探討工程壓力鋼管的焊接工藝

羅 忠，陳 芳

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410000）

水利水電工程是中國重要的基礎(chǔ)設(shè)施和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是通過在水上建造建筑物從而使水能聚集，然后利用引水發(fā)電建筑物將水的勢能轉(zhuǎn)變?yōu)樗啓C(jī)的動能、進(jìn)而通過電磁感應(yīng)原理轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿纫幌盗写笮屯聊竟こ痰慕y(tǒng)稱。其中，水利水電工程運(yùn)行中水的引導(dǎo)、輸送由輸水建筑物負(fù)責(zé)，由于長期承受壓力水流的沖蝕破壞，運(yùn)行工況差，因而對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量等都提出了更高的要求。

近年來，我國水利水電壓力管道發(fā)展迅猛的新結(jié)構(gòu)形式為鋼襯鋼筋混凝土管道，目前已成為高水頭、高流速水利水電項(xiàng)目輸水建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選。而鋼襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的重要組成部分壓力鋼管，也迅速成為工程建設(shè)者關(guān)注的對象，它擔(dān)負(fù)著水利水電工程進(jìn)水口和水輪機(jī)渦殼或球閥的連接作用，對進(jìn)水口的水有引導(dǎo)作用，讓它們流向渦殼或球閥，借助水的動力讓水輪機(jī)轉(zhuǎn)動。隨著我國水利水電事業(yè)的發(fā)展，高山峽谷地區(qū)、高水頭、大型、超大型水利水電工程日益增多，而內(nèi)水給壓力鋼管帶來的壓力也越來越大，而且水流常常不穩(wěn)定，一旦有質(zhì)量問題出現(xiàn)，就勢必帶來非常嚴(yán)重的后果，因此，對壓力鋼管的管徑、厚度、材質(zhì)強(qiáng)度、制作強(qiáng)度、制作難度以及它焊縫的塑、韌性和強(qiáng)度等要求也在逐漸加大。故而，通常根據(jù)壓力鋼管承受內(nèi)水壓的特點(diǎn)和所在地的氣溫條件，然后選用相應(yīng)的材料和焊接技術(shù)焊制壓力鋼管[1]。

1 壓力鋼管焊接的特點(diǎn)

在水電水利設(shè)置建設(shè)中，隨著高參數(shù)、大容量機(jī)組的普遍使用，壓力管道也相應(yīng)的在升級，結(jié)構(gòu)尺寸龐大，使用鋼材可達(dá)數(shù)百噸乃至數(shù)千噸[2]。就黃河小浪底水利樞紐工程來說，直徑7.8m的壓力鋼管共有6根，每根鋼管的中心線平均長度為189.31m，達(dá)1135.87m的總長度，鋼管采用美國ASME標(biāo)準(zhǔn)的A517和A537材料，其中A517板厚為32mm和34mm 2種，A537板厚為20mm、22mm、24mm、28mm、30mm、32mm 6種。根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以看出，這是一個(gè)非常巨大且復(fù)雜的工程。

綜上所述，大型水利水電工程的壓力鋼管因?yàn)橹圃旃こ塘糠浅＞薮螅蚨S是不可能制造為成品，然后在運(yùn)到施工現(xiàn)場，大多時(shí)候都是在施工現(xiàn)場根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行下料、卷板、縱縫焊接等各方面工序。鋼管縱縫焊接采用手工電弧焊或全自動氣體保護(hù)焊完成，必要時(shí)也可設(shè)置專門的縱縫滾焊臺車，在水平狀態(tài)下完成縱縫焊接。然后將做好的管節(jié)運(yùn)輸?shù)桨惭b位置，固定在基礎(chǔ)支墩上，接著進(jìn)行環(huán)縫焊接。從這些復(fù)雜而又精細(xì)的工序中可以看出，水利水電工程壓力鋼管的焊接特點(diǎn)與制造廠內(nèi)的焊接生產(chǎn)是有區(qū)別的。此外，由于壓力鋼管是在現(xiàn)場焊接，所以焊接質(zhì)量不可避免的就會受到施工環(huán)境差，焊接位置復(fù)雜多變，作業(yè)條件惡劣，對口質(zhì)量參差等諸多因素的影響。同時(shí)，焊接工作的另一困難就是現(xiàn)場勞動條件差、勞動強(qiáng)度高[2]。

2 國內(nèi)外水利水電工程壓力鋼管焊接工藝的現(xiàn)狀

2.1 目前國內(nèi)水利水電工程壓力鋼管焊接技術(shù)現(xiàn)狀大致如下

手工焊基本在焊接工程中占主導(dǎo)地位，這也是造成作業(yè)條件差、焊接生產(chǎn)率低、生產(chǎn)成本高、勞動強(qiáng)度大的主要因素；手工電弧焊和埋弧焊技術(shù)是鋼管縱縫焊接大多采用的焊接技術(shù)，然而，埋弧焊技術(shù)的應(yīng)用在一些直徑較大的鋼管上非常受限制；進(jìn)行環(huán)縫焊接時(shí)，幾乎全部采用手工電弧焊技術(shù)完成。只有少數(shù)水利水電工程采用國外先進(jìn)的半自動焊接工藝技術(shù)，但仍然存在一些問題。

2.2 國外水利水電工程壓力鋼管的焊接工藝狀況

為了縮短工期，降低成本，國外壓力鋼管焊接基本上采用高效率焊接方法。埋弧焊技術(shù)是被廣泛采用的，也經(jīng)常使用半自動或自動立焊技術(shù)以及藥芯焊絲電弧焊方法。在環(huán)縫焊接中，手工電弧焊仍然是主導(dǎo)，然而對環(huán)縫焊接的自動化焊接技術(shù)的開發(fā)研究從未間斷過。比如日本在很多水利水電工程中使用過熔化極氫弧焊全位置自動焊接技術(shù)，但此技術(shù)也只適合于直徑比較小的鋼管，大直徑鋼管的焊接技術(shù)仍處于研究狀態(tài)。這樣，大直徑厚壁壓力鋼管因其開發(fā)應(yīng)用難度較大，而尚未采用自動化的全位置焊接技術(shù)[3]。

3 壓力鋼管自動焊技術(shù)

水利水電建設(shè)在高速發(fā)展，其機(jī)組參數(shù)也在不斷增大，為了適應(yīng)施工生產(chǎn)的需要，焊接大直徑厚壁壓力鋼管必須采用比較先進(jìn)的全位置自動化焊接技術(shù)。但全位置自動化焊接技術(shù)在大直徑厚壁壓力鋼管焊接施工中應(yīng)用還有一定困難，通過分析，吸取國內(nèi)外同類焊機(jī)的成功經(jīng)驗(yàn)，全位置自動焊機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。該焊機(jī)具有焊矩?cái)[幅自適應(yīng)坡口寬度和自動跟蹤功能，焊機(jī)穩(wěn)定可靠，整體設(shè)計(jì)合理，機(jī)構(gòu)緊湊輕便，在我國一些水利水電工程壓力鋼管焊接施工中得以成功應(yīng)用。

該焊機(jī)不僅要讓焊接小車沿焊縫自動行走，讓焊絲自動輸送、調(diào)整、擺動及對中等機(jī)電控制，還要解決焊絲的熔滴過渡形式，從而讓全位置焊接的焊縫成型質(zhì)量得到保證，還可以對各種位置的焊接規(guī)范自動調(diào)整。但是受到現(xiàn)場拼裝的焊縫對裝質(zhì)量差、施工環(huán)境惡劣等因素的影響，自動化焊接技術(shù)還較難實(shí)現(xiàn)。

4 我國一些水電站壓力鋼管的焊接工藝

4.1 廣州市西江引水工程中的壓力鋼管焊接

廣州市西江引水工程屬特大型引水工程，在我國已建的引水工程中僅次于南水北調(diào)工程和上海青草沙水源地工程，名列第三。壓力鋼管制作工程總量為143831.40t，總長度為75736.48m。工程量巨大，且鋼材規(guī)格組合多變、壓力鋼管直徑規(guī)格品種多，壁厚變化大、鋼岔管焊接工藝復(fù)雜，制作難度大。在焊接工藝上，在焊接雙面非對稱坡口時(shí)，先焊深坡口側(cè)部分、后焊淺坡口側(cè)、最后焊深坡口側(cè)剩余的焊縫；確定好節(jié)點(diǎn)形式、焊縫布置、焊接順序后，優(yōu)先采用一些能量密度相對較高的焊接方法，如熔化極氣體保護(hù)焊或藥芯焊絲自保護(hù)焊等，同時(shí)還采用較小的熱輸入；在焊接大型、厚板構(gòu)件時(shí)，采取分部組裝焊接、分別矯正變形后再進(jìn)行總裝焊接的施工方法；采用先焊縱縫，后焊環(huán)縫的焊接順序；同時(shí)為了減小焊縫應(yīng)力，還采用了錘擊焊縫消應(yīng)力的方法[4]。

4.2 仁宗海水庫電站壓力鋼管焊接工藝

仁宗海水庫電站為引水式龍頭水庫電站，位于四川省甘孜州康定縣私雅安市石棉縣交界處。電站壓力鋼管道共長955m，主管直徑3.6m，壓力鋼管制作安裝工程量為3428t。工程采用的是低焊接裂紋敏感性高強(qiáng)度鋼板，從而在焊接技術(shù)上采用有針對性的焊接工藝方法。在鋼管施焊時(shí)，直管縱縫及對接環(huán)縫、彎管縱縫采用埋弧白動焊，彎管環(huán)縫采用手工電弧焊，定位焊采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，加勁環(huán)、止水環(huán)等附件的焊接選用手工電弧焊[5]。

4.3 龍開口水電站壓力鋼管焊接工藝

龍開口水電站壓力鋼管共5條，內(nèi)徑10m，每條鋼管56節(jié)，5條鋼管共制作280節(jié)，安裝280節(jié)，鋼管壁材質(zhì)為高強(qiáng)鋼。高強(qiáng)度鋼管制造縱縫、安裝環(huán)縫、加強(qiáng)環(huán)角焊縫焊接均采用手工電弧焊。本工程中，縱縫受力是環(huán)縫的2倍，因此，要盡可能讓每條焊縫都自由收縮，從而盡量降低焊接拘束應(yīng)力。在壓力鋼管焊接時(shí)，無論是大節(jié)的制造安裝，還是瓦片的安裝，都必須按照先縱縫、后環(huán)縫的順序。同時(shí)在安裝過程中，沿安裝方向逐條進(jìn)行環(huán)縫焊接，嚴(yán)禁跳焊。除湊合節(jié)最后一條合攏環(huán)縫和預(yù)留環(huán)縫，其余焊縫都能自由收縮。

5 結(jié)語

目前，在我國水利水電工程壓力鋼管焊接工藝中，手工焊基本在焊接工程中占主導(dǎo)地位，且大多手工電弧焊和埋弧焊技術(shù)。這些技術(shù)在直徑較大的鋼管上非常受限制。

近年來，隨著我國水利水電建設(shè)的高速發(fā)展和機(jī)組參數(shù)的不斷增大，在大直徑厚壁壓力鋼管的焊接方面，雖然出現(xiàn)了全位置自動化焊接技術(shù)，但目前來說，該技術(shù)想要在大直徑厚壁壓力鋼管焊接中得到全面應(yīng)用，還有一定的難度。在大直徑厚壁壓力鋼管的安裝環(huán)縫組裝來講，要達(dá)到均勻一致的高精度非常困難，這勢必就需要全位置自動焊接設(shè)備具備自動凋整有關(guān)工藝參數(shù)的功能，以此來適應(yīng)鋼管的坡口尺寸及偏差，從而使不均勻參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響降低或消除；由于焊縫空間位置的不穩(wěn)定性，這就要求焊接系統(tǒng)能自動并及時(shí)調(diào)整焊接工藝參數(shù)，來適應(yīng)焊炬所處的位置，讓不同地方的焊接成型基本一致得以實(shí)現(xiàn)；要保證焊縫質(zhì)量，這就需要坡口尺寸、焊接熔地形狀，焊接規(guī)范參數(shù)實(shí)寸調(diào)節(jié)完全匹配，這在目前的自動控制技術(shù)上來講，難度比較大。因此，要解決以上問題，就要在選擇造價(jià)低、適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡單、焊接效率高的全位置自動化焊接設(shè)備方面入手。

[1] 陳繼深，谷鴻飛.壓力鋼管制造安裝的實(shí)戰(zhàn)與探討[M].北京:中國電力出版社，2001.

[2] 李明鑒，漆衛(wèi)國.水電站壓力鋼管全位置自動焊可行性探討[J].金屬結(jié)構(gòu)，1997(4):32-39.

[3] 漆衛(wèi)國，王孔偉.全位置自動化焊接技術(shù)在壓力鋼管焊接中的實(shí)踐[J].水力電力機(jī)械，2000(5) :19-21.

[4] 梁遵希，游輝華，何調(diào)林.廣州市西江引水工程中的壓力鋼管焊接[J].焊接技術(shù)，2012，41(6).

[5] 余陽.仁宗海水庫電站壓力鋼管焊接工藝[J].四川水力發(fā)電，2007，26(5).