巫云杰

（廣東省源天工程公司，廣東增城 511340）

阿萊瓦水電站壓力鋼管制造及Q460C鋼材焊接

巫云杰

（廣東省源天工程公司，廣東增城 511340）

從企業(yè)的績效角度上，簡要地介紹了境外工程制造廠房的選址，在工藝制作上，對壓力鋼管制造難度最大的岔管的卷制工藝及水壓試驗進行了剖析，同時對Q 460C這種非常用的低合金高強鋼板材的焊接工藝作了針對性的介紹。

巴基斯坦；壓力鋼管；岔管；Q 460C；焊接

巴基斯坦阿萊瓦水電站是我公司近三年來承接的第二個境外施工工程，該電站位于巴基斯坦西北邊境省BATTGEAM地區(qū)的阿萊瓦（ALLAI KHWAR）河和印度（INDUS）河上，為高水頭引水式電站，其中溢流堰和進水口建于阿萊瓦河上海拔高程1200m的TELUS村下游約2km處，引水壓力隧洞穿越阿萊瓦河和印度河之間的山脊，電站廠房位于印度河左岸，設(shè)計最大毛水頭為687.0m。

阿萊瓦電站壓力鋼管主管段的內(nèi)徑為2.2m，總長度1820m；設(shè)計有一岔管，由岔管分兩支管引水至發(fā)電廠房，支管的內(nèi)徑為1.3m，總長度為28.2m×2。鋼管主材為Q 460C鋼板，管線鋼板厚為15mm～50mm，岔管月牙肋板厚100mm。包括加強環(huán)、灌漿孔堵頭等，整個壓力鋼管設(shè)計總重為1970.488t。

1 制造方案

1.1 制造廠房的選址及基本工序

參考我公司在上一境外工程——緬甸吉榮吉瓦水電站的施工經(jīng)驗，將每節(jié)鋼管均分為三片瓦片，在國內(nèi)卷制成弧，采用托架包裝運輸至緬甸工地現(xiàn)場的簡易廠房內(nèi)，再組對成圓。將兩工程進行比較，首先是緬甸工程的壓力鋼管直徑為5.5m，均分成三個瓦片后，瓦片弧長接近5.8m，同時合同要求允許鋼管存在三條縱縫，而阿萊瓦工程壓力鋼管最大管徑為2.2m，圓周長不足7m，同時合同要求鋼管允許存在一條縱縫，即使合同允許多條縱縫，考慮到焊接成本，多條縱縫的存在也是直接影響到企業(yè)的效益；其次，緬甸工程壓力鋼管選材為Q 345C，板厚為15mm，阿萊瓦工程主材為Q 460C，板厚在15～50mm不等，相比于Q 345C材質(zhì)，Q 460C鋼板硬度大，并且板材厚度大，常規(guī)方法進行調(diào)圓的難度大。所以，不能將鋼管在國內(nèi)制成半成品發(fā)運至工地現(xiàn)場。

壓力鋼管為卷板成圓，如果采用成品鋼管運輸，因為鋼管所占空間體積較大，或者說占船倉位多，這將會發(fā)生較大的運輸費用。運輸成本直接影響到工程效益。綜合考慮，將鋼板的卷圓工作分配在巴國內(nèi)進行。國內(nèi)廠房負(fù)責(zé)按要求尺寸下料，將合格的料板層疊運輸出境。生產(chǎn)的全流線工序為：

國內(nèi)原材料采購→國內(nèi)廠房按整管節(jié)尺寸下料、開坡口→除銹處理及底漆的涂涮→料板層疊在平架上→國內(nèi)廠房運輸?shù)酱a頭→海路運輸→巴基斯坦碼頭清關(guān)并運輸至工地現(xiàn)場→在巴國臨時廠房將料板卷圓→縱縫焊接→調(diào)圓→多管節(jié)連接成安裝單元→環(huán)縫焊接（→二次倒運→安裝）。

1.2 岔管卷制

在水電站常規(guī)壓力鋼管的制造中，主要難度在于岔管及錐管的卷制，尤其是岔管的制作。阿萊瓦壓力鋼管工程的岔管板材厚度大，Q460C材質(zhì)硬度也高，難以調(diào)圓。岔管的卷制，是該壓力鋼管的整個制造施工中難度最大的一環(huán)，岔管外形見圖1。

圖1 岔管示意圖

1.2.1分析

圖1中，A、B、C三節(jié)作為岔管的主要組成部分，板厚 50mm；A1、B1板厚 48mm，為與支管間的連接過渡節(jié)，為錐管形式，亦作為岔管結(jié)構(gòu)的組成部分。整個岔管主體結(jié)構(gòu)重12.38t，將水由內(nèi)徑2.2m的主管分流至內(nèi)徑為1.3m的兩支管。經(jīng)電腦放樣，將A、B、C三個管節(jié)作出放樣坐標(biāo)圖，其中A、B兩管節(jié)的形狀相同，放樣后的坐標(biāo)示意圖見圖2、圖3。

1.2.2 放樣

其實岔管每節(jié)的組成是由錐管在某位置沿某一方向進行一截面的切割構(gòu)成，在通過電腦放樣后，需將各輪廓線在X方向每間距100mm列出Y坐標(biāo)數(shù)值，以用于施工班組進行鋼板放樣劃線，同時須要求放樣人員在作業(yè)過程中（至少）將經(jīng)過料板輪廓線中的最高點、最低點或者弧線中心點的母線劃出，作為卷制過程中的基準(zhǔn)母線，如圖2、圖3中的基準(zhǔn)母線，當(dāng)然，基準(zhǔn)母線的數(shù)量越多，在卷制過程中就越方便進行弧度的檢查，但也不可造成基準(zhǔn)母線密密麻麻，導(dǎo)致卷板作業(yè)人員迷惑。

1.2.3 切割

因為板材的厚度大，同時焊接要求高，在劃線完成后不能直接人工直接切割，應(yīng)采用半自動或數(shù)控設(shè)備進行切割，保證優(yōu)良的切割邊及焊接坡口，以便于下一步的施工，而坡口角度及焊接收縮余量可按所作的相關(guān)焊接工藝或傳統(tǒng)經(jīng)驗決定。

1.2.4 卷板

在卷板前需要將料板進行壓頭處理，如果卷板具備壓頭功能則直接在卷板機上壓頭，否則采用傳統(tǒng)的液壓壓邊機完成該工序。

目前國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)廠家使用的卷板機采用的卷板機為三輥、五輥，但在輥筒端頭并沒有設(shè)置一限位轉(zhuǎn)軸，建議卷制錐管、岔管等變截面鋼管應(yīng)選用具有限位轉(zhuǎn)軸的卷板機，或者自制限位轉(zhuǎn)軸。在卷制錐管時，將料板圓弧輪廓線緊貼限位轉(zhuǎn)軸，（如圖2、圖3中料板的下方圓弧輪廓線），上輥軸的投影與基準(zhǔn)母線重合。在保證下輥座水平的前提下，再進行上輥軸的傾斜調(diào)整，將上輥軸靠限位轉(zhuǎn)軸端調(diào)整偏低，而另一側(cè)偏高，該傾斜角度視卷板機的實際工況而定。在本岔管的卷制過程中，因為料板厚度大，硬度高，我作業(yè)人員是緩慢調(diào)整上輥軸的傾斜角度的，完成一遍卷板作業(yè)后再進行一次上輥軸傾斜角度的調(diào)整。因為如果上輥軸的傾斜角度一次調(diào)整過大，使每遍卷制的曲率半徑大，在卷制過程中的弧度難以控制，容易造成料板報廢，其次，需要考慮到卷板的工況性能，負(fù)荷過大也會使卷板機出現(xiàn)報警暫停作業(yè)的事故。同時，卷制時需要注意的是對母線的跟蹤，確保進板時，各母線與上輥軸的下沿線重合，只有這樣才能使每節(jié)岔管的錐度符合設(shè)計要求。

當(dāng)卷制到料板的兩端閉合后，將閉合口跳焊牢固，如果閉合口出現(xiàn)偏差，可通過千斤頂人工進行調(diào)整，最后移出岔管進行閉合口的焊接。

1.2.5 調(diào)圓

完成閉合口的焊接及焊后消氫處理后，將管節(jié)重新吊進卷板上進行調(diào)圓工作，調(diào)圓工作與卷制工作基本相同，但更須注意管節(jié)的基準(zhǔn)母線與上輥軸下沿線重合，以保證圓度。

1.2.6 岔管的組裝

在A、B、C三個岔管管節(jié)的調(diào)圓工作完成并各項尺寸檢查合格后，便進行整體組裝。在平臺上，先固定管節(jié)C，再將管節(jié)A、B對裝于其上方，然后對裝月牙肋，最后是過渡節(jié)A1、B1管節(jié)的對裝，如下圖4。對組裝過程中，難免會出現(xiàn)對接口的偏現(xiàn)象，采用35t液壓千斤頂進行調(diào)整。

1.2.7 焊接

完成岔管的對裝后，進行岔管各對接口的連接，偶數(shù)焊工采用分步對稱的方法進行焊接，其實岔管鋼板厚度大，約束多，只要跳焊牢固，一會來說，不會引起焊接變形。但涉及到焊接質(zhì)量，岔管所有對接焊縫均為一類焊縫，跳焊作業(yè)時沒有對岔管進行預(yù)熱，并且焊接工藝也不能達到要求，所以對岔管的對接焊縫背面進行清根時，應(yīng)該將原跳焊位置的敷熔金屬刨掉，再進行背縫的焊接。

1.3 岔管的水壓試驗

根據(jù)設(shè)計要求，壓力鋼管岔管在制造完成后，應(yīng)在工廠內(nèi)進行水壓試驗，壓力值為最大運行水位的1.3倍，而電站的設(shè)計最大毛水頭為687.0m，所以水壓試驗的壓力峰值應(yīng)為6.87×1.3=8.931MPa。

1.3.1 封頭的選擇

1.3.2 水壓試驗

在封頭完成焊接并無損探傷檢查完畢后，將水壓試驗的相關(guān)配件，如進水管、壓力表、加壓泵等，安裝至岔管的適當(dāng)位置，同時還需要安裝上鋼板計。根據(jù)設(shè)計院校核并通過德國咨詢工程師的認(rèn)可，本壓力鋼管安裝6支鋼板計，安裝位置如圖5所示。

岔管的試驗水溫不低于5℃。本岔管水壓試驗的壓力值分為 1.8MPa、3.0MPa、4.2MPa、5.4MPa、6.6MPa、7.8MPa、8.9MPa等7個階段。加壓試驗按照以下步驟進行：

⑴試壓泵開始向岔管注水，水滿后，穩(wěn)定24h，進行應(yīng)變量初始值的測量及變位零值的調(diào)整；

⑵開機加壓，壓力表顯示壓力緩慢上升，升壓速度控制在0.05MPa/min左右。升壓到1.8MPa時，穩(wěn)定60min，對各焊縫及試壓系統(tǒng)各連接處進行檢查，是否有泄漏降壓現(xiàn)象，確認(rèn)無異常情況下，進行應(yīng)變測量及變位值的記錄；

⑶分別升壓至 3.0MPa、4.2MPa、5.4MPa、6.6MPa、7.8MPa、8.9MPa時，并且每階段穩(wěn)壓60min，對各焊縫及試壓系統(tǒng)各連接處檢查是否有泄漏降壓現(xiàn)象，確認(rèn)無異常后，進行應(yīng)變測量及變位值的記錄；

⑷然后分別降壓至 7.8MPa、6.6MPa、5.4MPa、4.2MPa、3.0MPa及1.8MPa 6個壓力值，每壓力值穩(wěn)壓30min，分別測量應(yīng)變量等。并且在壓力值為7.8MPa時用0.5～1.0kg小錘在焊縫兩側(cè)各15～20mm處輕輕敲擊，并進行應(yīng)變測量及變位值的記錄；

⑸最后到管內(nèi)壓力值為零時，再次測量應(yīng)變量的最終值；

⑹將管內(nèi)水全部排空，割掉封頭，拆除臨時支撐等，清除焊疤；

⑺對各對接焊縫進行超聲波探傷復(fù)查，焊縫保持合格。

2 Q460C鋼板的施工性焊接工藝

巴基斯坦阿萊瓦工程壓力鋼管主材為Q460-C鋼板，這是我公司50多年來金屬結(jié)構(gòu)的制安施工中未遇過的鋼材，是新型材料。該材質(zhì)在國內(nèi)各類工程中比較少見，使用量最大的也是使該材質(zhì)真正面向世界工程市場的是北京體育館—“鳥巢”?！傍B巢”的鋼架主要材料是Q 460-E，與阿萊瓦工程壓力鋼管主材型號相同，等級不同。

阿萊瓦工程壓力鋼管的設(shè)計毛水頭為687.0m，鋼管承受壓力為6.87MPa，如果計算上1.3倍的安全系數(shù)，鋼管承受的試驗壓力將達到9.0MPa，相當(dāng)于90kg/cm2的水壓力，水壓之大在國內(nèi)水利工程中尚屬罕見。作為貫穿整個工程決定結(jié)構(gòu)安全運營的主導(dǎo)工序就是焊接，其質(zhì)量和施工難度之高我公司未曾試過，也令同行矚目。目前，在國內(nèi)，Q 460～C鋼材的焊接工藝尚未成熟，或者因為焊接行內(nèi)技術(shù)保密的原因，在各種論文或?qū)？瘜460～C鋼材的焊接工藝幾乎空白。

Q460-C合金鋼是在碳鋼基礎(chǔ)上，為改善鋼的性能，在冶煉時加入一些合金元素 Mn、Si、Ni、Ti、V、Nb 等，Mn、Si提高了鋼的強度，Ti、V、Nb 細(xì)化了晶粒，增加了鋼的韌性。加入稀土元素在于脫S和凈化鋼的有害雜質(zhì)，改善鋼的性能。Q460-C結(jié)構(gòu)鋼焊接時有較明顯的淬硬傾向，熱影響區(qū)容易形成硬而脆的馬氏體組織，塑性和韌性下降，耐應(yīng)力腐蝕性能惡化，冷裂紋傾向增加。因此焊接時需要較小的線能量。焊接線能量過高，會導(dǎo)致熱影響區(qū)性能降低。

目前國內(nèi)傳統(tǒng)的水工金屬結(jié)構(gòu)制造與安裝施工所用的的電焊形式主要為手工電弧焊、氣體保護焊及埋弧自動焊三種，我公司在阿萊瓦工程項目部的金結(jié)施工涉及到制造與安裝，出于進度與質(zhì)量的考慮，根據(jù)三種電焊的優(yōu)點與缺點，并在成本考慮的前提下，決定該項目的施工結(jié)合三種電焊形式對不同焊縫、不同施工位置采用相應(yīng)的電焊形式，以確保施工進度與工程質(zhì)量。我們在制造施工中，根據(jù)施工場地或結(jié)構(gòu)件的不同部位選取不同的焊接方式，主要以埋弧自動焊為主，因為在廠房內(nèi)具備較好的施焊條件，壓力鋼管的焊縫基本為直線型焊縫，容易操作埋弧自動焊，埋弧自動焊焊接質(zhì)量較好，外觀優(yōu)良，并且焊接速度較快，施焊人員工作強度小，（環(huán)縫采用滾焊臺車使鋼管轉(zhuǎn)動進行施焊）。在埋弧自動焊不能施焊的位置，我們輔助使用氣體保護焊及手工電弧焊的兩種焊接工藝。例如使用氣體保護焊對鋼管的縱縫、橫縫進行打底焊接，使用手工電弧焊進行焊補或者返工處理。作為新材質(zhì)的施焊作業(yè)，就要求在施工前，對三種焊接工藝均進行相應(yīng)的工藝評定，并且該焊接工藝評定是在模擬在巴國的施工條件下進行，能夠適用于大規(guī)模的焊接施工。在混合氣體保護焊的氣體選用上，經(jīng)過CO2、Ar2及混合氣體三種氣體對焊接質(zhì)量、焊接成本的綜合考慮，最后選用混合氣體作為保護氣體，混合氣體的組成為20%CO2+80%Ar2。

根據(jù)規(guī)范要求的焊接工藝的覆蓋范圍，采用兩種厚度的板材進行對接焊縫的焊接工藝評定，分別為δ16mm、及δ30mm。工藝評定采用了手工電弧焊、混合氣體保護焊及埋弧自動焊三種焊接方法，分別進行了仰焊和立焊兩種焊接形式，其中埋弧自動焊為平焊形式。在試板施焊前，按規(guī)范要求，對坡口進行打磨并清理干凈坡口兩側(cè)各50mm范圍內(nèi)的油污等雜物，使其露出金屬光澤。然后對母材進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度80～100℃。施焊過程中，注意控制焊接時間，清渣間歇時間，以免引起焊縫溫度過高或冷卻太快，增大收縮應(yīng)力，降低焊縫的力學(xué)性能，焊接層次中的引弧和收弧要相互錯開，防止收弧處焊接缺陷疊加，并且詳細(xì)記錄每層每道的焊接電流及電壓等。施焊作業(yè)完成后，馬上進行后熱處理，后熱處理的溫度為150～250℃，保溫2h后空冷。摘錄三種焊接方法的焊接工藝參數(shù)如表1～表3。

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3 結(jié)語

我公司在巴基斯坦阿萊瓦水電站壓力鋼管的制造安裝標(biāo)段中，大膽地在現(xiàn)場搭建臨時廠房，雖然前期的準(zhǔn)備工作較多，也比較煩瑣，但在考慮到兩年的施工工期，該方案是可取的。

水電工程中，壓力鋼管由直管、岔管及伸縮節(jié)三者組成，因岔管的形狀變化、板材偏厚及其所承受的水壓最大，所以岔管的制作是難度最大并且最關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。在制造過程中，需要充分重視岔管的卷制，避免造成廢板的重大事故。

在國內(nèi)水電行業(yè)施工企業(yè)中，我公司作為第一家向水利部申請Q 460鋼板焊接焊工考核的單位，在進行該材質(zhì)的焊接工藝評定時，采用小的線能量，多層多道焊，細(xì)化了晶粒，提高了焊縫的韌性。最終探索出該板材的焊接工藝，獲得水利部組織的焊接工藝評定小組的充分認(rèn)可。

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1672-5387（2011）02-0040-04

2011-01-10

巫云杰（1980-），男，工程師，碩士，從事水工金屬結(jié)構(gòu)制造安裝工作。