270mm不發(fā)生改變，經過在AUTOCAD中模擬變形后測量，會在主管下端造成11.6846mm的位移，即B尺寸會總計偏小23.3692mm，由于鋼管本身的硬度，這樣大的位移是不可能在后續(xù)安裝過程中，通過撥動能夠解決的。位移尺寸超過法蘭安裝孔徑一半，給現(xiàn)場安裝帶來困難。

由于橫撐尺寸較大，類似法蘭焊接的約束添加有困難，故我們采取了選取合理焊接參數(shù)減小焊接變形同焊后處理的方式來解決焊接變形。

2.3 橫撐焊接工藝

焊接方法為手工二氧化碳氣體保護焊，不預熱，焊縫分為上下兩道，層間溫度80℃~150℃，其他焊接參數(shù)如下表。

目前使用的焊接參數(shù)同以前相比主要在電壓上進行了調整，進行了調低。西昌檢測數(shù)據(jù)同歷史檢測數(shù)據(jù)表明，在調整后同樣規(guī)格的橫撐焊接約減少了1~2mm，但是并不能完全消除變形，剩余的變形就需要靠焊后的矯正處理。

焊材 焊道規(guī)格/mm 電流/A 電壓/V 備注DHQ50-6 1 1.2 200~220 28~30視組合間隙進行調整DHQ50-6 2 1.2 150~180 25~28視電纜長短進行調整

2.4 橫撐焊接變形的矯正

在主管兩端架設兩個支撐架，撐管向下。對焊接部位背面進行加熱，然后利用熱脹冷縮原理用水冷方式進行冷卻，促使主管背面收縮，達到消除撓曲變形的目的。根據(jù)經驗，φ377管撓曲在經過此方法矯正后撓曲控制在2mm以內，φ478及以上管撓曲控制在4mm以內，則可以在后續(xù)鍍鋅的過程中利用撐管及管體自重達到進一步消除撓曲的目的，按照此種方式，最終鍍鋅后橫撐焊接變形最后可以控制在+2mm/-2mm以內，在現(xiàn)場安裝中完全可以通過撥動主管，在單人、簡易工具可以引起的主管彈性變形范圍內就可以完全消除，使現(xiàn)場能夠順利組裝。

結語

實踐證明，根據(jù)不同結構、不同特點的焊接采取有針對性的措施，焊接變形是能夠得到有效控制的，但是焊接變形畢竟是客觀存在的現(xiàn)象，不能完全消除，關鍵是在可行的情況下，將變形控制在允許范圍內。

[1]郭日彩，李寶金，李明.500(330)kV變電站典型設計研究與應用[J].電網(wǎng)技術，2005，29（20）：29～37.

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