塔貝拉水電站超大型卜形貼邊岔管制作安裝技術(shù)

金 勝，岳 廷 文，萬(wàn) 天 明

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司 機(jī)電安裝分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

塔貝拉水電站位于巴基斯坦開伯爾-普什圖省境內(nèi)，坐落于印度河干流上，其引水壓力鋼管由原有的4#泄洪洞改建而成。主管直徑13 m，通過(guò)4個(gè)鋼岔管將主管分為3趟、直徑為7.5 m的發(fā)電支管和2趟、直徑為8 m的泄洪管。

貼邊岔管技術(shù)參數(shù)：2個(gè)貼邊岔管縱向串聯(lián)布置，貼邊岔管主管直徑為13 m，支管直徑為8 m，分叉角為65°，貼邊岔管管壁厚度均為60 mm，相貫線位置設(shè)計(jì)了3層補(bǔ)強(qiáng)板，1、2層板厚為60 mm的高強(qiáng)鋼，第3層為在其銳角區(qū)沿圓周45°方向設(shè)置。單個(gè)岔管總重量為493.258 t。該工程布置了2個(gè)該尺寸的貼邊岔管(圖1)。

圖1 卜形貼邊岔管示意圖

岔管管壁及補(bǔ)強(qiáng)板選用首鋼生產(chǎn)的07MnCrVR(即抗拉強(qiáng)度610 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼板)，管壁厚60 mm。單個(gè)貼邊岔管分為9個(gè)大節(jié)，共36張瓦片；三層補(bǔ)強(qiáng)板共分為32張瓦片；縱縫長(zhǎng)145 m，環(huán)縫長(zhǎng)617 m，焊接量較大。該貼邊岔管外貼三層補(bǔ)強(qiáng)板，補(bǔ)強(qiáng)板的形狀與主管和支管管壁相交的相貫線相似，第一層寬度為2.5 m，厚度為60 mm，第二層寬度為2 m，厚度為60 mm，第三層寬度為1 m，厚度為40 mm。

三層補(bǔ)強(qiáng)板重合且在相貫線位置多道焊縫相互重疊，同一位置焊接量大，應(yīng)力集中。

在岔管制作安裝過(guò)程中，必須解決岔管瓦片的合理劃分、焊縫布置、主管與支管相貫線位置的焊接坡口角度、焊接變形的控制、管節(jié)的出廠形式、運(yùn)輸方案、管節(jié)的吊裝與組裝、管節(jié)的焊接順序、補(bǔ)強(qiáng)板的焊接順序、焊接殘余應(yīng)力的降低，這些相互關(guān)聯(lián)的工作決定了整個(gè)岔管的設(shè)備配置、焊接工藝、焊接殘余應(yīng)力的大小及分布情況。

2 岔管制作安裝的技術(shù)準(zhǔn)備

2.1 展開圖的校核

首先使用專用工具建模軟件，建立1∶1三維殼體模型，用模型轉(zhuǎn)換為下料放樣圖，然后采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)計(jì)算方法進(jìn)行展開放樣并與三維殼體建模展開的圖紙進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)其是否有大的誤差，然后進(jìn)入下料排料程序。這是岔管瓦片劃分工作及精確下料之前必不可少的工作。

2.2 岔管瓦片的劃分

對(duì)岔管瓦片展開圖紙校核完成后，根據(jù)卷板設(shè)備的加工能力、運(yùn)輸情況、供貨廠家鋼板的極限長(zhǎng)寬對(duì)展開圖紙進(jìn)行分片。

2.3 加工采用的專用設(shè)備

用于岔管制作的鋼材強(qiáng)度較高，加工過(guò)程中不允許火焰矯形及強(qiáng)制組裝。采用卷板機(jī)加工岔管瓦片的方法是在卷制時(shí)將上輥調(diào)整為與卷板素線平行進(jìn)行小進(jìn)輥量卷制。岔管高強(qiáng)鋼焊接時(shí)，需要進(jìn)行預(yù)熱、后熱消氫及道間溫度控制，溫度控制采用4套自動(dòng)溫控儀及手持式紅外測(cè)溫儀進(jìn)行溫度監(jiān)控及檢驗(yàn)。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)的解決

(1)多層貼板重合焊接坡口問(wèn)題。貼邊岔管外設(shè)計(jì)了三層補(bǔ)強(qiáng)板，每層補(bǔ)強(qiáng)板焊縫要求焊透并達(dá)到1類焊縫要求。由于支管與主管相貫線不同位置的相交角度不斷地發(fā)生變化，導(dǎo)致下料時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確地確定焊接坡口的具體形式及尺寸。由于這一差異的存在，大型岔管如果用定值坡口就會(huì)引起焊縫坡口角度過(guò)大或過(guò)小的問(wèn)題，使焊縫間的間隙嚴(yán)重超標(biāo)。

為了解決上述坡口問(wèn)題以及消除其他瓦片下料卷制過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷問(wèn)題，要求瓦片在下料卷板車間對(duì)下料卷制完成的管節(jié)瓦片及補(bǔ)強(qiáng)板瓦片進(jìn)行預(yù)組裝，以保證卷板弧度及下料尺寸的精確性。對(duì)相貫線位置的坡口采用在預(yù)裝時(shí)根據(jù)不同的位置實(shí)時(shí)確認(rèn)坡口的大小，以達(dá)到坡口形狀和尺寸最優(yōu)。

(2)多層貼板焊接首先需要從工藝上考慮第一層貼板與鋼管管壁環(huán)縫及縱縫的錯(cuò)縫問(wèn)題；其次考慮貼板與貼板之間的錯(cuò)縫問(wèn)題。根據(jù)實(shí)際情況，不同層之間相鄰焊縫的錯(cuò)縫距離為300 mm以上。

3 材料碳當(dāng)量

對(duì)到貨的鋼板除按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行超聲檢測(cè)外，還根據(jù)鋼材的化學(xué)成分進(jìn)行了碳當(dāng)量Ceq、冷裂紋敏感系數(shù)Pcm及預(yù)熱溫度T的計(jì)算。從實(shí)際到貨情況看各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到要求。計(jì)算公式如下：

碳當(dāng)量Ceq=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14=0.388%

冷裂紋敏感系數(shù)Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B

=0.188%

冷裂紋敏感性Pc=Pcm+[H]/60+δ/600

式中 [H]為熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量,最大值取0.9 mL/100 g；δ為鋼板厚度；Pc=0.303%。

預(yù)熱溫度T=1 440Pc-392 ℃。當(dāng)板厚度為60 mm時(shí)，預(yù)熱溫度T=44.32 ℃；綜合考慮焊條因數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)施工情況以及壓力鋼管規(guī)范，將預(yù)熱溫度控制在100 ℃。

4 岔管的制作

下料與切割：將由建模軟件中生成的1∶1瓦片模型進(jìn)行分解，分解成為可直接下料的瓦片圖，圖紙為1∶1尺寸。下料時(shí)將圖紙直接轉(zhuǎn)換后輸入數(shù)控切割機(jī)，套料后數(shù)控切割機(jī)不開火焰在下料鋼板上行走一遍，無(wú)問(wèn)題后開始正式下料。下料后檢測(cè)瓦片尺寸、對(duì)角線等。焊縫坡口按照?qǐng)D紙規(guī)定的尺寸切割，切割后用砂輪將坡口打磨出金屬光澤。

岔管瓦片壓制成形：在瓦片加工前，應(yīng)特別注意鏡像對(duì)稱瓦片內(nèi)外壁的區(qū)分，如果卷制方向出現(xiàn)錯(cuò)誤將會(huì)導(dǎo)致瓦片報(bào)廢。因此，在數(shù)控切割后，應(yīng)在下料車間做出清晰的標(biāo)識(shí)。

鋼板瓦片壓制、卷板時(shí)不允許錘擊，以防止在鋼板上出現(xiàn)錘擊傷痕。岔管鋼板壓制后，禁止采用火焰校正弧度。

岔管瓦片壓制采用素線法。在鋼板每間隔0.8～1 m標(biāo)識(shí)出卷板素線。先壓制兩頭，再壓制中間。分多次將瓦片壓制成所需要的弧度。實(shí)踐證明：該加工方法具有非常高的加工精度，岔管所有瓦片的加工沒(méi)有采用過(guò)任何火焰校正，瓦片成形質(zhì)量良好，對(duì)接處過(guò)渡平滑，從而為岔管制作安裝打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

瓦片卷制包括板料對(duì)中、壓頭、卷弧和修弧四道工序。具體工藝如下：

(1)板料邊對(duì)正與管節(jié)壓頭。

先調(diào)整卷板機(jī)下輥，鋼板對(duì)正，啟動(dòng)卷板機(jī)進(jìn)行壓頭。在卷制過(guò)程中需注意盡量采用小進(jìn)輥量反復(fù)多次卷制，以使其兩端弧度滿足要求。三輥卷板機(jī)壓頭時(shí)，通過(guò)移動(dòng)下輥配合上輥進(jìn)行，壓頭時(shí)利用弧形樣板檢測(cè)弧度至符合要求。

(2)管節(jié)卷弧與修弧。

管節(jié)壓頭完成后，將卷板機(jī)下(側(cè))輥調(diào)整回原位，通過(guò)調(diào)整上輥反復(fù)卷制，其卷制順序?yàn)椋合染戆宥瞬?、后卷中部。卷板過(guò)程中不斷使用樣板檢查調(diào)整，需注意盡量采用小給進(jìn)量卷制。帶錐度瓦片卷制素線間隔0.8～1 m。

在卷制過(guò)程中，應(yīng)及時(shí)檢查清除鋼板上的氧化皮、鐵銹及其他雜物。

卷弧后將管節(jié)以自由狀態(tài)立放在平臺(tái)上，用樣板、鋼盤尺檢查管節(jié)弧度、扭曲及錐度。若卷曲弧度不符合要求，則須重新吊至卷板機(jī)上修弧，直到其合格為止。

(3)現(xiàn)場(chǎng)管節(jié)對(duì)圓組裝。

岔管管節(jié)在平臺(tái)上采用立式組裝方式進(jìn)行。組裝步驟如下：①檢查驗(yàn)收瓦片；②吊裝瓦片對(duì)裝壓縫并調(diào)整對(duì)裝間隙；③檢查對(duì)裝縱縫的弧度；④對(duì)縱縫進(jìn)行加固焊接；⑤加溫預(yù)熱至100 ℃；⑥焊接縱縫。在間隙和錯(cuò)牙調(diào)整時(shí),要同時(shí)使用鋼盤尺、弦長(zhǎng)為1.5m的樣板、間隙檢查尺等檢查鋼管組裝后的圓度(每端管口至少測(cè)兩對(duì)直徑)、上下管口周長(zhǎng)、縱縫處弧度、管口平面度、縱縫間隙以及縱縫處錯(cuò)牙情況并調(diào)整至合格。縱縫組裝合格后，在管節(jié)背縫位置進(jìn)行定位焊接，以確保其錯(cuò)邊和坡口間隙不產(chǎn)生位移。定位焊焊接工藝和對(duì)焊工的要求與主縫相同，定位焊的起始位置應(yīng)距焊縫端部30 mm以上；定位焊長(zhǎng)度為最少50～60 mm，間距以不超過(guò)400 mm為宜。定位焊引弧與熄弧應(yīng)在坡口內(nèi)進(jìn)行；定位焊縫上的碎屑、渣滓、油和其他雜物等均應(yīng)清除后再焊接。

焊接要求為：①焊接坡口的清理，所有擬焊面和離焊接邊緣至少50 mm內(nèi)鋼板面的氧化皮、鐵銹、油污或其雜質(zhì)均應(yīng)全部清理干凈，每一層焊接金屬表面焊渣均應(yīng)徹底清理干凈，尤其是在焊下一層前必須清除所有焊渣。②定位焊位置應(yīng)距焊縫端部30 mm以上，厚度不宜超過(guò)正式焊縫的1/2，最高不超過(guò)8 mm，但清根時(shí)應(yīng)清除。③焊前預(yù)熱。由于整個(gè)岔管為高強(qiáng)鋼，因此，在焊接之前需要對(duì)焊縫預(yù)熱至100 ℃，層間溫度不應(yīng)低于預(yù)熱溫度且不高于230 ℃。④焊接順序和焊接要求。對(duì)有多條縱縫的鋼管采用多人同時(shí)焊接。在焊接過(guò)程中，為減少變形和收縮應(yīng)力，施焊前選定合適的焊接順序，盡量保證在各個(gè)不同側(cè)面受到的焊接預(yù)熱量達(dá)到平衡。對(duì)背縫進(jìn)行碳弧氣刨清根、打磨時(shí)，將滲碳層打磨干凈。環(huán)縫的焊接與縱縫的焊接基本一致。在焊接過(guò)程中，需要6～8名焊工對(duì)稱施焊。⑤焊接規(guī)范參數(shù)。焊接規(guī)范按照焊接工藝評(píng)定確定的參數(shù)編制焊接作業(yè)指導(dǎo)書后下發(fā)執(zhí)行。⑥焊接道間溫度的控制。層間溫度的控制是獲得優(yōu)良焊縫金屬的必要條件。層間溫度一般控制在100 ℃～150 ℃，或控制在不低于預(yù)熱溫度、但最高不高于230 ℃。所有焊縫應(yīng)盡量保證一次性連續(xù)施焊完畢，若因不可避免的因素確需終斷焊接時(shí)，在重新焊接前，必須再次預(yù)熱，預(yù)熱溫度不得低于前次預(yù)熱的溫度。⑦后熱消氫。后熱消氫方法：與預(yù)熱加熱方法相同，溫度為150 ℃～200 ℃，保溫時(shí)間為1 h。⑧焊縫檢驗(yàn)：UT100%,TOFD20%,PT。

5 岔管的安裝

岔管管節(jié)吊裝到位后，搭設(shè)內(nèi)外工作平臺(tái)，利用專用工具掛在鋼管外壁預(yù)設(shè)的壓碼上，用專用工具調(diào)整管節(jié)間隙及焊縫錯(cuò)邊。

岔管相貫線上的焊縫布置形式見(jiàn)圖2。先安裝直徑13 m的主管側(cè)，主管安裝定位焊接完畢，安裝直徑8 m的支管側(cè)，然后安裝補(bǔ)強(qiáng)板。安裝順序見(jiàn)圖2，從①到⑧，依次安裝。

圖2 岔管相貫線上的焊縫形式圖

6 岔管補(bǔ)強(qiáng)板焊縫的焊接順序

在三層補(bǔ)強(qiáng)板的焊接過(guò)程中，因位于直徑13 m側(cè)及直徑8 m側(cè)補(bǔ)強(qiáng)板的焊縫都需要在相貫縫位置焊接，導(dǎo)致相貫縫焊縫的焊接基本重合在同樣的位置，在后焊接的過(guò)程中對(duì)以前焊接完成的焊縫反復(fù)進(jìn)行加熱，降低了以前焊接的焊縫材料的機(jī)械物理性能，以及在同一位置太多的焊縫重合不可避免地會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中。因此，在焊接過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制焊接線能量的輸入，減少每道焊縫的熱影響區(qū)范圍，盡可能地降低對(duì)焊縫機(jī)械物理性能的影響。

單層貼板的焊接順序(圖3)：(1)焊接相貫縫；(2)焊接內(nèi)側(cè)塞焊孔；(3)焊接補(bǔ)強(qiáng)板對(duì)接縫；(4)焊接外側(cè)的塞焊孔；(5)焊接補(bǔ)強(qiáng)板外側(cè)的角焊縫。

在焊接過(guò)程中，需要解除定位焊、拉板等的約束；同時(shí)，為了防止在焊接相貫縫的過(guò)程中外圈角焊縫位置的鋼板產(chǎn)生較大的角變形，可以使用壓板在外圈角焊縫位置將補(bǔ)強(qiáng)板鋼板壓住，但不得焊接固定，必須保證相關(guān)縫焊接時(shí)補(bǔ)強(qiáng)板能沿著圓周方向自由收縮，以達(dá)到降低焊接應(yīng)力的目的。

圖3 岔管補(bǔ)強(qiáng)板焊縫的布置和焊接順序圖

直徑8 m側(cè)焊接順序與直徑13 m側(cè)補(bǔ)強(qiáng)板焊縫焊接順序相似，同樣是先開始焊接相貫線位置，其次焊接靠相貫線側(cè)的塞焊孔，再焊接縱縫，之后焊接第二排塞焊孔，最后焊接離相貫縫最遠(yuǎn)的角焊縫。

7 岔管的檢驗(yàn)

岔管的幾何誤差按照國(guó)標(biāo)GB50766-2012實(shí)行，探傷要求為1、2類焊縫100%UT，20%TOFD抽查。該岔管的相貫線位置焊縫及補(bǔ)強(qiáng)板之間的對(duì)接縫全部按照1類縫檢測(cè)。在該超大型岔管施工完畢，該岔管參與了塔貝拉水電站岔管群的聯(lián)合水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為2.4 MPa，保壓2 h，該壓力約為工作壓力的1.5倍，水壓試驗(yàn)結(jié)果為合格。該岔管在經(jīng)過(guò)超工作壓力的水壓試驗(yàn)后，焊接殘余應(yīng)力峰值得到了削減，從而有利于后期長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

8 結(jié) 語(yǔ)

隨著我國(guó)水電建設(shè)的高速發(fā)展，在超大型壓力鋼管上使用超大型岔管將會(huì)變得常見(jiàn)。本工程在制作安裝中使用了新的技術(shù)及建模軟件、新的結(jié)構(gòu)焊接工藝技術(shù)等，筆者希望通過(guò)本文使大家了解到塔貝拉水電站岔管制作安裝技術(shù)，供同行指正。