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）

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(jī)效角度上，簡(jiǎn)要地介紹了境外工程制造廠房的選址，在工藝制作上，對(duì)壓力鋼管制造難度最大的岔管的卷制工藝及水壓試驗(yàn)進(jìn)行了剖析，同時(shí)對(duì)Q 460C這種非常用的低合金高強(qiáng)鋼板材的焊接工藝作了針對(duì)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(lái)承接的第二個(gè)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(jìn)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(jì)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(zhǎng)度1820m；設(shè)計(jì)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(zhǎng)度為28.2m×2。鋼管主材為Q 460C鋼板，管線(xiàn)鋼板厚為15mm～50mm，岔管月牙肋板厚100mm。包括加強(qiáng)環(huán)、灌漿孔堵頭等，整個(gè)壓力鋼管設(shè)計(jì)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(yàn)，將每節(jié)鋼管均分為三片瓦片，在國(guó)內(nèi)卷制成弧，采用托架包裝運(yùn)輸至緬甸工地現(xiàn)場(chǎng)的簡(jiǎn)易廠房?jī)?nèi)，再組對(duì)成圓。將兩工程進(jìn)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(gè)瓦片后，瓦片弧長(zhǎng)接近5.8m，同時(shí)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(zhǎng)不足7m，同時(shí)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(jìn)行調(diào)圓的難度大。所以，不能將鋼管在國(guó)內(nèi)制成半成品發(fā)運(yùn)至工地現(xiàn)場(chǎng)。

壓力鋼管為卷板成圓，如果采用成品鋼管運(yùn)輸，因?yàn)殇摴芩伎臻g體積較大，或者說(shuō)占船倉(cāng)位多，這將會(huì)發(fā)生較大的運(yùn)輸費(fèi)用。運(yùn)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(guó)內(nèi)進(jìn)行。國(guó)內(nèi)廠房負(fù)責(zé)按要求尺寸下料，將合格的料板層疊運(yùn)輸出境。生產(chǎn)的全流線(xiàn)工序?yàn)椋?/p>

國(guó)內(nèi)原材料采購(gòu)→國(guó)內(nèi)廠房按整管節(jié)尺寸下料、開(kāi)坡口→除銹處理及底漆的涂涮→料板層疊在平架上→國(guó)內(nèi)廠房運(yùn)輸?shù)酱a頭→海路運(yùn)輸→巴基斯坦碼頭清關(guān)并運(yùn)輸至工地現(xiàn)場(chǎng)→在巴國(guó)臨時(shí)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(yùn)→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(gè)制造施工中難度最大的一環(huán)，岔管外形見(jiàn)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(guò)渡節(jié)，為錐管形式，亦作為岔管結(jié)構(gòu)的組成部分。整個(gè)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(gè)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(jiàn)圖2、圖3。

1.2.2 放樣

其實(shí)岔管每節(jié)的組成是由錐管在某位置沿某一方向進(jìn)行一截面的切割構(gòu)成，在通過(guò)電腦放樣后，需將各輪廓線(xiàn)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(jìn)行鋼板放樣劃線(xiàn)，同時(shí)須要求放樣人員在作業(yè)過(guò)程中（至少）將經(jīng)過(guò)料板輪廓線(xiàn)中的最高點(diǎn)、最低點(diǎn)或者弧線(xiàn)中心點(diǎn)的母線(xiàn)劃出，作為卷制過(guò)程中的基準(zhǔn)母線(xiàn)，如圖2、圖3中的基準(zhǔn)母線(xiàn)，當(dāng)然，基準(zhǔn)母線(xiàn)的數(shù)量越多，在卷制過(guò)程中就越方便進(jìn)行弧度的檢查，但也不可造成基準(zhǔn)母線(xiàn)密密麻麻，導(dǎo)致卷板作業(yè)人員迷惑。

1.2.3 切割

因?yàn)榘宀牡暮穸却?，同時(shí)焊接要求高，在劃線(xiàn)完成后不能直接人工直接切割，應(yīng)采用半自動(dòng)或數(shù)控設(shè)備進(jìn)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(yàn)決定。

1.2.4 卷板

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

目前國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)廠家使用的卷板機(jī)采用的卷板機(jī)為三輥、五輥，但在輥筒端頭并沒(méi)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(jī)，或者自制限位轉(zhuǎn)軸。在卷制錐管時(shí)，將料板圓弧輪廓線(xiàn)緊貼限位轉(zhuǎn)軸，（如圖2、圖3中料板的下方圓弧輪廓線(xiàn)），上輥軸的投影與基準(zhǔn)母線(xiàn)重合。在保證下輥?zhàn)降那疤嵯?，再進(jìn)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(jī)的實(shí)際工況而定。在本岔管的卷制過(guò)程中，因?yàn)榱习搴穸却?，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(jìn)行一次上輥軸傾斜角度的調(diào)整。因?yàn)槿绻陷佪S的傾斜角度一次調(diào)整過(guò)大，使每遍卷制的曲率半徑大，在卷制過(guò)程中的弧度難以控制，容易造成料板報(bào)廢，其次，需要考慮到卷板的工況性能，負(fù)荷過(guò)大也會(huì)使卷板機(jī)出現(xiàn)報(bào)警暫停作業(yè)的事故。同時(shí)，卷制時(shí)需要注意的是對(duì)母線(xiàn)的跟蹤，確保進(jìn)板時(shí)，各母線(xiàn)與上輥軸的下沿線(xiàn)重合，只有這樣才能使每節(jié)岔管的錐度符合設(shè)計(jì)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(guò)千斤頂人工進(jìn)行調(diào)整，最后移出岔管進(jìn)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(jìn)卷板上進(jìn)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(xiàn)與上輥軸下沿線(xiàn)重合，以保證圓度。

1.2.6 岔管的組裝

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

1.2.7 焊接

完成岔管的對(duì)裝后，進(jìn)行岔管各對(duì)接口的連接，偶數(shù)焊工采用分步對(duì)稱(chēng)的方法進(jìn)行焊接，其實(shí)岔管鋼板厚度大，約束多，只要跳焊牢固，一會(huì)來(lái)說(shuō)，不會(huì)引起焊接變形。但涉及到焊接質(zhì)量，岔管所有對(duì)接焊縫均為一類(lèi)焊縫，跳焊作業(yè)時(shí)沒(méi)有對(duì)岔管進(jìn)行預(yù)熱，并且焊接工藝也不能達(dá)到要求，所以對(duì)岔管的對(duì)接焊縫背面進(jìn)行清根時(shí)，應(yīng)該將原跳焊位置的敷熔金屬刨掉，再進(jìn)行背縫的焊接。

1.3 岔管的水壓試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，壓力鋼管岔管在制造完成后，應(yīng)在工廠內(nèi)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，壓力值為最大運(yùn)行水位的1.3倍，而電站的設(shè)計(jì)最大毛水頭為687.0m，所以水壓試驗(yàn)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(yàn)

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

岔管的試驗(yàn)水溫不低于5℃。本岔管水壓試驗(yàn)的壓力值分為 1.8MPa、3.0MPa、4.2MPa、5.4MPa、6.6MPa、7.8MPa、8.9MPa等7個(gè)階段。加壓試驗(yàn)按照以下步驟進(jìn)行：

⑴試壓泵開(kāi)始向岔管注水，水滿(mǎn)后，穩(wěn)定24h，進(jìn)行應(yīng)變量初始值的測(cè)量及變位零值的調(diào)整；

⑵開(kāi)機(jī)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(shí)，穩(wěn)定60min，對(duì)各焊縫及試壓系統(tǒng)各連接處進(jìn)行檢查，是否有泄漏降壓現(xiàn)象，確認(rèn)無(wú)異常情況下，進(jìn)行應(yīng)變測(cè)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(shí)，并且每階段穩(wěn)壓60min，對(duì)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(wú)異常后，進(jìn)行應(yīng)變測(cè)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(gè)壓力值，每壓力值穩(wěn)壓30min，分別測(cè)量應(yīng)變量等。并且在壓力值為7.8MPa時(shí)用0.5～1.0kg小錘在焊縫兩側(cè)各15～20mm處輕輕敲擊，并進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量及變位值的記錄；

⑸最后到管內(nèi)壓力值為零時(shí)，再次測(cè)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(shí)支撐等，清除焊疤；

⑺對(duì)各對(duì)接焊縫進(jìn)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(lái)金屬結(jié)構(gòu)的制安施工中未遇過(guò)的鋼材，是新型材料。該材質(zhì)在國(guó)內(nèi)各類(lèi)工程中比較少見(jiàn)，使用量最大的也是使該材質(zhì)真正面向世界工程市場(chǎng)的是北京體育館—“鳥(niǎo)巢”?！傍B(niǎo)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(hào)相同，等級(jí)不同。

阿萊瓦工程壓力鋼管的設(shè)計(jì)毛水頭為687.0m，鋼管承受壓力為6.87MPa，如果計(jì)算上1.3倍的安全系數(shù)，鋼管承受的試驗(yàn)壓力將達(dá)到9.0MPa，相當(dāng)于90kg/cm2的水壓力，水壓之大在國(guó)內(nèi)水利工程中尚屬罕見(jiàn)。作為貫穿整個(gè)工程決定結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)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(guò)，也令同行矚目。目前，在國(guó)內(nèi)，Q 460～C鋼材的焊接工藝尚未成熟，或者因?yàn)楹附有袃?nèi)技術(shù)保密的原因，在各種論文或?qū)？瘜?duì)Q460～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(shí)加入一些合金元素 Mn、Si、Ni、Ti、V、Nb 等，Mn、Si提高了鋼的強(qiáng)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(shí)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(shí)需要較小的線(xiàn)能量。焊接線(xiàn)能量過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)性能降低。

目前國(guó)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(hù)焊及埋弧自動(dòng)焊三種，我公司在阿萊瓦工程項(xiàng)目部的金結(jié)施工涉及到制造與安裝，出于進(jìn)度與質(zhì)量的考慮，根據(jù)三種電焊的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，并在成本考慮的前提下，決定該項(xiàng)目的施工結(jié)合三種電焊形式對(duì)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(jìn)度與工程質(zhì)量。我們?cè)谥圃焓┕ぶ?，根?jù)施工場(chǎng)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(dòng)焊為主，因?yàn)樵趶S房?jī)?nèi)具備較好的施焊條件，壓力鋼管的焊縫基本為直線(xiàn)型焊縫，容易操作埋弧自動(dòng)焊，埋弧自動(dòng)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(qiáng)度小，（環(huán)縫采用滾焊臺(tái)車(chē)使鋼管轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行施焊）。在埋弧自動(dòng)焊不能施焊的位置，我們輔助使用氣體保護(hù)焊及手工電弧焊的兩種焊接工藝。例如使用氣體保護(hù)焊對(duì)鋼管的縱縫、橫縫進(jìn)行打底焊接，使用手工電弧焊進(jìn)行焊補(bǔ)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(duì)三種焊接工藝均進(jìn)行相應(yīng)的工藝評(píng)定，并且該焊接工藝評(píng)定是在模擬在巴國(guó)的施工條件下進(jìn)行，能夠適用于大規(guī)模的焊接施工。在混合氣體保護(hù)焊的氣體選用上，經(jīng)過(guò)CO2、Ar2及混合氣體三種氣體對(duì)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(hù)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(jìn)行對(duì)接焊縫的焊接工藝評(píng)定，分別為δ16mm、及δ30mm。工藝評(píng)定采用了手工電弧焊、混合氣體保護(hù)焊及埋弧自動(dòng)焊三種焊接方法，分別進(jìn)行了仰焊和立焊兩種焊接形式，其中埋弧自動(dòng)焊為平焊形式。在試板施焊前，按規(guī)范要求，對(duì)坡口進(jìn)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(duì)母材進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度80～100℃。施焊過(guò)程中，注意控制焊接時(shí)間，清渣間歇時(shí)間，以免引起焊縫溫度過(guò)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(cuò)開(kāi)，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(jìn)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。

?

?

?

3 結(jié)語(yǔ)

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(chǎng)搭建臨時(shí)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(gè)環(huán)節(jié)。在制造過(guò)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(guó)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(qǐng)Q 460鋼板焊接焊工考核的單位，在進(jìn)行該材質(zhì)的焊接工藝評(píng)定時(shí)，采用小的線(xiàn)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(píng)定小組的充分認(rèn)可。

TV732.4+1

B

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。