趙 強，李凌飛，曹佳麗，李 寧

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟研究院，北京市 100161；2.吉林敦化抽水蓄能有限責任公司，吉林省敦化市 133700）

0 引言

隨著水電與抽水蓄能行業(yè)的快速發(fā)展，裝機容量不斷增加，發(fā)電機組設計水頭不斷提高，對水電站壓力鋼管所使用的高強度鋼板的強度、韌性、可焊性等方面均提出了更高的要求，高強度鋼板逐步成為目前大型水電站和抽水蓄能電站的首選鋼板。大多數(shù)抽水蓄能電站，因為HD值較高，為了減小鋼管、蝸殼、岔管的壁厚，降低施工和焊接的難度，采用800MPa級的水電用鋼，十三陵抽水蓄能電站開始使用日本進口的800MPa級別鋼板，從2008年起，河南寶泉抽水蓄能電站逐步開始使用由舞陽國產(chǎn)的800MPa級別鋼板，目前在建的抽水蓄能電站基本均已采用國產(chǎn)800MPa級鋼板。

國產(chǎn)800MPa級鋼板標準牌號為按照YB/T 4137—2013《低焊接裂紋敏感性高強度鋼板》生產(chǎn)，牌號為Q690CF，對于不同質(zhì)量等級的鋼板，分別后綴C、D、E。國內(nèi)各個鋼廠開發(fā)時也沿用高純凈度、低碳微合金化、控軋控冷的方式，保證鋼材的高強、高韌及焊接低裂紋敏感性。

從合金成分可以看出，同600MPa級鋼板相比，800MPa級別鋼板合金元素的含量上限均提高，焊接性能進一步惡化。壓力鋼管的焊接條件尤其是工地焊縫的焊接受環(huán)境和焊縫組對等因素制約較多，為了降低焊接難度，目前的壓力鋼管安裝焊縫均采用雙面焊接，但需在管道外側(cè)留出焊接施工的空間[1-2]。如采用單面焊，在管道的內(nèi)側(cè)開坡口并焊接成型，避免了在管道外側(cè)進行焊接，減少了鋼管外壁焊接的操作空間需求，洞室的開挖量和回填混凝土量減少；采用單面焊也可以避免雙面焊時的背部清根，減少焊接工作量，提高效率。

1 單面焊雙面成型工藝試驗

對于管道類的環(huán)焊縫，一般均采用單面焊雙面成型技術(shù)，在焊件坡口的背面沒有任何保護措施的條件下，只在坡口的正面進行施焊，而保證焊接后坡口的正面和反面都能得到均勻美觀、成型良好而且表面和內(nèi)在的質(zhì)量均符合要求的焊縫[3]。形成熔孔使得接頭熔透是單面焊雙面成型的關(guān)鍵，如果不出現(xiàn)熔孔或者熔孔過小，則可能產(chǎn)生根部未熔合或未焊透、背面成型不良等缺陷；若熔孔過大，則會使得背面焊道余高過高或產(chǎn)生焊瘤。所以背面焊縫的質(zhì)量是由熔孔的尺寸大小、形狀及其移動的均勻程度所決定的。要控制熔孔的形狀和尺寸，必須嚴格控制根部間隙、焊條直徑、焊接電流、焊條角度、運條方法與焊接速度等。

從焊接技術(shù)的角度講，單面焊雙面成型焊接技術(shù)并不是新的技術(shù)，焊接量非常大的火力發(fā)電廠的汽水管道焊接以及西氣東輸油氣管道焊接均采用單面焊雙面成型焊接技術(shù)。上述管道的焊接坡口一般采用ASME B16.25《對焊端》（ASME B16.25《Buttwelding Ends》）中的坡口形式，如圖1所示。坡口機加工時根據(jù)最小接管壁厚過渡至內(nèi)壁和外壁，坡口根部的加工偏差很小，對于單面焊雙面成型實施起來難度相對較小，目前國內(nèi)大口徑油氣管道安裝時采用的STT與RMD根焊技術(shù)，可以實現(xiàn)自動焊[4-5]。

圖1 管道焊接坡口圖Figure 1 The drawing of pipe welding groove

與上述管道焊接特點不同的是，抽水蓄能電站壓力鋼管的管徑相對較大，管壁相對較薄，且鋼管是卷制成型，坡口是在鋼管卷制之前采用火焰切割加修磨方式成型的，使得抽水蓄能電站壓力鋼管的圓度、管徑以及坡口加工精度都很難滿足單面焊的要求。

從某種意義上講，單面焊研究實質(zhì)上就是試驗研究打底焊道[6]。打底焊道焊接時若采用連弧焊，為防燒穿，則電流必須要小，焊接電流過小不僅引弧困難，而且電弧也不穩(wěn)定，會造成未焊透和夾渣等缺陷，焊接完成后即使無損檢測合格，因熔合不好，背彎試驗難以合格；若是斷弧焊，雖能熔合得好，也能避免燒穿，但因熔池保護不良，沖擊性能難合格。手工焊條電弧打底焊接時要求電弧集中，需采用專用的打底焊條，專用的打底焊條具有良好的抗裂性能和抗氣孔能力，在狹窄的坡口中仍具有良好的脫渣性和單面焊雙面成型的性能。但是專用的打底焊條一般都氫含量較高，容易引起裂紋。目前應用的壓力鋼管焊條都是低氫型焊條，具有良好的抗裂性能和綜合力學性能，但其電弧吹力較小，脫渣性能較差，容易形成焊瘤、咬邊等缺陷，是否適合打底焊接需要進行試驗驗證。對于打底焊道的焊材，如果成型不合格，可以降低強度級別選用，依次選用焊條J807RH、J757Ni、J757RH、J707RH、J607RH。成型合格后，則不再試驗強度級別更低的焊條。

利用厚度為46mm的800MPa級鋼板開展試驗，牌號為WSD690E，鋼板材料化學成分見表1。采用同強度匹配的焊條進行填充焊，主要包括下列試驗內(nèi)容：焊接坡口及預熱溫度確定；打底焊道成型試驗；對口間隙范圍試驗；坡口錯邊打底焊接試驗；焊接熱輸入試驗等。

表1 材料的化學成分Table 1 The chemical constitution of the material

1.1 坡口形式和預熱溫度的確定

采用60°單V形坡口，試板尺寸及坡口形式見圖2。預熱溫度參考其他焊接試驗結(jié)果以及工程實踐經(jīng)驗確定為不低于80℃。

圖2 試板尺寸及坡口型式Figure 2 The size of test panel and groove type

1.2 打底焊道成型試驗

取800MPa級鋼板試板，采用平、立、仰三個位置，利用J807RH焊條進行打底焊道成型試驗，其中平焊和立焊試驗焊縫的外觀可以完全滿足標準要求，仰焊由于重力原因，存在輕微的未焊滿，但基本上可以滿足工程需要。試驗結(jié)果表明，J807RH焊條能滿足等強度試驗鋼板打底焊接的要求，經(jīng)過探索性試驗，得到適用的焊接參數(shù)，見表2。

表2 打底成型工藝參數(shù)Table 2 The technological parameters of backing welding

1.3 對口間隙范圍試驗

對于壓力鋼管安裝時，環(huán)焊縫間的對口間隙大小是影響焊接成型的重要因素，合適的對口間隙能保證焊條送到根部，根部熔透后在背面成型，如果對口間隙過小，根部無法熔透，容易形成未焊透，對口間隙過大，根部容易焊穿。對于大口徑以及壁厚相對較小的壓力鋼管，整個鋼管的圓周范圍內(nèi)的對口間隙很難保持一致。需要進行不同對口間隙的焊接成型試驗，確定合適的對口間隙。坡口間隙焊接試驗各種參數(shù)見表3。

表3 坡口間隙焊接試驗參數(shù)Table 3 The technological parameters of weld test for groove gap

試驗結(jié)果表明，試板的外觀和磁粉檢測均合格。根據(jù)試驗結(jié)果，平焊位置坡口間隙3～4mm有利于保證根部成型，立焊位置坡口間隙3.5～4.5mm有利于保證根部成型，仰焊位置坡口間隙5.0～5.5mm有利于保證根部成型。

1.4 坡口錯邊打底焊接試驗

焊接時，坡口在徑向的偏差稱為錯邊量，錯邊量過大會引起根部的成型，壓力鋼管安裝過程中，在對口過程中很難保證不錯邊，整個鋼管的圓周范圍內(nèi)的錯邊量也不一致，因此，有必要針對錯邊量的偏差開展試驗。由于GB 50766—2012《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗收規(guī)范》允許坡口最大錯邊量為1mm，試驗坡口錯邊量也采用1mm，焊接試驗規(guī)范參數(shù)見表4。

表4 坡口錯邊焊接試驗規(guī)范參數(shù)Table 4 The technological parameters of weld test for groove misalignment

坡口錯邊試驗結(jié)果表明，選用合適的坡口間隙（平、立、仰分別選用3mm、4mm、5mm），在錯邊1mm的情況下，焊縫外觀和無損檢測滿足標準要求。

1.5 焊接熱輸入試驗

根據(jù)對口間隙和坡口錯邊的試驗結(jié)果，確定試板間隙為4mm，單V形60°坡口，焊接位置為立向上焊，選定三種焊接熱輸入進行打底焊成型試驗。試板的焊接熱輸入定為12kJ/cm、22kJ/cm、32kJ/cm。為了驗證焊接試板的力學性能，參照焊接工藝評定的要求取樣進行力學性能試驗，力學性能試驗見表5～表8。

表5 焊接熱輸入試板拉伸試驗結(jié)果Table 5 The tensile test results of welding input experiment

表6 焊接熱輸入試板沖擊試驗結(jié)果Table 6 The impact test results of welding input experiment

表7 焊接熱輸入試板彎曲試驗結(jié)果Table 7 The bending test results of welding input experiment

表8 熱輸入試板硬度測試結(jié)果（HV10）Table 8 The hardness test results of welding input experiment（HV10）

不同熱輸入焊接試板力學性能試驗結(jié)果表明，采用不同熱輸入的焊縫和熱影響區(qū)的沖擊試驗和硬度試驗結(jié)果滿足要求，當焊接輸入偏大時，拉伸試驗結(jié)果和彎曲試驗結(jié)果出現(xiàn)不合格的現(xiàn)象。800MPa鋼板采用單面焊時，需控制焊接熱輸入。

2 單面焊焊接工藝評定

根據(jù)單面焊雙面成型工藝試驗結(jié)果，確定了對口間隙、錯邊量、熱輸入等參數(shù)，按照GB 50766—2012《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗收規(guī)范》中5.3的規(guī)定進行采用立向上焊單面焊焊接工藝評定，由于實際操作中仰焊的焊接難度相對較大，焊接工藝評定中增加了仰焊位置的評定，焊接工藝評定參數(shù)見表9。焊縫外觀均滿足標準要求。焊接試板經(jīng)磁粉探傷和超聲波探傷，除個別超標缺陷外，基本滿足標準要求。力學試驗的項目有拉伸、彎曲、沖擊、硬度試驗，試驗結(jié)果均合格。

焊接工藝評定的結(jié)果表明，引水系統(tǒng)壓力鋼管材料為800MPa級及以下強度的壓力鋼管采用單面焊是可行的。

3 其他

在壓力鋼管安裝施工時，目前采用的雙面焊接的一個特點是洞室開挖時除了在管道外側(cè)考慮回填混凝土的施工空間，還需留出焊接施工空間，一般至少需要空間600～800mm。如果采用單面焊，最大的優(yōu)點是由于在管道內(nèi)側(cè)焊接，避免了在管道外側(cè)進行焊接，除了必需的混凝土施工的空間，焊工的操作工空間可以適當減少，洞室的開挖量和回填混凝土量減少，采用單面焊也可以避免雙面焊時的背部清根，減少了一定的工作量。壓力鋼管采用單面焊，可減少洞室的開挖量和回填混凝土量，按照目前的市場價格估算，單個抽水蓄能電站可減少開挖費用回填混凝土費用均在千萬元以上。

從焊接角度來講，抽水蓄能電站壓力鋼管800MPa級及以下鋼板是可行的，焊接過程中需嚴格控制對口間隙、錯變量以及熱輸入量等參數(shù)，尤其是打底焊道的成型過程。單面焊的應用對壓力鋼管卷制及對口組裝過程中的壓力鋼管的坡口加工、整圓和對口提出了更高的要求。此外，以壁厚為50mm的鋼管為例計算，V形坡口的截面積比雙面焊開不對稱X形坡口截面積大1倍以上，單面焊比雙面焊的焊接填充量大。這些都是水電施工單位在推動單面焊方面不是很積極的原因。

日本住友鋼鐵公司在20世紀90年代開發(fā)出了1000MPa級鋼板SMISUM950鋼，并且在日本國內(nèi)的水電站上得到了應用，且800MPa級壓力鋼管的單面焊已經(jīng)實現(xiàn)了規(guī)?；惭b。當應用自動焊時，單面一次成型在效率方面有著極大的優(yōu)勢。隨著我國水電安裝行業(yè)能力的不斷提升，且800MPa級壓力鋼管單面焊安裝的前景也比較廣闊。

4 結(jié)論

（1）通過800MPa級鋼板的對口間隙、錯變量以及熱輸入量等系列試驗及焊接工藝評定，引水系統(tǒng)壓力鋼管材料為800MPa級及以下強度的壓力鋼管采用單面焊是可行的。

（2）目前制約壓力鋼管單面焊推廣的因素主要是單面焊對鋼管的圓度、坡口和對口質(zhì)量等要求較目前的雙面焊更為嚴格，需推進相關(guān)方面的提升。