李 兵，常 勇，陳善貴，刁統(tǒng)亞

（1.安徽績溪抽水蓄能有限公司，安徽省宣城市 245300；2.江蘇江南檢測有限公司，江蘇省南京市 210003）

0 引言

近年來，國內抽水蓄能電站建設處于發(fā)展高峰期，多個高水頭抽水蓄能電站陸續(xù)開工建設。為保證引水系統(tǒng)安全，高水頭抽水蓄能電站鋼岔管多采用800MPa高強鋼進行拼裝焊接，如何有效控制好高強鋼焊接質量是一個永恒的話題。本文以安徽績溪抽水蓄能電站鋼岔管焊接為例，從影響焊接的因素到現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)鋼岔管焊縫缺陷并分析查找原因的過程，一步步分析、總結高強鋼岔管焊接質量控制措施。

1 工程概述

安徽績溪抽水蓄能電站位于安徽省績溪縣伏嶺鎮(zhèn)境內。電站由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房、地面開關站及下水庫等建筑物組成。輸水系統(tǒng)連接上、下水庫，為3洞6機布置方式。3條引水隧洞壓力鋼管布置情況基本相同，從上游往下游依次分為上平段、上斜段、中平段、下斜段、下平段、引水岔管、支管。地下廠房內安裝6臺單機容量為300MW的混流可逆式水輪發(fā)電機組，總裝機容量為1800MW。

績溪抽水蓄能電站引水鋼岔管采用對稱Y形鋼岔管，主管直徑為4.0m，兩個支管直徑為2.8m，公切半徑為2.2688m，為主管管徑的1.134倍，最大內水壓力1012m水頭，分岔角為70°，采用SX780CF鋼板，主支管壁厚δ=58mm，月牙肋壁厚為126mm，單個鋼岔管重量約40t。岔管下料、卷制、小節(jié)組焊由供貨廠家完成，岔管供貨廠家將岔管瓦片組焊成五大部分（分為主錐和副錐管節(jié)），鋼岔管在現(xiàn)場進行五大部分整體組裝和組焊（環(huán)縫焊接）、水壓試驗及現(xiàn)場安裝。績溪抽水蓄能電站鋼岔管設計壓力高，運行時局部應力大[1]，作為引水系統(tǒng)最重要的部件，其焊接質量的好壞對電站的安全穩(wěn)定運行具有深遠影響。

2 影響鋼岔管焊接質量的因素及采取的措施

本文從“人、機、料、法、環(huán)”等幾種因素進行逐一分析，影響鋼岔管焊接質量的因素如圖1所示。

圖1 因素調查分析Figure 1 Factor investigation and analysis

為了確保鋼岔管的焊接質量，在施工過程中，業(yè)主、監(jiān)理、施工方、金屬試驗檢測方均高度重視，對從事鋼岔管一、二類焊縫焊接的焊工持有的有效合格證書進行了嚴格的資格審查，在開焊前組織了嚴格的鋼岔管高強鋼焊接考核，保證焊接人員滿足現(xiàn)場焊接要求。焊接前對鋼岔管焊接班組進行了技術交底，讓焊工充分了解鋼岔管的焊接特性以及焊接過程中的要點。

施工過程中安排專人在焊接前及焊接結束后對所有設備進行檢查，堅決杜絕設備“帶病”工作?，F(xiàn)場還配備一臺（120kW）柴油發(fā)電機，防止發(fā)生由于設備故障、停電等情況造成焊接過程的中斷而影響到鋼岔管的焊接質量。

在鋼岔管拼裝焊接前，金屬試驗檢測技術人員、監(jiān)理、業(yè)主、鋼岔管制作廠家共同制定現(xiàn)場鋼岔管安裝焊接技術方案和工藝，并對現(xiàn)場可能影響焊接質量的各類條件提出了注意事項和保證措施，對整個焊接工藝和材料進行了嚴格的試驗檢測

首先對施工方的焊接工藝試樣進行了如下試驗[2]：

依據(jù)《焊縫無損檢測 超聲檢測技術、檢測等級和評定》（GB/T 11345—2013）標準對焊縫進行了超聲檢測。

依據(jù)《承壓設備無損檢測》（NB/T 47013—2015）標準對焊縫進行了磁粉檢測。

依據(jù)《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1—2010）、《金屬材料 彎曲試驗方法》（GB/T 232—2010）、《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》（GB/T 229—2007）、《焊接接頭沖擊試驗方法》（GB/T 2650—2008）、《焊接接頭拉伸試驗方法》（GB/T 2651—2008）等標準分別進行拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗、金相分析、硬度檢驗等。

根據(jù)試驗的數(shù)據(jù)和《水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》（DL/T 5017—2007）、《承壓設備焊接工藝評定》（NB/T 47014—2011）等標準進行綜合評定，結果均評定合格。因此鋼岔管焊接工藝是可行的。

根據(jù)已經完成的焊接工藝評定的結果及焊接工藝規(guī)程的要求，鋼岔管制作時的焊材選用如下：SX780CF鋼選用CHE80CF型焊條，直徑φ3.2mm，φ4.0mm。焊條放置于通風、干燥和室溫不低于5℃的專設庫房內。焊材在發(fā)放前均做好焊材的發(fā)放、回收記錄和烘焙記錄。焊條烘焙溫度350℃下保溫2h。焊工領取焊條后及在隨后的施焊過程中，都將焊條放在保溫桶中，做到隨用隨取。

鋼岔管組裝件在進場及拼裝焊接時業(yè)主、監(jiān)理、施工單位和金屬試驗室進行了各項認真細致的驗收工作，為了防止鋼岔管在運輸過程中碰撞產生微裂紋對后續(xù)焊接產生不必要的影響，在焊接前要求金屬試驗室對鋼岔管坡口進行了磁粉探傷，盡可能將缺陷消滅在萌芽時期，將缺陷對后續(xù)焊接質量的影響降到最低。

焊前清理焊縫及焊縫坡口兩側各10～20mm范圍內的氧化皮、鐵銹、熔渣、油污、水跡及其他雜物，并打磨坡口露出金屬光澤；對母材部分的缺陷作徹底打磨處理，并做好記錄。嚴格執(zhí)行開焊令制度，焊接環(huán)境、溫度、濕度、坡口銹蝕等未達到要求，嚴禁開焊。

圖2 焊前清理、焊材烘烤Figure 2 Welding groove cleaning and Welding consumable

鋼岔管焊接預熱溫度控制在120～130℃，并在焊接過程中保持預熱溫度，焊接層間溫度控制在預熱溫度至180℃之間，在預熱和每一層焊接完成都會用紅外線測溫儀進行測溫，嚴格控制溫度，并做好記錄。鋼岔管焊縫開始施焊后連續(xù)焊接完成，若由于各種原因停止施焊，對加熱部位進行保溫直至再次施焊。因停電等原因造成無法施焊，停焊時間不低于48h，經無損檢測確認已焊部位無裂紋等缺陷后，重新按要求進行預熱后繼續(xù)施焊。鋼岔管施焊時，定位焊采用氣體保護焊或者手工電弧焊，焊縫全部采用手工電弧焊進行全位置焊接。每一焊道焊完后及時打磨清理，并采用風鎬進行振動以消除部分焊接應力，檢查合格后繼續(xù)焊接。

焊接完成后在250～300℃溫度條件下，保溫2h后，在焊縫上覆蓋石棉被，讓焊縫緩慢冷卻。

3 焊接過程控制及改進措施

3.1 焊接過程控制

為了有效保證鋼岔管焊接質量，減少或避免在焊接過程中同一位置缺陷的多次返修情況的發(fā)生而造成不必要的損失（同一部分返修次數(shù)不得大于一次）。無損檢測工作對缺陷產生的位置及性質的確認則是返修方案及返修工作的基礎。

績溪抽水蓄能電站鋼岔管使用的鋼板原材料為SX780CF，SX780CF屬于大厚度、高強鋼，該鋼材具有延遲裂紋傾向[3]，所以鋼岔管焊縫無損檢測工作是在焊接完成48h后進行。為了防止延遲裂紋的產生，首先采用磁粉檢測對焊縫表面質量進行評價，然后對于焊縫內部的缺陷采用超聲波和TOFD檢測。

在對內部缺陷檢測過程中發(fā)現(xiàn)缺陷時，先根據(jù)缺陷在超聲儀上顯示的深度、位置和反射波形大概預判缺陷長度和性質，對超聲檢測中發(fā)現(xiàn)的缺陷不能進行精確、準確認定時則輔助采用TOFD檢測評價，通過TOFD檢測缺陷產生的衍射信號，利用分析軟件并結合超聲檢測數(shù)據(jù)得出缺陷比較精準的長度、深度和缺陷自身高度。如果缺陷不符合標準要求，要求金屬檢測人員第一時間出具《缺陷信息反饋單》，把缺陷情況反饋給施工方、監(jiān)理及業(yè)主相關人員。施工方制定返修處理方案報各方審查，并依據(jù)批準的返修方案進行返修處理。

圖3 超聲波檢測和磁粉檢測Figure 3 Ultrasonic testing and Magnetic particle testing

鋼岔管施焊時，為了確保焊接質量，在焊接前制定相應的焊接措施和防范工藝，焊接過程中嚴格按工藝執(zhí)行。無損檢測時對檢測結果時刻保持認真、謹慎的態(tài)度，為了在檢測過程中避免對缺陷的檢測結果產生誤判、錯判，因此在檢測過程中對相關的檢測結果由多位具有相關資質的檢測人員進行確認，對檢測過程中發(fā)現(xiàn)的一切可疑信號檢測人員均要進行細致認真的分析，利用各種檢測方法進行相互驗證，對產生的缺陷準確的判定其存在位置（深度、長度、寬度）及缺陷性質信息，及時有效地提供精確的試驗檢測結果。

在焊接過程中盡量避免和減少焊接缺陷的產生，這是因為返工補焊通常是在拘束度較大的條件下進行的焊接，所以易于產生焊接裂紋；此外，多次返工也會增大焊接殘余應力，使該處遭受熱疲勞，從而導致該處的力學性能、耐蝕性能下降。在多方的努力下，鋼岔管整體的焊接質量得到了很大的提升和保證。

3.2 發(fā)現(xiàn)缺陷及改進措施

鋼岔管悶頭環(huán)縫M3在做超聲檢測時，在鋼岔管側檢測時發(fā)現(xiàn)的超聲波幅高度僅在評定線以下[2]，而在悶頭側檢測時其波幅高度在記錄線以上。為此結合了K1、K1.5、K2的多種角度探頭采用一次波、二次波和雙面雙側進行多方位探測[4]，還對此段焊縫進行了TOFD檢測。最終確認為約1m長條狀缺陷，深度在距表面25mm處的根部區(qū)域，位置在焊縫與悶頭側交界處，根據(jù)超聲檢測波形和TOFD檢測圖像最終判斷此處缺陷是母材與焊縫結合部的根部未熔合和夾渣。

針對此次悶頭出現(xiàn)的焊縫缺陷，各方高度重視，啟動了質量缺陷調查程序，從“人、機、料、法、環(huán)”5個方面分析缺陷產生原因，確定了相應的返修工藝和對策，制定了更為嚴格的焊接作業(yè)質量監(jiān)管措施。

3.2.1 分析缺陷產生的原因

針對此次的質量缺陷，根據(jù)缺陷形成的深度（距表面25mm左右，根部位置）、長度、寬度、位置（超聲檢測發(fā)現(xiàn)缺陷都是在焊縫與悶頭的交界處）及缺陷性質并結合焊接時的各類條件（坡口清理、焊前預熱、焊道溫度、坡口形式、線能量等）初步分析出缺陷產生的原因為：

（1）悶頭供貨時未開剖口，而鋼岔管側開了X形剖口，這樣與鋼岔管焊接時形成K形的焊接剖口。在對接過程中一側根部焊接完成后，進行碳弧氣刨清根時沒有將表面的滲碳層磨除干凈，焊接時形成了夾渣。殘留的滲碳層在焊接質量中具有較大的危害性，即殘留的滲碳層在隨后的焊接過程中，在焊縫的熔合線上形成脆硬的高碳馬氏體組織，易導致熔合線開裂，嚴重時會使開裂延伸并影響到母材的質量。

（2）磨光機在進行根部清理時向鋼岔管側傾斜過大，導致在悶頭側根部形成一條較深的凹槽，焊接過程中焊條擺動時不能覆蓋到凹槽處，導致焊縫存在未熔合的現(xiàn)象。

（3）焊工對此焊縫重視程度不夠，質量意識不強。他們可能會認為悶頭焊縫打壓結束會割掉，認為此焊縫無關緊要，只需焊接完成就行，以至于采用氣刨清理根部時的寬度局部不夠，磨光機打磨清理時可能也不是很認真。

幾方根據(jù)檢測出的焊接缺陷信息進行了質量分析，通過幾方的溝通交流與分析，并在最后返修時重新刨開焊縫后，發(fā)現(xiàn)存在的缺陷性質與檢測人員預判情形十分吻合。

3.2.2 防范對策

從無損檢測人員對鋼岔管悶頭進行超聲檢測中發(fā)現(xiàn)缺陷，到各方共同對此次問題進行深入分析，再到拿出可行有效的改進措施，使得大家對鋼岔管的焊接有了一個新的認識，并對現(xiàn)場鋼岔管大壁厚、高強度鋼的焊接檢測工作有了一個新的認識與改進。

舉一反三，對剩下的兩個悶頭環(huán)縫的焊接有了一個前車之鑒。由于之前焊縫是K形剖口，不利于焊接，為此在焊接過程中讓焊工清根時用碳弧氣刨做出一個適合焊接的剖面。焊縫每一層每一道焊接完成后焊工首先自檢，碳弧氣刨清根后，將滲碳層用磨光機清除干凈，露出金屬光澤，然后葛洲壩技術人員進行外觀復驗，上報監(jiān)理工程師，待監(jiān)理工程師檢查確認后進行施焊。代號為M1、M2的兩個悶頭的焊接嚴格執(zhí)行上述要求，經檢測，一次合格率100%。

圖4 焊縫一次合格率Figure 4 Weld seam pass rate

3.3 鋼岔管主體焊縫合格率

對于鋼岔管主體焊縫，現(xiàn)場的每一個人員都加倍重視，嚴格遵守焊接工藝和規(guī)范的要求。

過程中對鋼岔管主體焊縫分別進行了磁粉、超聲、TOFD檢測，其中磁粉和超聲檢測比例為100%，TOFD檢測比例為40%。檢測結果如表1所示。

表1 焊縫檢測結果Table 1 Weld test result

從表1可以看出，鋼岔管的焊接質量較好，一次合格率已經超過了預期值。

3.4 鋼岔管水壓試驗

在鋼岔管水壓試驗之前，為了保證鋼岔管打壓的順利進行，防止任何安全隱患的存在，又對現(xiàn)場打壓管路上及鋼岔管上附屬小管路的焊接接頭進行了滲透檢測，檢測結果都合格。后續(xù)對鋼岔管進行水壓試驗，試驗內容包括焊接殘余應力測試、應力測試、變形測試、水量—壓力曲線測試、水溫測試、聲發(fā)射技術安全監(jiān)測。[5]經過試驗，鋼岔管焊縫未發(fā)現(xiàn)泄漏或滲水現(xiàn)象，試驗過程中未發(fā)現(xiàn)任何異常情況，鋼岔管水壓試驗取得圓滿成功。

鋼岔管水壓試驗完成后，檢測人員又對鋼岔管所有焊縫進行了超聲檢測，并與水壓試驗前所作的超聲檢測結果進行了比對，未發(fā)現(xiàn)新生缺陷及原有未超標的記錄缺陷由于水壓試驗時的應力作用而產生的延展現(xiàn)象。

4 結束語

鋼岔管作為電站引水系統(tǒng)關鍵設備，其焊接質量必須高度重視。通過對“人、機、料、法、環(huán)”等因素的嚴格控制，以及金屬試驗檢測單位的無損檢測，績溪抽水蓄能電站鋼岔管焊接質量控制較好，焊縫質量超過了預期值。尤其要說的是，金屬試驗檢測“第三只眼”作用，通過第三方金屬試驗室的“火眼金睛”，現(xiàn)場減少了焊縫返修工程量，節(jié)省了鋼岔管制造工期，保證了鋼岔管結構強度滿足設計要求，確保了鋼岔管安全穩(wěn)定運行。