超大型高強鋼岔管免做水壓試驗實踐與探索

高從闖，胡旺興，倪海梅，陳忠賓

(1.江蘇國信溧陽抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇溧陽213334；2.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙410014)

0 引 言

溧陽抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)采用一洞三機布置方式，共有4個鋼岔管，其中2號和4號鋼岔管主管直徑5.7 m，支管直徑4 m，鋼板最大厚度46 mm(材質(zhì)為800 MPa級高強鋼)，外形尺寸8 400 mm×6 980 mm×6 003 mm，整體尺寸居國內(nèi)抽水蓄能電站鋼岔管前列，采用洞外組裝焊接、洞外水壓試驗、整體運輸進洞的安裝方式；1號和3號鋼岔管主管直徑7 m，支管直徑5.7 m，鋼板最大厚度60 mm(材質(zhì)為800 MPa級高強鋼)，外形尺寸12 170 mm×8 050 mm×13 334 mm，單個岔管本體總質(zhì)量達197.2 t，水壓試驗時鋼岔管總質(zhì)量約1 200 t，是目前國內(nèi)抽水蓄能電站主管直徑最大、單個質(zhì)量最重的鋼岔管，采用瓦片運輸進洞、洞內(nèi)組裝焊接安裝方式，3號鋼岔管在洞內(nèi)進行水壓試驗。在總結(jié)2、3、4號鋼岔管施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對1號鋼岔管免做水壓試驗開展了有益的實踐和探索。

1 鋼岔管免做水壓試驗設(shè)想的提出

綜合考慮以下因素，提出1號鋼岔管免做水壓試驗的設(shè)想：

(1)溧陽電站工程地下圍巖結(jié)構(gòu)差(多為Ⅳ、Ⅴ類圍巖)、巖脈分布廣，地下洞室難以大面積開挖，800 MPa級超大型鋼岔管洞內(nèi)水壓試驗面臨眾多難題。主要有圍巖承載力不夠；水壓試驗用主管大悶頭僅有一套，單件重約44 t，運輸?shù)跹b困難，重復(fù)使用難度高；洞內(nèi)空間狹小，水壓試驗設(shè)施布置困難，充排水安全風(fēng)險大等[1]。另外，開展水壓試驗對工期及工程投資影響較大。

表1 鋼材化學(xué)成分 %

(2)從規(guī)范來看，是否要做水壓試驗，尚不能做硬性規(guī)定，當(dāng)確實有一定困難時，應(yīng)采取嚴(yán)格的過程質(zhì)量控制措施，經(jīng)各方論證后確定是否可以免做水壓試驗[2-3]。

(3)溧陽電站2、3、4號鋼岔管均做了水壓試驗，通過數(shù)據(jù)分析，鋼岔管施工質(zhì)量符合設(shè)計及規(guī)范要求，焊接過程控制措施得到了多次檢驗[4-5]；且1號鋼岔管與3號鋼岔管體形參數(shù)完全一樣。

(4)通過調(diào)研國外供應(yīng)商，認(rèn)為只要在材料、焊接、焊后檢查等方面嚴(yán)格把關(guān)，施工過程中從焊接工藝、焊接方法、焊接環(huán)境、檢查標(biāo)準(zhǔn)等方面嚴(yán)格控制，可不做水壓試驗。

2 鋼岔管免做水壓試驗論證與實踐

2.1 鋼岔管母材及焊材選擇

溧陽電站鋼岔管用800 MPa鋼由日本新日鐵住友株式會社供貨，月牙肋板采用牌號為SUMITEN780Z鋼板，本體采用牌號為SUMITEN780鋼板，鋼材化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。SUMITEN780和SUMITEN780Z鋼是一種微合金化鋼，屬于低焊接裂紋敏感性鋼，焊接性能較好，SUMITEN鋼在國內(nèi)水電工程已經(jīng)積累了一定的焊接經(jīng)驗。鋼岔管焊接采用LB-116焊條，該焊條主要合金元素Ni、Cr、Mo的含量高，有利于細(xì)化晶粒、提高焊縫金屬的強度而不降低其韌性。

表2 鋼材力學(xué)性能

2.2 召開免做水壓試驗可行性咨詢會

在1號鋼岔管安裝前，公司組織召開免做水壓試驗可行性咨詢會，專家組由業(yè)內(nèi)知名專家組成，經(jīng)過詳細(xì)考察論證，提出了咨詢意見。意見認(rèn)為：溧陽鋼岔管選材慎重、合理，SUMITEN780鋼和SUMITEN780Z鋼綜合力學(xué)性能和焊接性能較好，在總結(jié)2、3、4號鋼岔管焊接經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，按照專家組提出的意見和建議，加強現(xiàn)場焊接工藝監(jiān)督和質(zhì)量控制，1號鋼岔管不進行水壓試驗可行。

2.3 安裝過程質(zhì)量管控

2.3.1 預(yù)組裝及洞內(nèi)拼裝工藝

鋼岔管出廠前進行嚴(yán)格的預(yù)組裝驗收，預(yù)組裝驗收數(shù)據(jù)優(yōu)于規(guī)范要求。在進行洞內(nèi)拼裝前，組織制定作業(yè)指導(dǎo)書，從拼裝場地的選擇、定位劃線、專用弧形支撐臺架制作、瓦片拼裝次序、專用拼裝工具的選擇等方面做了明確要求。在拼裝過程中大量采用四新技術(shù)[5]，如利用紅外線激光劃線器進行定位和測量，利用便攜式三維立體自動切割機進行切割，利用自動圓弧切割機開坡口等。1號鋼岔管洞內(nèi)拼裝歷時兩個半月，經(jīng)過聯(lián)合檢查，1號鋼岔管拼裝精度遠優(yōu)于規(guī)范要求，如管口圓度允許偏差±20.0 mm，實測值僅為±5.0 mm；坡口間隙允許偏差0～5 mm，實測值僅為0～0.5 mm。這為焊接創(chuàng)造了良好條件，有利于降低焊接殘余應(yīng)力。

2.3.2 焊接人員管理

現(xiàn)場焊接人員均具有600 MPa高強鋼焊接經(jīng)驗，經(jīng)過了800 MPa高強鋼焊接理論和實踐培訓(xùn)。在此基礎(chǔ)上，通過試板考試，層層選拔，得到現(xiàn)場焊接督導(dǎo)認(rèn)可后方可參加鋼岔管的焊接工作。層層選拔的焊工對800 MPa高強鋼焊接有了充分認(rèn)識，技能及責(zé)任心均滿足施工要求。根據(jù)每個焊工最擅長的焊接姿勢和技能分配焊接部位，現(xiàn)場配備專門探傷打磨人員，減小焊工的勞動強度。在獎懲制度上，向焊接一次探傷合格率高的焊工傾斜。

2.3.3 鋼岔管焊接工藝

(1)焊接工藝評定。800 MPa高強鋼焊接工藝評定由鋼岔管瓦片生產(chǎn)廠家進行，并提供試驗報告及焊接工藝指導(dǎo)書。800 MPa與600 MPa高強鋼異種鋼焊接工藝評定及組合焊縫焊接工藝評定，在現(xiàn)場環(huán)境和條件下進行，由參與鋼岔管焊接的焊工操作；現(xiàn)場開展了生產(chǎn)性試焊工作，采用立、橫、平、仰4種工位，以上試樣檢測結(jié)果全部合格。

(2)焊接工藝順序。鋼岔管焊接通常在洞外將月牙肋與岔管本體部分焊接，通過調(diào)整月牙肋兩側(cè)管殼的劃分，使月牙肋與兩側(cè)管殼之間的兩條“T”形焊縫在洞外施工、洞外檢測，減少洞內(nèi)焊接工程量。溧陽電站鋼岔管體形超大，無法采用此種工藝，必須在洞內(nèi)進行整體拼裝后再焊接，公司會同參建各方進行了相關(guān)研究，制定了符合現(xiàn)場實際的焊接工藝順序，焊接工藝順序如圖1所示。

圖1 1、3號鋼岔管焊接工藝順序

鋼岔管縱縫焊接順序為，B1縱縫、C1縱縫→B2縱縫、C2縱縫→A3縱縫→A2縱縫→B3縱縫、C3縱縫→A1縱縫；鋼岔管月牙肋、環(huán)縫焊接順序為B1+B2環(huán)縫、C1+C2環(huán)縫→A3+B1+C1焊縫進行定位焊接→月牙肋焊接(B1+B2、C1+C2)→A3+B1+C1環(huán)縫→A2+A3環(huán)縫、B2+B3環(huán)縫、C2+C3環(huán)縫→A1+A2環(huán)縫。采取先縱縫、后環(huán)縫、對稱焊接的方法，在月牙肋焊接前對A3+B1+C1焊縫進行定位焊接，既保證各部位相對位移在允許范圍內(nèi)，又給予月牙肋充分的變形空間，減小了焊接殘余應(yīng)力。

2.3.4 洞內(nèi)焊接環(huán)境改善

針對地下洞室滲漏水多、濕度高的情況，采取如下措施改善焊接環(huán)境：

(1)在距鋼岔管安裝部位近處低洼地帶設(shè)置集水坑，將山體滲水引至坑內(nèi)再用水泵抽出至洞外。

(2)針對距離鋼岔管焊接部位較近的洞壁滲水問題，采用卷成弧形的鐵皮或鋼管導(dǎo)流至集水坑后排出。

(3)在鋼岔管部位懸掛溫濕度計，實時測量溫濕度，當(dāng)濕度大于規(guī)范要求時，對焊接部位進行臨時封閉，采用除濕機進行除濕。

(4)由于施工初期地下洞室通風(fēng)條件差、煙塵大，在焊接時采用排氣扇間隔40m接力向外排煙。

2.3.5 焊接材料管理

現(xiàn)場焊條管理具體措施如下[6]：

(1)焊條烘烤。安排專人負(fù)責(zé)焊條烘烤，填寫烘烤及保溫記錄表，包括質(zhì)量、尺寸、型號、批號、烘烤時間及保溫時間等；現(xiàn)場懸掛溫濕度計，實時監(jiān)測焊接現(xiàn)場溫濕度，與水蒸氣分壓表進行比對，動態(tài)調(diào)整焊條的烘烤時間和最低預(yù)熱溫度。

(2)焊條領(lǐng)用。焊條由專人負(fù)責(zé)發(fā)放，領(lǐng)用人填寫領(lǐng)用單，經(jīng)現(xiàn)場施工負(fù)責(zé)人簽字確認(rèn)后方可領(lǐng)??；按照少量多次的原則，一般每次領(lǐng)取40根焊條，每名焊工領(lǐng)取焊條的時間及根數(shù)都實時記錄；領(lǐng)用出的焊條必須存放至保溫桶，并保證保溫桶處于保溫狀態(tài)；現(xiàn)場焊接必須經(jīng)過技術(shù)督導(dǎo)確認(rèn)，同意后方能進行正式焊接，防止焊條誤用；焊工需再次領(lǐng)用焊條時，需返還相應(yīng)數(shù)量的焊條頭。

(3)焊條回收。未使用完的焊條分類收集并登記，當(dāng)天下班時統(tǒng)一送回倉庫存放。

2.3.6 預(yù)熱管理

鋼岔管焊前預(yù)熱對保證焊接質(zhì)量尤為重要，為了保證預(yù)熱效果，專門成立預(yù)熱班組，按照焊接工藝規(guī)程要求，分晝夜兩班不間斷進行預(yù)熱。采用集中溫控設(shè)備進行預(yù)熱，溫度控制點12個，最大輸出功率480 kW，可以同時滿足多個部位的焊接加熱需要。每天開始焊接前，現(xiàn)場質(zhì)量負(fù)責(zé)人對當(dāng)天焊接焊縫的預(yù)熱溫度進行確認(rèn)，滿足要求后才可以焊接。

2.3.7 焊接線能量控制

在焊接過程中，安排專人對焊接線能量進行檢測、記錄，嚴(yán)格控制上限不超過40 kJ/cm，記錄人員發(fā)現(xiàn)線能量接近高限時及時發(fā)出預(yù)警，通知焊工調(diào)整焊接電流、電壓及焊接速度。

2.3.8 無損檢測

1號鋼岔管焊接于2015年3月完成，焊縫外觀質(zhì)量良好。在參建各方見證下，安裝單位對1號鋼岔管焊縫進行自檢，采用UT及TOFD探傷，探傷比例為100%，合格率100%。委托水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗測試中心進行第三方檢測，探傷比例為100%，對縱縫和環(huán)縫進行了UT和TOFD檢測，月牙肋連接焊縫進行了UT和MT檢測，合格率100%。

2.4 召開免做水壓試驗專家評審會

1號鋼岔管焊接及無損檢測完成后，公司組織召開1號鋼岔管施工質(zhì)量評價暨免做水壓試驗專題評審會。專家組通過聽取匯報、考察現(xiàn)場、查閱資料等方式，經(jīng)認(rèn)真的研究和討論，提出了評審意見。評審意見認(rèn)為：已經(jīng)完成的2、3、4號鋼岔管水壓試驗驗證了鋼岔管設(shè)計、制造與焊接質(zhì)量符合合同和規(guī)范要求；在1號鋼岔管施工過程中，業(yè)主公司、監(jiān)理單位、施工單位按照專家咨詢意見進一步優(yōu)化了焊接工藝，加強了過程控制，使得1號鋼岔管的焊接質(zhì)量處于受控狀態(tài)，建議1號鋼岔管免做水壓試驗。

2.5 充排水試驗及放空檢查

2016年5月～8月電站1號引水系統(tǒng)進行充排水試驗，充排水過程中對1號鋼岔管進行了安全監(jiān)測，1號鋼岔管的應(yīng)力、應(yīng)變、滲壓等總體符合設(shè)計要求。經(jīng)放空檢查，1號鋼岔管各部位防銹漆膜完好，未發(fā)現(xiàn)管壁有變形鼓包現(xiàn)象，利用PT、MT探傷和10倍放大鏡對月牙肋組合焊縫、縱縫和環(huán)縫進行了抽檢，檢測結(jié)果均合格。

2.6 召開1號鋼岔管安全性評價會

在1號鋼岔管充排水試驗完成后，公司邀請業(yè)內(nèi)知名專家對1號鋼岔管進行安全性評價。評價意見如下：1號鋼岔設(shè)計符合國家和相關(guān)行業(yè)規(guī)程規(guī)范的規(guī)定，鋼岔管結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其變更經(jīng)過審查審批；鋼岔管制造、安裝質(zhì)量符合合同和設(shè)計及規(guī)范要求，放空后對焊縫表面質(zhì)量進行宏觀檢查和PT、MT探傷抽檢，未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷；安全監(jiān)測基本符合設(shè)計要求。監(jiān)測成果表明，1號鋼岔管工作性態(tài)正常。溧陽電站1號鋼岔管具備安全運行條件。

3 1號鋼岔管運行情況

1號鋼岔管投運已有兩年多時間，經(jīng)歷了上水庫最高水位的考驗。通過監(jiān)測，截至目前，1號鋼岔管鋼襯最大拉應(yīng)力測值為147.2 MPa，最大壓應(yīng)力測值為276.7 MPa；1號鋼岔管月牙肋部位最大拉應(yīng)力測值為119.43 MPa，最大壓應(yīng)力測值為176.38 MPa，應(yīng)力遠小于鋼材屈服強度，1號鋼岔管運行狀態(tài)正常。另外，3號鋼岔管在三機甩負(fù)荷試驗中經(jīng)受了最高壓力的考驗，試驗結(jié)束后對水道進行排空檢查，3號鋼岔管狀態(tài)正常，再次驗證了施工過程管控措施的有效性和安全性。

4 超大型高強鋼岔管免做水壓試驗的基本條件

通過1號鋼岔管免做水壓試驗的實踐，初步提出超大型高強鋼岔管免做水壓試驗的基本條件：

(1)開展免做水壓試驗可行性研究。

(2)鋼岔管施工組織設(shè)計需要通過專家會評審。

(3)應(yīng)優(yōu)選鋼板及焊材。

(4)焊接工藝評定范圍做到全覆蓋；現(xiàn)場開展生產(chǎn)性試焊工作，包含立、橫、平、仰各種工位；試樣結(jié)果全部合格。

(5)鋼岔管瓦片在出廠前應(yīng)進行整體預(yù)組裝，組裝精度優(yōu)于規(guī)范要求。

(6)嚴(yán)格控制鋼岔管瓦片現(xiàn)場拼裝精度，各項指標(biāo)優(yōu)于規(guī)范要求，其中焊縫坡口間隙≤2 mm。

(7)焊接過程應(yīng)有監(jiān)理、建設(shè)方人員旁站，嚴(yán)格控制焊接參數(shù)，做好焊接過程記錄，確保可追溯性。

(8)焊后對所有焊縫進行UT及TOFD探傷，無損檢測一次合格率不低于99.5%，需要返修的缺陷不得有裂紋、連續(xù)未融合，不得出現(xiàn)二次返修。

(9)選擇有資質(zhì)、經(jīng)驗豐富的第三方檢測單位開展焊縫無損檢測，檢測比例100%，合格率100%，提供檢測報告。

(10)通過提高拼裝精度、焊接工藝控制、靜置、開展充排水試驗等方法有效降低焊接殘余應(yīng)力。

(11)鋼岔管施工質(zhì)量總體優(yōu)良，提供有關(guān)資料(包含完整的施工記錄)經(jīng)專家評審決定是否免做水壓試驗。

5 結(jié) 語

溧陽抽水蓄能電站1號鋼岔管經(jīng)過嚴(yán)密的論證和嚴(yán)格的施工管控免做水壓試驗，節(jié)省工程投資約450萬元，節(jié)約工期約4個月，免做水壓試驗對保證現(xiàn)場安全施工有很大的促進作用，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。作為首個免做水壓試驗的超大型高強鋼岔管，填補了抽水蓄能行業(yè)空白，在此基礎(chǔ)上提出了超大型高強鋼岔管免做水壓試驗基本條件。今后將加強對鋼岔管運行情況的監(jiān)測，進一步積累和分析運行數(shù)據(jù)，不斷補充完善免做水壓試驗基本條件，為后續(xù)工程建設(shè)提供實踐依據(jù)。