錦屏二級水電站壓力鋼管湊合節(jié)焊接質(zhì)量控制淺談

(葛洲壩第二工程有限公司，成都，610091)

1 概述

雅礱江錦屏二級水電站高壓管道采用單機(jī)單管布置方式，共布置8條壓力鋼管，每條壓力鋼管管節(jié)分別為166～183節(jié)不等。鋼管最大直徑6.5m，最小直徑6.05m，單節(jié)最大軸線長度為3m，單節(jié)最小軸線長度為1.296m。8條壓力鋼管在距廠房上游側(cè)邊墻2.38m處(壓力鋼管末端)往上游方向的28.8m段采用600MPa級高強(qiáng)鋼板，該段鋼管內(nèi)徑為6.05m、6.5m及6.05m～6.5m漸變錐管，其余段均采用16MnR的500MPa級壓力容器鋼，主要部位包括高壓管道上平段、上彎段、豎井段、下彎段和下平段。鋼管內(nèi)徑均為6.5m，鋼管板厚分別為20mm、22mm、24mm、28mm、36mm和38mm，單條鋼管長度447m～490m。

2 湊合節(jié)設(shè)置

8條無伸縮節(jié)壓力管道湊合節(jié)均設(shè)置在下平段距廠房上游側(cè)邊墻約142.9m處，采用16MnR的500MPa級壓力容器鋼。其化學(xué)成分見表1[1]，力學(xué)性能見表2[1]。壓力鋼管內(nèi)徑均為6.5m，壁厚為38mm，通過廠2#施工支洞安裝。壓力鋼管安裝中心線高程為1317.525m，鋼管為水平安裝狀態(tài)。由于考慮現(xiàn)場施工條件，湊合節(jié)均采用傳統(tǒng)瓦片式安裝焊接。

表1 16MnR鋼化學(xué)成分(%)

成 分CSiMnpS百分比(%)≤0 200 20～0 551 20～1 60≤0 035≤0 030

表2 16MnR鋼力學(xué)性能

板厚(mm)σb(MPa)σs(MPa)σs(%)AKv(橫向)(J)冷彎試驗(yàn)180°6～16510～640≥345≥21>16～36490～620≥325≥21≥31d=2ad=3a>36～60470～600≥305≥21>60～100460～590≥285≥20>100～120450～580≥275≥20

3 施工難點(diǎn)

結(jié)合工程實(shí)際，通過對湊合節(jié)安裝焊接施工工藝及驗(yàn)收規(guī)范分析，本工程壓力鋼管湊合節(jié)安裝焊接存在以下難點(diǎn)：

(1)湊合節(jié)上下游管節(jié)管口軸線偏差，將直接影響湊合節(jié)瓦片安裝縱縫及環(huán)縫錯臺；

(2)湊合節(jié)現(xiàn)場配割瓦片長度與上下游管口實(shí)際距離偏差，將會直接影響管節(jié)拼裝間隙；

(3)由于本工程是地下式廠房，壓力鋼管布置全部位于洞內(nèi)，洞內(nèi)施工場地狹窄、陰暗潮濕，對焊接質(zhì)量影響很大；

(4)湊合節(jié)是在兩端固定的高拘束應(yīng)力條件下焊接，減小最終合攏縫的焊接過渡應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力[2]是湊合節(jié)焊接的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

4 焊接質(zhì)量控制

鑒于影響焊接質(zhì)量的因素概括起來主要是人員、設(shè)備、材料、工藝方法和生產(chǎn)環(huán)境五個方面，簡稱“人、機(jī)、料、法、環(huán)”五因素，各個因素對不同工序質(zhì)量的影響程度有很大差別，因此在制定焊接工藝和質(zhì)量控制措施時主要對以上五因素進(jìn)行要求和控制。

4.1 合格焊工

凡從事一、二類焊縫焊接的焊工，應(yīng)按DL/T679或《鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試與管理規(guī)則》進(jìn)行考試并取得相應(yīng)的合格證書，才能擔(dān)任考試合格范圍內(nèi)的焊接工作。

4.2 焊接設(shè)備

焊接設(shè)備必須具有參數(shù)穩(wěn)定、調(diào)節(jié)靈活、靜動態(tài)特性好和安全可靠等性能，并能滿足焊接規(guī)范需要。焊接設(shè)備上的電流表、電壓表應(yīng)定期檢定，規(guī)范參數(shù)調(diào)節(jié)裝置應(yīng)定期檢查，以保證其正常工作。焊接設(shè)備選型見表3所示。

表3 主要焊接設(shè)備選型

設(shè)備名稱規(guī)格主要性能參數(shù)直流電焊機(jī)ZX7-400ZX7-630空載電壓：85 V電流調(diào)節(jié)范圍：400 A

4.3 焊接材料的選擇與烘焙

4.3.1 根據(jù)設(shè)計說明要求，湊合節(jié)壓力鋼管材質(zhì)為16MnR，手工焊接采用CHE507R。

4.3.2 拼裝和焊接所用焊條要進(jìn)行烘焙，烘焙溫度350℃，烘焙時間1～2h，保溫1h，保溫溫度150℃?，F(xiàn)場使用的焊條應(yīng)裝入保溫筒，焊條在保溫筒內(nèi)的時間不得超過4h，超過后，應(yīng)重新烘焙，重復(fù)烘焙次數(shù)不得超過2次[3]。

4.4 焊接方法及程序

4.4.1 焊縫坡口形式

焊縫基本坡口形式如圖1所示。

圖1 焊縫坡口形式

4.5 焊接工位布置

湊合節(jié)縱縫由四名焊工分別對稱焊接。湊合節(jié)環(huán)縫考慮到CHE507R焊條倒焊會產(chǎn)生較多的夾渣等缺陷，因此整個環(huán)縫由六名焊工以環(huán)縫中垂線對稱分為六個工位，采用從環(huán)縫底中分別往兩腰中心、最后到頂中的對稱焊接方式。焊接工位布置圖如圖2。

4.6 焊接前準(zhǔn)備

4.6.1 施焊前，應(yīng)將坡口及其兩側(cè)10mm～20mm范圍內(nèi)的氧化物、熔渣、油垢、水跡清除干凈。

圖2 壓力鋼管焊接焊工工位布置

4.6.2 檢查定位焊縫是否符合規(guī)定要求，定位焊上的裂紋、氣孔、夾渣等缺陷均應(yīng)清除。

4.6.3 檢查焊縫的錯邊量是否符合規(guī)范要求，若超出規(guī)范要求則通知裝配工返工。

4.6.4 檢查焊縫的間隙，如發(fā)現(xiàn)不符合要求，應(yīng)對坡口面進(jìn)行處理后方能施焊。

4.7 焊接工藝要求

4.7.1 焊前預(yù)熱

(1)定位焊縫和主焊縫均應(yīng)預(yù)熱。主焊縫預(yù)熱溫度為80℃～100℃，定位焊縫預(yù)熱溫度較主縫預(yù)熱溫度提高20℃～30℃。

(2)定位焊縫采用氧乙炔火焰預(yù)熱，主焊縫采用履帶式陶瓷加熱器預(yù)熱。

(3)預(yù)熱時需均勻加熱，預(yù)熱區(qū)的寬度為焊縫中心線兩側(cè)各3倍板厚，且不小于100mm。

(4)預(yù)熱溫度測量使用自動溫控儀，在距焊縫中心線各50mm處對稱測量，每條焊縫測量點(diǎn)間距不大于2m，且不少于3對。

4.7.2 焊后后熱

(1)焊后立即進(jìn)行后熱處理，后熱溫度為250℃～350℃，并保溫1h以上。

(2)溫度測量使用自動溫控儀。

4.8 焊接工藝參數(shù)

焊接工藝參數(shù)見表4。

5 合攏焊縫現(xiàn)場焊接質(zhì)量控制

5.1 焊前質(zhì)量檢驗(yàn)(以5#壓力管道湊合節(jié)合攏縫為例)

5.1.1 檢查洞內(nèi)焊接作業(yè)環(huán)境

(1)手工電弧焊風(fēng)速小于等于8m/s；

(2)相對濕度小于90%；

表4 焊接工藝參數(shù)

焊接層次母材厚度(mm)焊接方法焊條(絲)焊接電流牌號直徑(mm)極性電流(A)電弧電壓(V)焊接速度(cm/min)焊接熱輸入(kJ/cm)1234567891038手工弧焊CHE-507R?3 2反接100～12020～2212～16<23?4反接140～16022～2618～24<25?4反接150～17022～2618～24<25?3 2反接100～12021～2212～16<23?4反接150～17022～2618～24<25?4反接150～17022～2618～24<25?4反接150～18022～2618～24<25?4反接150～18022～2618～24<25?4反接150～18022～2618～24<25?4反接150～18022～2618～24<25

(3)環(huán)境溫度大于-10℃。

5.1.2 檢查焊縫坡口尺寸

根據(jù)規(guī)范DL/T5017-2007要求，焊縫錯邊量小于等于10%母材壁厚且不大于3mm，由于壓力鋼管壁厚為38mm，所以錯邊量必須小于等于3mm。坡口間隙不大于3mm～4mm，間隙過大處需進(jìn)行堆焊處理，以滿足規(guī)范要求。

5.1.3 檢查坡口清理情況

檢查坡口兩側(cè)20mm范圍內(nèi)的鐵銹、熔渣、油垢、水跡是否已清理干凈，且要求打磨出金屬光澤。

5.1.4 檢查定位焊質(zhì)量

定位焊不允許存在夾渣、氣孔、裂紋等缺欠。

5.1.5 檢查預(yù)熱溫度

整個焊縫預(yù)熱溫度應(yīng)均勻，且不低于80℃～100℃；在焊縫中心兩側(cè)50mm處對稱測量，測量間距不大于2m。

5.1.6 檢查焊條烘焙情況

焊條必須在350℃烘焙箱內(nèi)烘焙1～2h后取出，放入100℃～150℃的恒溫箱內(nèi)保溫，取用時必須使用焊條保溫桶。

5.2 焊接過程質(zhì)量控制

5.2.1 借鑒三峽工程湊合節(jié)合攏縫焊接的成功經(jīng)驗(yàn)，焊接過程對焊縫進(jìn)行錘擊，焊后拘束應(yīng)力、焊縫收縮量以及焊接變形量等均下降25%左右，對機(jī)械性能沒有影響[4]。故本工程合攏縫焊接時同樣采取敲擊工藝，以提高焊縫性能；焊縫敲擊除打底層和蓋面層以外，每一層焊縫焊完時，由專人負(fù)責(zé)使用CZ2型風(fēng)鏟(由空壓機(jī)提供0.6MPa～0.7MPa工作壓力)錘擊至表面光潔，并由質(zhì)檢員檢查。

5.2.2 檢查焊接電流電壓是否滿足工藝要求，并控制焊接速度和層間厚度，以確保焊接熱輸入不超出規(guī)范要求。

5.2.3 檢查背面清根后焊縫內(nèi)表面是否存在裂紋、夾渣等。

5.2.4 檢查焊接層間溫度不應(yīng)低于預(yù)熱溫度，且不高于230℃。

5.2.5 檢查焊條保溫桶是否持續(xù)通電保溫。

5.3 焊后質(zhì)量控制

5.3.1 焊后立即使用自動控溫儀進(jìn)行后熱處理，后熱溫度為250℃～350℃，并保溫1h以上。

5.3.2 對后熱處理完成的焊縫進(jìn)行打磨飛濺、焊瘤等缺陷。

5.3.3 檢查焊縫外觀質(zhì)量，不允許存在裂紋、表面夾渣、未焊滿、表面氣孔等缺陷，咬邊、焊縫余高、焊縫寬度等均應(yīng)滿足規(guī)范要求。

5.4 焊縫內(nèi)部質(zhì)量控制

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及本工程設(shè)計要求，在焊接結(jié)束24h后，對長達(dá)20.42m的合攏縫(含所有的T型接頭)進(jìn)行100%的超聲波探傷(UT)和不小于10%超聲波衍射時差法(TOFD)檢測。其中，UT探傷一次合格率100%，TOFD探傷一次合格率100%。

6 結(jié)論

錦屏二級水電站無伸縮節(jié)壓力鋼管合攏焊縫的焊接，在面對高拘束應(yīng)力，同時還要克服洞內(nèi)場地狹窄、陰暗潮濕的施工環(huán)境進(jìn)行施焊，焊接施工技術(shù)難度很大。但經(jīng)過項(xiàng)目部全體員工齊心協(xié)力，制定出合理的焊接工藝，做好了充分的施工前準(zhǔn)備，嚴(yán)格控制焊接過程質(zhì)量，嚴(yán)抓焊縫焊后質(zhì)量檢驗(yàn)，取得了滿意的效果。實(shí)踐證明，該質(zhì)量控制方法對于壓力管道湊合節(jié)合攏縫焊接質(zhì)量起著關(guān)鍵性的作用。

〔1〕劉徐源，樸志民等.GB/T1591-2008[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

〔2〕佐藤邦彥等.焊接接頭強(qiáng)度與設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983：73.

〔3〕萬天明，馬耀芳等.DL/T5017-2007[M].北京：中國電力出版社，2007：28.

〔4〕程 惠等.三峽工程壓力鋼管下平段湊合節(jié)合攏縫選型試驗(yàn)[J].水利發(fā)電，2003，(12)