李 黎

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410007）

呼和浩特抽水蓄能電站岔管焊接工藝

李 黎

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410007）

從焊接試驗，焊材選用、焊接順序、質(zhì)量保證措施及焊接檢驗、缺陷修復(fù)、調(diào)整與消除殘余應(yīng)力等方面對Rm≥790MPa的高強鋼焊接工藝進行分析與探討，為以后同級別鋼管焊接提供參考和指導(dǎo)。

呼和浩特抽水蓄能水電站；岔管；Rm≥790MPa高強鋼；焊接工藝

1 前言

當(dāng)今大型水電站，尤其是高水頭電站和抽水蓄能電站的建造，要求提供流量大、承壓高的引水鋼管。若采用普通鋼材，為了滿足使用要求必須增加鋼板厚度，厚度的增加給制作和運輸帶來很大的困難。隨之發(fā)展起來的有Rm≥790MPa適用壓力鋼管焊接結(jié)構(gòu)用的高強鋼，由于其性能優(yōu)異和經(jīng)濟效益顯著，在水電站壓力鋼管（岔管）制造中得到日益廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)只有少數(shù)抽水蓄能電站如西龍池，寶泉，宜興，新疆喀臘塑克等項目的岔管上應(yīng)用，采用的大都是日本鋼板，由外國公司制造合格后運抵現(xiàn)場安裝。呼和浩特抽水蓄能電站鋼岔管使用的為寶鋼生產(chǎn)的B780CF鋼板。在我公司用此等級鋼板制造壓力鋼岔管尚屬首次，因此對岔管的焊接工藝有著極高的要求。

2 焊接試驗

對Rm≥790MPa的B780CF鋼板應(yīng)用于鋼岔管尚屬首次，因此國內(nèi)水電施工企業(yè)對其熱加工性能并不了解，無成功案例經(jīng)驗可以借鑒。因此，在岔管技術(shù)準(zhǔn)備階段廣泛開展技術(shù)調(diào)研，進行以下試驗，以制定最優(yōu)方案。

2.1 抗裂性試驗

通過斜Y形坡口焊接裂紋試驗，插銷冷裂紋試驗和剛性拘束焊接裂紋試驗，考察鋼板的冷裂敏感性，并確定焊接B780CF鋼板合適的預(yù)熱溫度。通過斜Y形坡口再裂紋試驗，插銷冷裂紋試驗考察鋼板的再裂紋敏感性。

2.2 硬度試驗

通過熱影響區(qū)最高硬度來評價鋼材焊接的淬硬傾向，從而評價B780CF鋼板的冷裂傾向。

2.3 氣刨，氣割適應(yīng)性試驗

對氣刨和氣割試樣進行硬度測試和冷彎試驗，評價氣刨和氣割工藝對B780CF鋼板性能的影響。

2.4 焊接線能量試驗

在確定了合適的預(yù)熱溫度的基礎(chǔ)上，選用不同的焊接方法和焊接線能量焊接試板進行力學(xué)性能試驗，確定B780CF鋼板合適的焊接線能量范圍。

3 焊接材料的選擇

對于焊接材料的選擇，長期以來高強鋼焊接多采用“等強匹配”的原則選擇。但是對于Rm≥790MPa的B780CF鋼板來說，除了考慮強度外，還必須考慮焊接接頭韌性和裂紋敏感性。采用“低強匹配”的原則選擇的焊材可以減少焊接裂紋的經(jīng)驗在業(yè)界備受關(guān)注。有時“低強匹配”的焊接接頭并不比“等強匹配”的焊接接頭遜色。就焊縫金屬來說。強度越高，韌性水平就越低，甚至低于母材。對于B780CF鋼板，如果要求焊縫金屬強度與母材等強，其韌性就不夠；如果焊縫金屬強度高于母材，則韌性更低，甚至低于岔管設(shè)計安全系數(shù)。所以，適當(dāng)降低焊縫強度而使韌性提高，可能對焊接街頭性能更為有利。在焊接工藝試驗過程中，選擇焊接材料和制定工藝參數(shù)時應(yīng)該考慮組織狀態(tài)對焊縫金屬強度和韌性的影響，并做一些“低強匹配”方面的焊接試驗研究，以優(yōu)化月牙肋與支管管壁組合焊縫除外的其他焊縫的焊接工藝。

4 焊接順序

鋼岔管分成8個管節(jié)（圖1所示），編號分別是A1，A2、B1-1、B1-2、B2、C1-1、C1-2、C2。其中 A1節(jié)有 A1-1，A1-2、A1-3三 個 瓦 塊 ；A2節(jié) 有 A2-1，A2-2、A2-3三個瓦塊；B1-1節(jié)有 B1-1-1、B1-1-2兩個瓦塊；B1-2節(jié)有 B1-2-1、B1-2-2、B1-2-3三個瓦塊；B2節(jié)有 B2-1、B2-2、B2-3三個瓦塊；C1-1節(jié)有 C1-1-1、C1-1-2兩個瓦塊；C1-2節(jié)有 C1-2-1、C1-2-2、C1-2-3三個瓦 塊；C2節(jié) 有 C2-1、C2-2、C2-3三個瓦塊；為保證焊接質(zhì)量以及減少安裝現(xiàn)場的焊接工程量和降低運輸難度，將鋼岔管的焊接分為兩部分，第一部分焊接任務(wù)在三峽項目部制作車間完成，第二部分在呼和浩特鋼岔管制造廠完成。

4.1 三峽項目部制作車間焊接順序

先焊接第C2節(jié)、第B2節(jié)縱縫和月牙肋對接縫。單節(jié)預(yù)裝完成后，焊接瓦塊A2-1與A1-1、A2-2與 A1-2、A2-3與 A1-3、C1-1-1與 C1-2-1、C1-1-2與 C1-2-3、B1-1-1與 B1-2-1、B1-1-2與 B1-2-3之間環(huán)縫（圖1所示）。

以上焊縫焊接完成并探傷合格后，將整個鋼岔管解體分成12個單元運輸至呼和浩特鋼岔管制造廠整體拼裝，焊接。

4.2 呼和浩特鋼岔管制造廠焊完的焊縫編號

先拼裝焊接第A1節(jié)，第A2節(jié)、第C1-1節(jié)、第C1-2節(jié)、第B1-1節(jié)、第B1-2節(jié)縱縫。縱縫焊完探傷合格，拼裝焊接第C1-2與第C2節(jié)環(huán)縫；第B1-2與第B2節(jié)環(huán)縫。探傷合格后所有管節(jié)進行整體拼裝，焊接第C1-1和第C1-2節(jié)與月牙肋組合縫；第B1-1和第B1-2節(jié)與月牙肋組合縫。最后焊接第A1與第B1-1節(jié)環(huán)縫；第A1與第C1-1節(jié)環(huán)縫（圖1所示）。

整個鋼岔管在呼和浩特制造廠整體拼裝、焊接、探傷、水壓試驗、防腐合格后，整體運輸至安裝現(xiàn)場安裝。

4.3 現(xiàn)場焊接順序

4.3.1 縱縫焊接

圖1 瓦塊分節(jié)及焊縫示意圖

為防止焊接時產(chǎn)生錐度，將縱縫分為三等段，按先中間，后底部，最后頂上的焊接順序焊接，待主縫焊接2～3層后背縫清根打磨，在清根前應(yīng)對焊縫后熱，并在保持溫度（不低于預(yù)熱溫度）的情況下清根，應(yīng)將背縫滲碳層用砂輪磨掉，磨削層厚不小于0.8mm。再進行背縫焊接，在整個焊接過程中要特別注意變形控制，并根據(jù)變形情況合理地調(diào)整焊接順序。預(yù)先制作一標(biāo)準(zhǔn)樣板，在焊接過程中隨時檢查縱縫處的弧度，根據(jù)變形的具體情況調(diào)整焊接順序，以保證焊接完成后樣板與鋼管內(nèi)壁的間隙不超過4mm。

4.3.2 月牙肋對接縫的焊接

月牙肋對接板焊接過程中，必須嚴(yán)格控制焊接角變形，根據(jù)焊接角變形的情況來決定正反面的焊接順序，使月牙肋板焊接平面度控制在3mm內(nèi)；必要時，還要用經(jīng)緯儀監(jiān)控環(huán)板的扭曲，同時，為了保證半徑在規(guī)定范圍內(nèi)及減少焊接應(yīng)力必須采取多層多道分段退步跳焊。為了保證焊縫內(nèi)部質(zhì)量，對于根部焊道，可采用手工電弧焊焊接2～5層，再改用氣體保護焊焊接；焊接主縫的40%左右進行背縫清根，在清根前應(yīng)對焊縫后熱，并在保持溫度(不低于預(yù)熱溫度)的情況下清根，應(yīng)將背縫滲碳層用砂輪磨掉，磨削層厚不小于0.8mm，確認(rèn)焊縫清理干凈后方可開始焊接；焊縫層間的焊接缺陷必須隨時進行處理。

4.3.3 環(huán)縫的焊接

環(huán)縫焊接安排4名焊工，沿環(huán)縫等距離分布同步開始焊接。焊接過程中，各焊工焊接速度盡量保持一致，再根據(jù)變形情況調(diào)整內(nèi)外焊接順序。待主縫焊接2～3層后背縫清根打磨，在清根前應(yīng)對焊縫后熱，并在保持溫度(不低于預(yù)熱溫度)的情況下清根，應(yīng)將背縫滲碳層用砂輪磨掉，磨削層厚不小于0.8mm。再進行背縫焊接，在整個焊接過程中要特別注意變形控制，并根據(jù)變形情況合理地調(diào)整焊接順序，以保證焊接完成后樣板與鋼管內(nèi)壁的間隙不超過4mm。

4.3.4 月牙肋與岔管管壁組合縫的焊接

焊接過程中安排5人對稱退步焊（如圖2）并根據(jù)變形情況合理地調(diào)整焊接順序，焊前先加防焊接變形內(nèi)支撐（如圖3），厚度為50mm以上，寬度為200mm左右，在最頂部，底部及腰部位置各加一塊支撐板。

圖2 焊接順序圖

此部位每位焊工焊接順序如圖2所示，待此部位主縫焊接完成60%左右時保溫(不低于預(yù)熱溫度)氣刨背縫，應(yīng)將背縫滲碳層用砂輪磨掉，磨削層厚不小于0.8mm，再焊接背縫至合適位置時再焊接主縫至留兩層的位置，停溫進行探傷，確保已完成的焊縫質(zhì)量無任何焊接缺陷后，再預(yù)熱100℃焊接主縫及背縫至完畢。總的原則多層多道退步跳焊，并根據(jù)變形情況合理地調(diào)整焊接順序。

圖3 防變形支撐布置圖

5 保證焊接質(zhì)量的主要措施

B780CF鋼板的含碳量≤0.13%，具有較高強度，又有良好的塑性和韌性，焊接性能優(yōu)于中碳調(diào)質(zhì)鋼。但若是焊接工藝不當(dāng)，焊接熱影響區(qū)軟化和韌性下降較為嚴(yán)重。因此，在岔管焊接施工過程中必須采取相應(yīng)的措施。

（1）參加岔管焊接的焊工必須進行Rm≥790MPa高強鋼焊接的理論和操作培訓(xùn)，特別是多層窄道焊接技法的訓(xùn)練，嚴(yán)格按照DL/T5017-2007第6.2節(jié)的規(guī)定通過考試，并取得相應(yīng)的合格證，且證書有效期內(nèi)方能參加岔管的焊接施工。

（2）岔管焊接所用的焊條的機械性能和化學(xué)成份符合國家標(biāo)準(zhǔn)，具有產(chǎn)品合格證。結(jié)合B780CF鋼板的各種性能和各種焊接試驗和焊接工藝評定，月牙肋與支管管壁對接縫、組合縫焊接時，焊條電弧焊采用四川大西洋產(chǎn)的CHE807RH（φ3.2、φ4.0）焊條，混合氣體保護焊采用昆山寶鋼產(chǎn)的BHG-4M（φ1.2）焊絲。

（3）無論是在三峽項目部制作車間還是在呼和浩特鋼岔管制造廠，岔管焊接部位必須滿足以下條件，否則應(yīng)該有可靠的防護屏障和保溫措施∶

1）風(fēng)速∶氣體保護焊小于2m/s，其它焊接方法小于8m/s。

2）相對濕度小于90%。

3）環(huán)境溫度高于-5℃。

4）非雨天和雪天氣。

（4）岔管施焊前，應(yīng)將坡口及其兩側(cè)10～20mm范圍內(nèi)的鐵銹、熔渣、油垢、水跡清除干凈。檢查坡口間隙、坡口尺寸、變形情況及定位焊縫質(zhì)量。清除定位焊上的裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。

（5）焊接材料應(yīng)按照下列要求進行烘烤和保管∶

焊條焊絲置于通風(fēng)干燥和室溫不低于5℃的專設(shè)庫房內(nèi)；設(shè)專人保管、烘焙和發(fā)放，并做好實測溫度和焊材發(fā)放記錄；焊條在使用前必須在350～400℃烘烤2h或按焊條說明書上指定的溫度烘烤1～2h，烘干后的焊條應(yīng)保存在100～150℃的恒溫箱內(nèi)，隨用隨取，焊工應(yīng)備有焊條保溫筒，焊條在保溫桶內(nèi)的時間不超過2h，否則重新烘焙，烘焙次數(shù)不得超過2次；焊絲使用前必須清除表面的油污和銹斑，隨用隨取。

（6）縱縫（對接縫）焊接要設(shè)引弧和斷弧用的助焊板；嚴(yán)禁在母材上引弧和斷弧，拆除引、斷弧助焊板時不應(yīng)傷及母材，拆除后應(yīng)將殘留焊疤打磨修整至與母材表面齊平?？v縫（對接縫）外的其他焊縫（定位焊）焊接時，應(yīng)在坡口上引弧斷弧，嚴(yán)禁在母材上引弧和斷弧。斷弧時應(yīng)該將弧坑填滿。多層焊的層間接頭錯開30mm以上。

（7）定位焊的焊接應(yīng)該符合下列規(guī)定∶

1）定位焊焊接工藝以及對焊工的能力要求要與正式焊縫相同。

2）定位焊前，應(yīng)對定位焊縫周圍寬150mm用烘槍進行預(yù)熱，并用點溫計進行測量（點溫計與工件距離為100mm），預(yù)熱溫度應(yīng)比正式焊縫預(yù)熱溫度高出20～30℃，定位焊在小坡口一側(cè)，定位焊縫位置應(yīng)距焊縫端部30mm以上，長度80mm以上且至少焊兩層，間距為100～400mm，厚度為8mm。

（8）每條焊縫應(yīng)該連續(xù)施焊直至完成，若確需終止焊接，應(yīng)立即進行后熱處理。

（9）施焊時同一條焊縫的多名焊工應(yīng)該盡量保持相同焊接規(guī)范，特別是焊接電流和焊接速度的一致。

（10）預(yù)熱應(yīng)符合下列規(guī)定∶

用履帶式加溫片對母材按照規(guī)范要求進行均勻預(yù)熱（預(yù)熱溫度100℃），預(yù)熱區(qū)的寬度應(yīng)為焊縫中心線兩側(cè)各3倍板厚。保證層間溫度不低于預(yù)熱溫度，整個過程中保溫焊接(用點溫計進行溫度測量，點溫計與工件距離為100mm，在距焊縫中心線各50mm處對稱測量，每條焊縫測量點間距≤1000mm，且不應(yīng)少于3對)。焊接岔管吊耳，內(nèi)支撐時預(yù)熱溫度與相應(yīng)管殼預(yù)熱溫度相同。

（11）焊接層間溫度不低于預(yù)熱溫度，且不高于180℃。

（12）后熱處理應(yīng)該在焊后立即進行，保溫時間不低于2h。

（13）焊接時嚴(yán)格按照焊接試驗確定的最佳熱輸入范圍控制焊接線能量。

（14）主縫焊至一定厚度后，在保持溫度（不低于預(yù)熱溫度）的情況下應(yīng)用碳弧氣刨進行背縫清根，并將定位焊縫全部清除。氣刨后用砂輪機將背縫滲碳層用砂輪磨掉，磨削層厚不小于0.8mm。

6 焊接檢驗

所有焊縫外觀質(zhì)量應(yīng)按照DL/T5017-2007規(guī)范和設(shè)計文件規(guī)定進行100%外觀檢查。在焊縫內(nèi)部質(zhì)量合格后，修磨過流面焊縫表面，使余高≤2mm且與母材圓滑過渡。

鑒于B780CF的特殊性和各種無損檢測方法的適用性，岔管管壁所有焊縫按GB11345進行100%UT和50%TOFD標(biāo)準(zhǔn)評定檢驗，檢驗等級為B級，I級為合格。所有焊縫表面質(zhì)量做100%PT或者MT，質(zhì)量評定參照J(rèn)B/T4730-2005標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

焊縫無損檢測應(yīng)至少在焊接完成48h以后進行。

7 缺陷處理和焊補

焊縫內(nèi)部或者表面有不允許的缺陷時，應(yīng)進行分析找出原因，制定合適的措施后方可焊補。鑒于岔管在壓力鋼管中重要性和焊接工藝本身的特殊性，對于焊縫內(nèi)部存在的圓形缺陷（如氣孔點狀夾渣等），盡管按照標(biāo)準(zhǔn)評定為超標(biāo)缺陷，但應(yīng)該綜合考慮缺陷位置，危害程度以及返修后是否會提高接頭綜合質(zhì)量等因素，慎重制定處理方案。

內(nèi)部缺陷采用碳弧氣刨清除，并用砂輪機修磨成便于焊接的凹槽，焊補前采用滲透探傷檢查，確認(rèn)缺陷已經(jīng)完全清除，方可焊補。

焊補前應(yīng)進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度應(yīng)比焊接前預(yù)熱溫度高出20～30℃。焊補后按照原技術(shù)要求立即進行后熱消氫處理。

同一部位原則上只允許返修一次，返修前應(yīng)制定可靠的技術(shù)保證措施。返修后的焊縫用TOFD復(fù)查。

岔管表面不得有電弧擦傷和硬物擊痕。否則應(yīng)打磨成凹槽。若打磨后的凹槽深度超過2mm則需補焊并作滲透探傷檢查。

8 殘余應(yīng)力的調(diào)整與消除

由于焊接殘余應(yīng)力的存在經(jīng)常會使焊接結(jié)構(gòu)服役性能的下降，因而在一般情況下，必須調(diào)整與消除焊接殘余應(yīng)力。從焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生過程來看，焊接過程中近焊縫區(qū)形成的壓縮塑性變形是殘余應(yīng)力形成的根源。因此，調(diào)整與消除焊接殘余應(yīng)力的實質(zhì)就是使焊接區(qū)產(chǎn)生適量的塑形伸長?？蓮暮盖埃附舆^程中，焊后三方面著手。

8.1 焊前措施

保證構(gòu)件下料，坡口加工和卷板等尺寸精度，避免強制組裝和坡口產(chǎn)生較大間隙。

采用型狀對稱的X形坡口和雙J形坡口對局部間隙過大的位置，焊前統(tǒng)一進行堆焊打磨處理，確保破口尺寸在單條焊縫上基本一致。

8.2 焊接過程中的措施

采用多層窄道分段退步對稱焊接，包括對稱位置上多名焊工的焊接規(guī)范基本一致。

除打底和蓋面層焊道外，采用風(fēng)鏟在熱狀態(tài)下對焊道表面中間位置進行錘擊。

采用合理的焊接順序和焊接方向，盡量使焊縫能夠自由伸縮。

加大焊縫兩側(cè)的預(yù)熱面積并適當(dāng)預(yù)熱溫度。

8.3 焊后措施

焊后調(diào)整與消除殘余應(yīng)力的方法很多，但較為有效的引用于水電站壓力鋼管岔管的主要有∶

（1）通過表面加工調(diào)整殘余應(yīng)力

焊后對管內(nèi)焊縫表面余高采用砂輪機進行機械磨削，減少余高并使之與兩側(cè)母材圓滑過渡，不但可以降低表面應(yīng)力峰值，還能夠大大降低應(yīng)力集中系數(shù)，提高接頭的疲勞強度和抗應(yīng)力腐蝕能力。該方法施工簡單成本低廉。

（2）過載拉伸處理

通過水壓試驗對岔管進行拉伸過載處理，能夠確保岔管在工作壓力下其全部區(qū)域均在彈性狀態(tài)下，且低于Rel；可以降低岔管因管壁的不圓、角變形以及錯邊等引起的附加應(yīng)力；有效提高岔管在低溫工況下的抗脆斷能力；提高寒風(fēng)中殘存缺陷發(fā)生疲勞和應(yīng)力腐蝕的門檻應(yīng)力值；不會對岔管產(chǎn)生明顯的性能損傷。但缺點是對岔管的縱縫的縱向殘余應(yīng)力和對環(huán)縫的橫向殘余應(yīng)力效果較差，也不能改善由形變或者相變引起的塑形下降或脆性提高的現(xiàn)象。

9 結(jié)束語

在高HD值壓力鋼管岔管中使用B780CF，能夠節(jié)省鋼材，簡化施工工藝，降低工程造價。工程技術(shù)準(zhǔn)備階段，認(rèn)真進行焊接試驗，結(jié)合項目特點，制定最優(yōu)化的焊接施工方案，在施工時嚴(yán)格實施，是確保工程質(zhì)量的前提。

呼和浩特抽水蓄能電站高強鋼岔管的水壓試驗已經(jīng)順利的完成，對鋼岔管的焊接工藝及焊接質(zhì)量的可靠性、科學(xué)性進行了很好的檢驗，可以對后續(xù)的Rm≥790MPa高強鋼岔管制作中提供可借鑒的經(jīng)驗。

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1672-5387（2014）02-0037-05

2013-11-16

李 黎（1985-），男，助理工程師，從事水電站金屬結(jié)構(gòu)制造、安裝技術(shù)工作。