水電站XXXXXX 6565655管線用高強(qiáng)鋼岔管的焊接

熊江華

（江西省水電工程局，江西南昌 330096）

0 前言

在一些大容量、高水頭水電站的建設(shè)中，引水壓力鋼管逐漸采用高強(qiáng)度、高韌性管線用鋼板，該應(yīng)用將減小板厚，減輕工程量，縮短施工工期。我單位制作加工的某2×20 MW水電站的壓力鋼管道上采用了>600 MPa級(jí)管線用高強(qiáng)鋼板（X65），X65鋼屬于低碳或超低碳的微合金化鋼，板材的碳當(dāng)量Ceq≤0.45%，具有高強(qiáng)度、低包申格效應(yīng)、高韌性和抗脆斷、低焊接碳素量和良好焊接性、以及抗HIC和抗H2S腐蝕。（X65管線鋼化學(xué)成分及機(jī)械性能見表1和表2）。

該水電站壓力鋼管、鋼岔管最厚鋼板為80 mm，采用的X65管線鋼為寶鋼生產(chǎn)，如此厚的高強(qiáng)度國(guó)產(chǎn)管線鋼用于岔管的制作，在國(guó)內(nèi)比較少見。岔管采用月牙形內(nèi)加強(qiáng)肋形式，主管內(nèi)徑1 796 mm，支管內(nèi)徑1 140 mm，最大公切球內(nèi)徑2 213 mm，水壓實(shí)驗(yàn)承受內(nèi)水壓7.53 MPa。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，岔管需做整體水壓試驗(yàn)。在水壓試驗(yàn)壓力7.53 MPa下，岔管壁測(cè)得最大應(yīng)力為320 MPa，月牙肋最大應(yīng)力為110 MPa，經(jīng)超聲波、射線無(wú)損檢測(cè)，焊縫未發(fā)現(xiàn)任何缺陷。所有檢測(cè)項(xiàng)目均合格并符合規(guī)范設(shè)計(jì)要求，證實(shí)了本次采取的焊接工藝是正確和可靠的。

表1 X65鋼的化學(xué)成分

注：（1）Ceq（%）=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14

（2）Pcm（%）=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B

（3）碳當(dāng)量Ceq（%）≤0.48，焊接裂紋敏感指數(shù)Pcm（%）≤0.25

表2 X65鋼的機(jī)械性能

1 焊接工藝

1.1 焊接工藝方案的編制

根據(jù)會(huì)審的施工圖編制焊接施工工藝方案，焊接工藝方案編制的主要內(nèi)容包括：（1）材料的預(yù)處理方法；（2）毛坯的下料工藝；（3）坡口的加工方法；（4）焊接方法的選定；（5）焊接材料與焊接參數(shù)的選定；（6）焊接順序；（7）焊接預(yù)熱及焊后熱處理方法與參數(shù)的選定；（8）焊接接頭質(zhì)量檢驗(yàn)方法、數(shù)量及合格標(biāo)準(zhǔn)；（9）焊接接頭表面處理要求。

1.2 焊接工藝評(píng)定

焊接工藝評(píng)定按下列程序進(jìn)行：（1）由技術(shù)人員提出工藝評(píng)定任務(wù)書；（2）焊接工程師審核任務(wù)書并擬定焊接工藝評(píng)定指導(dǎo)書；（3）焊接工程師監(jiān)督試件的施焊、檢驗(yàn)及試樣的制備等工作；（4）焊試室責(zé)任人負(fù)責(zé)評(píng)定試樣的送檢工作，并匯總評(píng)定檢驗(yàn)結(jié)果，提出焊接工藝評(píng)定報(bào)告；（5）評(píng)定報(bào)告經(jīng)焊接工程師審核，企業(yè)技術(shù)總負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)后，作為編制指導(dǎo)生產(chǎn)的焊接工藝的可靠依據(jù)。

焊接檢測(cè)委托第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)，焊后外觀檢查及無(wú)損檢測(cè)合格，結(jié)果見表3。

表3 焊接工藝評(píng)定結(jié)果

1.3 焊接作業(yè)指導(dǎo)書

依據(jù)工藝評(píng)定綜合報(bào)告有關(guān)參數(shù)制定焊接作業(yè)指導(dǎo)書，焊接作業(yè)指導(dǎo)書是產(chǎn)品施焊過程的技術(shù)文件，是指導(dǎo)焊工從事產(chǎn)品焊接的依據(jù)，它是克服焊接過程隨意性、嚴(yán)格貫徹工藝質(zhì)量要求的重要手段，是提高焊接工程質(zhì)量的可靠保證，并在工程施焊前以技術(shù)交底方式向焊工講述清楚，確保了焊接人員順利執(zhí)行。

2 焊前準(zhǔn)備

2.1 焊工管理

1）組建焊工隊(duì)伍。

2）焊工培訓(xùn)。在正式焊接前，對(duì)先前未接觸到高強(qiáng)鋼焊接的焊工進(jìn)行培訓(xùn)，使焊工了解高強(qiáng)鋼的焊接特點(diǎn)，明確高強(qiáng)鋼的焊接工藝，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)即發(fā)焊工合格證。

3）焊工技術(shù)檔案的管理。技術(shù)檔案包含：（1）焊工基本狀況；（2）焊工身體狀況；（3）培訓(xùn)資料；（4）焊接質(zhì)量狀況記錄；（5）合格焊工技能檔案等幾方面內(nèi)容。

2.2 坡口清理

采用半自動(dòng)火焰切割機(jī)開坡口，坡口形式采用（1/3+2/3）不對(duì)稱“X”形坡口。所有擬焊面的坡口兩側(cè)各50 mm范圍內(nèi)的氧化皮、鐵銹、油污及其它雜物應(yīng)清除干凈，每一焊道焊接完畢之后也應(yīng)及時(shí)清理，檢查合格后再進(jìn)行施焊。

2.3 預(yù)熱

根據(jù)板厚40 mm試板焊接工藝，應(yīng)采取焊前預(yù)熱（見圖1），焊后熱處理工藝焊接才可達(dá)到要求。岔管焊接時(shí)，采用遠(yuǎn)紅外線自動(dòng)控溫加熱器進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為120～180℃，加熱范圍為焊縫兩側(cè)100 mm以上。采用自動(dòng)溫控裝置和手動(dòng)紅外線測(cè)溫儀進(jìn)行溫度監(jiān)控，溫度測(cè)點(diǎn)位于焊縫左右50 mm，對(duì)稱測(cè)量。

圖1 岔管焊接前采取預(yù)熱、焊后做保溫措施

2.4 焊接材料烘焙保管

依據(jù)等強(qiáng)原則首先考慮母材中的合金元素向焊縫的擴(kuò)散和元素間相互作用的影響，還必須注意盡量選擇強(qiáng)度級(jí)別及化學(xué)成分與母材相同或相近的材料，同時(shí)根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)及廠家提供相關(guān)資料，手工電弧采用天津金橋J607RH超低氫焊條。

焊條使用前必須在350～400℃烘烤2 h，烘焙后的焊條應(yīng)保存在100～150℃的恒溫箱內(nèi)，藥皮有脫落和明顯的裂紋、焊絲有銹跡和油污的焊條嚴(yán)禁使用。

現(xiàn)場(chǎng)使用的焊條應(yīng)裝在保溫筒內(nèi)，隨用隨取，焊條在保溫筒內(nèi)的時(shí)間不宜超過4 h，超過時(shí)間后，應(yīng)重新烘焙，重復(fù)烘焙的次數(shù)不宜超過2次。

3 焊接

3.1 管節(jié)間焊縫焊接

岔管制作所有焊縫采用手工電弧焊，焊機(jī)采用直流焊機(jī)YD-400SS，直流反接，焊接工藝參數(shù)見表4。在焊接過程中，為減小焊接變形及收縮應(yīng)力，應(yīng)選用合適的焊接順序，盡量保證焊縫在各個(gè)不同側(cè)面受到的焊接預(yù)熱量達(dá)到平衡。由于鋼管制作所采用的板材比較厚，焊接過程中有些焊縫部位拘束度比較大，應(yīng)力比較集中，對(duì)于整條焊縫而言，可采取分段退焊及多層多道焊、窄焊道焊接，如圖2，以降低焊接線能量的輸入，同時(shí)可改善焊接接頭的組織和性能，從而達(dá)到控制焊接變形及應(yīng)力集中的目的。

表4 手工電弧焊焊接工藝參數(shù)

圖2 岔管分道焊接順序和多層多道焊接示意

焊接過程中應(yīng)注意保持層間溫度，從焊接開始到焊接完成始終不能中斷。如果有特殊情況中斷焊接，應(yīng)如同焊接完畢一樣進(jìn)行焊后保溫消氫處理。

氣刨清根應(yīng)在焊接后立刻進(jìn)行，確保氣刨清根時(shí)的溫度150℃之上，氣刨操作應(yīng)連續(xù)完成，氣刨后刨槽應(yīng)進(jìn)行100%的打磨，鏟除滲碳層，直至露出金屬光澤。清根后仔細(xì)檢查根部有無(wú)缺陷，開始焊接前，應(yīng)對(duì)清根后焊縫表面進(jìn)行磁粉探傷。

為了減小焊接應(yīng)力和變形，整條焊縫的焊接順序控制尤為重要，可將每條環(huán)縫分成3等份，由4名電焊工從每一等份的起始位置按同一時(shí)針方向，同時(shí)施焊，如圖3所示。另外，電焊工應(yīng)盡量保證一致的焊接速度。焊接第一層和第二層分段長(zhǎng)度短些，第三層以后分段可慢慢加長(zhǎng)，每層的接頭都應(yīng)該相互錯(cuò)開，為了減少接頭使焊縫表面美觀，蓋面層不分段。

圖3 焊接順序

3.2 月牙肋和管殼之間的焊縫焊接

月牙肋和管殼之間的焊縫坡口形式如圖4所示，由于接頭在不同截面的夾角也不同，隨著月牙肋和管殼之間的夾角變化，坡口尺寸也均勻的改變。岔管月牙肋厚度為80 mm，材質(zhì)為X65，月牙肋和管殼之間的焊縫為高強(qiáng)度鋼和高強(qiáng)度鋼的焊接。焊接過程中同樣采用多層多道焊，嚴(yán)格控制好線能量的輸入，采用退焊法和對(duì)稱焊，以改善焊縫組織和減少應(yīng)力，焊接詳情同管節(jié)間焊縫焊接一樣。

對(duì)于岔管和月牙板對(duì)接焊縫，首先焊接岔管內(nèi)兩條焊縫，加熱塊安裝如圖4所示，月牙板厚度厚，散熱面積大，且材質(zhì)為X65，預(yù)熱溫度應(yīng)適當(dāng)?shù)奶岣?，預(yù)熱溫度為180～200℃，用紅外線測(cè)溫儀測(cè)量岔管內(nèi)兩條焊縫的溫度，溫度達(dá)到后方可焊接。

岔管內(nèi)環(huán)焊接5層后，進(jìn)行岔管外焊縫清根，清根時(shí)溫度需保持層間溫度120～150℃，清根后仔細(xì)檢查焊道根部，如出現(xiàn)過裂紋的缺陷，應(yīng)用磁粉探傷對(duì)焊縫進(jìn)行表面檢測(cè)。焊接岔管外焊縫時(shí)，岔管外清根焊接前首先應(yīng)在岔管內(nèi)安裝加熱塊，加熱塊安裝如圖5所示。

為了避免應(yīng)力集中，焊縫焊接好后，應(yīng)再焊接一定厚度的角焊縫，使管殼和月牙肋之間圓滑過渡。

圖4 月牙肋和管殼間焊縫坡口形式及外環(huán)縫加熱塊安裝

圖5 月牙肋內(nèi)環(huán)縫加熱塊安裝

4 焊接施工現(xiàn)場(chǎng)管理

水工鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量控制的現(xiàn)場(chǎng)管理，主要包括產(chǎn)品施焊、焊縫返修和焊接環(huán)境確認(rèn)等。

對(duì)超標(biāo)缺陷嚴(yán)格按照SL36《水工金屬結(jié)構(gòu)焊接通用技術(shù)條件》及DL5017、DL/T5018等規(guī)定進(jìn)行焊縫返修。焊縫返修時(shí)依據(jù)材料、設(shè)備技術(shù)參數(shù)、缺陷性質(zhì)、位置、大小和產(chǎn)生的原因及焊縫受力特點(diǎn)來(lái)制定返修工藝并做好返修記錄。

在施工時(shí)必須保證焊接環(huán)境條件符合GB/T14173-2008、DL/T5018-2004等規(guī)定的焊接技術(shù)要求，從而為保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量創(chuàng)造良好條件。當(dāng)施焊環(huán)境出現(xiàn)下列任—情況，禁止焊接施工，否則，需采取有效防護(hù)措施：（1）雨天和雪天的露天施焊；（2）施焊場(chǎng)地風(fēng)速大于五級(jí)（8 m/s）；（3）環(huán)境溫度低于-10 ℃；（4）相對(duì)濕度大于90%。

5 焊后處理

岔管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫處剛度較大，X65鋼對(duì)氫敏感，焊后為了進(jìn)一步消除焊縫中的氫，防止產(chǎn)生冷裂紋，應(yīng)進(jìn)行消氫處理。用沿焊縫采用石棉包裹，加熱溫度150～200℃，保溫1 h。

6 焊后檢查

焊接完畢后，DL/T5017-2007規(guī)程，對(duì)所有焊縫進(jìn)行外觀檢查，外觀檢查合格后，按焊縫類別及合同要求進(jìn)行100%無(wú)損檢測(cè)，必要時(shí)還要進(jìn)行表面磁粉探傷。無(wú)損檢查在焊后24 h進(jìn)行。

7 水壓試驗(yàn)

7.1 試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作

水壓試驗(yàn)采取整體水壓試驗(yàn)方案，并委托具有資質(zhì)的第三方來(lái)做。水壓試驗(yàn)前，根據(jù)第三方提供的水壓試驗(yàn)方案圖，加工好臨時(shí)用的悶頭及其它附件，安裝好悶頭、法蘭、注水管、排氣管、壓力表、閘閥等（如圖6）。正式做水壓試驗(yàn)前，壓力鋼管幾何尺寸及焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告已提交。

充水前，對(duì)壓力鋼管上的臨時(shí)支撐件、支托、工卡具、起重設(shè)備等進(jìn)行解除拘束處理，并對(duì)管壁上的焊疤、劃痕等進(jìn)行打磨修補(bǔ)。檢查合格后及對(duì)壓力鋼管進(jìn)行充水。

圖6 壓力鋼管整體組裝

7.2 正式水壓試驗(yàn)

進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，加壓前必須排氣。并應(yīng)逐步緩慢分級(jí)加載升壓，加壓速度不宜大于0.05 MPa/min。先緩慢升至工作壓力并保持30 min以上，此時(shí)壓力表指針應(yīng)保持穩(wěn)定，沒有顫動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)鋼管進(jìn)行檢查，情況正?？衫^續(xù)加壓。再升壓至試驗(yàn)壓力，達(dá)到試驗(yàn)壓力后，再穩(wěn)壓30 min，此時(shí)壓力表指示的壓力應(yīng)無(wú)變動(dòng)。然后下降至工作壓力穩(wěn)壓30 min以上，以便有足夠時(shí)間觀測(cè)和檢查，整個(gè)試驗(yàn)過程中應(yīng)隨時(shí)檢查鋼管的滲水和其他異常情況。水壓試驗(yàn)過程中，出現(xiàn)問題需要處理時(shí)，先將管內(nèi)壓力卸至零壓力，再將鋼管內(nèi)水排空后，再進(jìn)行焊接、熱切割、碳弧氣刨或矯型等作業(yè)。

7.3 水壓試驗(yàn)完成

水壓試驗(yàn)完成后，應(yīng)緩慢將管內(nèi)壓力卸至鋼管內(nèi)水自重壓力，在確認(rèn)管段上端的排氣管閥門打開后，再進(jìn)行鋼管內(nèi)水排放作業(yè)。

水壓試驗(yàn)完成后，第三方根據(jù)試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)提交合格的水壓試驗(yàn)成果報(bào)告。

8 結(jié)束語(yǔ)

雖然X65管線鋼具有良好的焊接性能，但其焊接與低碳鋼焊接有很大的不同。如果不針對(duì)其焊接性能制定專項(xiàng)焊接工藝，會(huì)導(dǎo)致焊縫裂紋、未融合等焊接缺陷。因此，為保證焊縫質(zhì)量，X65管線鋼焊接應(yīng)采取多層多道和線能量輸入控制，以達(dá)到改善熱影響區(qū)的微觀金相組織；厚度在20 mm以上的X65鋼管焊接必須進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理；對(duì)未接觸高強(qiáng)鋼焊接的焊工應(yīng)事先進(jìn)行培訓(xùn)，注意轉(zhuǎn)變焊工的焊接習(xí)慣，加強(qiáng)生產(chǎn)過程的管理監(jiān)控。