水電站首次埋弧自動橫焊焊接工藝評定的研發(fā)

(中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710077)

1 引 言

目前，埋弧自動橫焊技術(shù)在石油、化工、冶金、核工業(yè)、海洋工程等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛運用，該技術(shù)具有自動化程度高、經(jīng)濟合理、焊縫成形美觀、操作簡便等優(yōu)點，但在水電行業(yè)實屬空白。

隨著我國抽水蓄能電站建設(shè)高峰期的來臨，壓力鋼管制造安裝工程占比逐年呈現(xiàn)上升趨勢，將埋弧自動橫焊技術(shù)引進水電行業(yè)壓力鋼管制造安裝領(lǐng)域，特別是大直徑壓力鋼管制造安裝施工，已經(jīng)顯得十分必要。

由于新技術(shù)引進過程中，焊接工藝評定的失敗，使技術(shù)研發(fā)工作進入瓶頸期，攻克此項技術(shù)難題已迫在眉睫，故2014年5月12日成立QC小組，主要承擔焊接工藝評定研究的技術(shù)攻關(guān)工作。

2 QC小組概況

2.1 小組簡介

QC小組簡介見表1。

表1 QC小組簡介

2.2 小組活動計劃

QC小組活動計劃見表2。

3 選題理由

a.埋弧自動橫焊技術(shù)自動化程度高、經(jīng)濟合理，具有很大的行業(yè)推廣價值。

b.焊接工藝評定為后續(xù)正式焊接施工提供工藝保證，是焊接施工前的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

表2QC小組活動計劃

c.前期焊接工藝評定工作受挫，使科研課題的開展進入了瓶頸期，亟待攻關(guān)。

4 現(xiàn)狀調(diào)查

查找近年來抽水蓄能電站相關(guān)資料：

a.彭水電站壓力鋼管母材為WDL610，直徑為14m，縱縫、環(huán)縫均采用手工電弧焊，加勁環(huán)采用CO2氣體保護焊，洞內(nèi)安裝采用手工電弧焊。

b.張河灣抽水蓄能電站壓力鋼管上平段及豎井段直徑為5.2～6.4m，焊接方法采用埋弧自動焊、手工電弧焊及CO2氣體保護焊。

c.西龍池抽水蓄能電站壓力鋼管直徑為3.5～6.0m，焊接方法采用埋弧自動焊、手工電弧焊。

d.呼和浩特抽水蓄能電站壓力鋼管直徑為4.6～5.4m，焊接方法采用埋弧自動焊、手工電弧焊及CO2氣體保護焊。

e.浙江仙居抽水蓄能電站壓力鋼管直徑為4.6～6.2m，焊接方法采用埋弧自動焊、手工電弧焊及CO2氣體保護焊。

f.河北豐寧抽水蓄能電站壓力鋼管直徑為2.4～5.8m，焊接方法采用埋弧自動焊、手工電弧焊及CO2氣體保護焊。

從上面實例可以看出，在水電壓力鋼管制造安裝領(lǐng)域，對于鋼管縱縫和環(huán)縫焊接，多采用手工電弧焊、CO2氣體保護焊、埋弧自動焊(平焊)等焊接工藝。目前國內(nèi)水電行業(yè)對此技術(shù)暫無研究，沒有可供參考的技術(shù)參數(shù)和經(jīng)驗。

新技術(shù)引進過程中，前期焊接工藝評定的失敗，使技術(shù)研發(fā)工作進入瓶頸期，攻克此項技術(shù)難題已迫在眉睫。

5 設(shè)定目標

QC小組活動目標是完成焊接工藝評定，攻克技術(shù)難題，為后續(xù)科研項目開展奠定基礎(chǔ)。

6 原因分析

小組成員設(shè)定課題目標后分別從人、機、料、法、環(huán)、測六個環(huán)節(jié)進行了詳細、透徹的剖析，并總結(jié)出了12個末端因素如圖1所示。

圖1 埋弧自動橫焊焊接工藝評定魚刺圖

7 確定要因

小組成員通過對圖1中總結(jié)的12條末端因數(shù)進行現(xiàn)場調(diào)查、檢測取證、原因分析。召開了小組總結(jié)會，對12條末端因素進行了分析、論證、逐一排除，并確定了造成埋弧自動橫焊焊接工藝評定試板失敗的要因。詳見表3。

表3 要 因 分 析

結(jié)論：通過對12條末端因素分析論證后，確定施工人員經(jīng)驗不足、設(shè)備精度失準、坡口形式不合理是影響埋弧自動橫焊焊接工藝評定失敗的要因。

8 制定對策

小組成員通過開展廠家調(diào)研、石化行業(yè)實地考察、技術(shù)分析、可行性研究，最終根據(jù)影響埋弧自動橫焊焊接工藝評定失敗的三項要因制定了對策，見表4。

表4 對 策 計 劃

9 對策實施

9.1 對策實施一：開展專業(yè)培訓

2014年11月25日邀請石化行業(yè)專家，并簽訂技術(shù)協(xié)議進行現(xiàn)場培訓(12月1日—12月31日)、指導操作，使操作人員熟練新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝。

通過培訓后操作人員能夠熟練橫焊機型、設(shè)備性能、調(diào)試參數(shù)注意事項及范圍，使操作更規(guī)范、數(shù)據(jù)參數(shù)選擇更合理、設(shè)備平穩(wěn)運行。

9.2 對策實施二：對影響設(shè)備行走軌跡相關(guān)結(jié)構(gòu)進行改進

a.針對行走軌跡開展技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)：?導向指示的紅外線激光束屬于供電式發(fā)射不穩(wěn)定，時有時無，時強時弱，跳躍式，偶爾光束粗細發(fā)生變化，影響槍頭吐絲軌跡；?導向行走機構(gòu)為單向固定式，根據(jù)夾角距離軌道微小偏差會影響槍頭波動。

b.根據(jù)技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)的上述問題，針對行走機構(gòu)進行了技術(shù)改進：?更換導向指示用的紅外線激光器，選擇激光可調(diào)式自帶紐扣鋰電池，供電平穩(wěn)，激光穩(wěn)定，無波動，同時要求調(diào)節(jié)射程15cm范圍內(nèi)光束極細，可達到2mm；?改進導向行走機構(gòu)為萬向可調(diào)式，使導向輪具備360°任意旋轉(zhuǎn)，降低軌道微小偏差影響槍頭波動值。

c.對影響設(shè)備行走軌跡相關(guān)結(jié)構(gòu)改進后，整機進行現(xiàn)場調(diào)試。

圖2 帶鈍邊雙單邊Y形坡口

9.3 對策實施三：創(chuàng)新坡口形式

a.根據(jù)傳統(tǒng)的“帶鈍邊雙單邊Y形坡口”開展埋弧自動橫焊焊接工藝評定，初始確定坡口夾角α=30°(見圖2)，探傷出現(xiàn)未焊透和夾渣缺陷；增大坡口夾角分別為β=45°、γ=60°時仍會出現(xiàn)局部夾渣缺陷。

b.摒棄傳統(tǒng)坡口形式限制，創(chuàng)新坡口形式。重新命名為“帶鈍邊非對稱K形坡口”，改變原有對接坡口單邊直角形式，增加小角度坡口，使焊接熔池表面的熔渣更容易排出，徹底解決了工藝評定試板焊接夾渣缺陷(見圖3)。

綜上所述：通過3種對策實施后，重新進行埋弧自動橫焊工藝評定試板的焊接，焊縫探傷合格，經(jīng)力學檢測合格，成功完成了焊接工藝評定。

10 效果檢查

10.1 目標檢查

通過QC小組對策實施后，重新進行埋弧自動橫焊工藝評定試板的焊接，經(jīng)焊縫探傷合格，同時各項力學檢測數(shù)據(jù)合格，成功通過了焊接工藝評定。實踐證明，通過技術(shù)創(chuàng)新，徹底解決了科研技術(shù)難題，為后續(xù)開展科研項目奠定基礎(chǔ)，完成了小組活動目標。

表5 焊接工藝評定試板

10.2 經(jīng)濟效益

在QC小組成員的共同努力下，通過創(chuàng)新、技術(shù)攻關(guān)、研發(fā)新技術(shù)共節(jié)約了成本約288萬元，產(chǎn)生了很大的經(jīng)濟效益。經(jīng)濟分析如下：

a.QC小組活動前經(jīng)濟分析。江蘇溧陽抽水蓄能電站地處江蘇省溧陽市，電站安裝6臺單機容量250MW的可逆式水泵水輪發(fā)電機組，總裝機容量1500MW。其中鋼管制作安裝工程量為2.05萬t，2011年4月電站主體工程開工，2017年建成投產(chǎn)，建設(shè)工期80個月。

采用原手工焊條電弧焊費用見表6，費用由材料費、人工費、設(shè)備及電費等組成，其中人工費用較大。

表6 采用焊條電弧焊施工費用

b. QC小組活動后經(jīng)濟分析。采用埋弧自動橫焊技術(shù)工藝費用見表7，費用由材料費、人工費、設(shè)備及電費等組成，人工費用明顯降低，雖然設(shè)備費用較大，但是隨著壓力鋼管工程量增大，攤銷后的每米單位價格降低近一半。

表7 采用埋弧自動橫焊施工費用

續(xù)表

采用新技術(shù)——埋弧自動橫焊施工費用與原手工焊條焊接施工費用比較，由于埋弧自動橫焊焊接熔覆率高、需要焊工少、電費消耗小，單個管節(jié)以9.2m直徑計算，可以節(jié)省費用約6700元。埋弧自動橫焊綜合為平均305元/m，手工焊條焊綜合單價為537元/m，按照本工程約1萬m焊縫計算，可以節(jié)省資金約232萬元；另外，獨立設(shè)計研制了一種新型試驗裝置，具有焊接工藝評定、生產(chǎn)性試驗、焊工培訓三種功能，節(jié)省費用約56萬元，合計節(jié)省資金約288萬元，經(jīng)濟效益顯著。

埋弧自動橫焊技術(shù)具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、一次探傷合格率高、現(xiàn)場文明施工得到顯著改善等優(yōu)點，對于工程提高功效、縮短工期、降低成本意義重大。

10.3 質(zhì)量、安全效益

由于采用埋弧自動橫焊技術(shù)施工，減小了人為因素的影響，外觀成型更加美觀，內(nèi)部無損探傷一次合格率也明顯優(yōu)于傳統(tǒng)手工焊，焊接質(zhì)量優(yōu)良，質(zhì)量效益顯著。采用埋弧橫焊焊接的鋼管，TOFD探傷一次合格率平均為99.6%、優(yōu)良率為100%，遠高于手工焊合格率98.3%、優(yōu)良率97.5%的水平。另外現(xiàn)場工效大大提高，對縮短現(xiàn)場施工工期意義重大。

采用焊條電弧焊焊接，需要搭設(shè)專門施工腳手架，電焊機多、線路復雜，安全隱患多，采用埋弧自動橫焊技術(shù)，操作工人在設(shè)備內(nèi)施工，安全系數(shù)高，現(xiàn)場文明施工也大大提高，安全效果突出。

10.4 社會效益

通過QC小組活動技術(shù)創(chuàng)新，徹底解決了科研技術(shù)難題，為后續(xù)開展科研項目奠定基礎(chǔ)，通過溧陽電站工程施工實踐證明，埋弧自動橫焊施工技術(shù)，與傳統(tǒng)焊條電弧焊比較，具有技術(shù)先進、生產(chǎn)率高、焊接質(zhì)量優(yōu)良、成本低、有利于安全文明等優(yōu)點。埋弧自動橫焊技術(shù)自動化程度高、經(jīng)濟合理，在水電站大型壓力鋼管施工中具有很大的推廣運用價值，如果在行業(yè)推廣實施后，將大大降低工程造價和縮短建設(shè)工期，對于推動行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、升級改造，意義重大。水電行業(yè)引進壓力鋼管埋弧自動橫焊技術(shù)具有積極的現(xiàn)實意義，填補了行業(yè)空白，可以為類似施工提供了豐富的經(jīng)驗，為我國水電資源全面開發(fā)提供有力的施工技術(shù)支持。因此本課題研究具有顯著的社會效益。

10.5 無形價值

經(jīng)歷了本次QC小組活動后，小組成員的個人綜合能力得到了顯著提高，增強了團隊協(xié)作能力、提高了企業(yè)團隊合作精神、增強了解決問題的信心。

圖4 無形價值自我評估雷達圖

11 鞏固措施

a.有效落實施工考核獎懲制度，加強質(zhì)量考核，調(diào)動施工人員的積極性。

b.編制《埋弧自動橫焊焊接工藝規(guī)程》，裝訂成冊，人手一冊。

c.施工人員和質(zhì)控、技術(shù)人員定期進行交流、總結(jié)經(jīng)驗，尋找更優(yōu)的解決方案。

d.每個月進行一次質(zhì)量宣講和技術(shù)交底，提高施工人員的質(zhì)量意識和專業(yè)素質(zhì)。

e.將QC成果內(nèi)容進行發(fā)表，促進同行間的信息交流，進行資源共享。

f.依托本QC小組活動創(chuàng)新研究了多功能試驗裝置，對操作人員的技能進行深入培訓，使每個人都能熟練使用新設(shè)備，并獲得兩項專利技術(shù)。

?一種埋弧橫焊試驗裝置(發(fā)明受理專利號：ZL 2015 10603439.8)。

?一種埋弧橫焊試驗裝置(實用新型授權(quán)專利號：ZL2015 20733516.7)。

g.實現(xiàn)QC小組活動目標后，積極開展新技術(shù)研發(fā)工作，目前已將埋弧自動橫焊技術(shù)投入施工生產(chǎn)過程中。

12 小組活動總結(jié)和計劃

12.1 小組活動總結(jié)

通過本次QC小組活動，對影響埋弧自動橫焊焊接工藝評定的各種因素進行了梳理，并對其主要影響因素提出了針對性的解決措施，通過技術(shù)創(chuàng)新，徹底解決了科研技術(shù)難題，完成了本小組活動目標，即完成了焊接工藝評定，攻克了技術(shù)難題，為后續(xù)科研項目開展奠定了基礎(chǔ)。

QC小組對本次活動中成功的做法和經(jīng)驗進行了總結(jié)，并將活動中取得的科研成果成功應用到后續(xù)施工生產(chǎn)中，采用新技術(shù)，提高了生產(chǎn)率、焊接質(zhì)量、降低了生產(chǎn)成本。

經(jīng)歷本次QC小組活動，使小組成員的質(zhì)量意識、個人能力、團隊精神又有了進一步的提升，為今后繼續(xù)開展QC小組活動打下了堅實的基礎(chǔ)。在今后的抽水蓄能電站壓力鋼管制安施工中，我們將繼續(xù)利用QC活動的方式開展科技創(chuàng)新、提高工程質(zhì)量、創(chuàng)建精品工程、樹立公司品牌形象。

12.2 小組計劃

《水電站埋弧自動橫焊焊接工藝評定的研究》課題現(xiàn)已順利結(jié)題，這種新的管理模式促進了技術(shù)創(chuàng)新，取得的效果顯著。下一階段，QC小組將進行《提高下彎段漸縮彎管安裝精度》的課題研究，繼續(xù)推廣QC小組活動，以期提高工程質(zhì)量。