海南瓊中抽水蓄能電站壓力鋼管帷幕灌漿孔焊接封堵工藝及改進(jìn)

楊 峰，張 丹，宿 生，陳瑋彤

(海南蓄能發(fā)電有限公司，海南海口570100)

1 工程概況

海南瓊中抽水蓄能電站位于海南省瓊中縣境內(nèi)，距海南省?？谑小⑷齺喪兄本€距離分別為106、110 km，距昌江核電直線距離98 km。電站安裝3臺單機(jī)容量200 MW的可逆式水泵水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量600 MW。

樞紐工程主要由上水庫、輸水發(fā)電系統(tǒng)及下水庫等建筑物組成。其中輸水系統(tǒng)采用一洞三機(jī)布置，主洞洞徑8.40 m，高壓岔管采用鋼筋混凝土襯砌，廠前引水壓力鋼管長100 m，直徑3.80 m，板厚0.32～0.52 m，材質(zhì)為610CF，最大設(shè)計水頭328 m。

表1 引水壓力鋼管帷幕灌漿孔參數(shù)

電站引水壓力鋼管共有35個管節(jié)，在壓力鋼管1號管節(jié)圓周方向開3排φ75 mm灌漿孔，每排10個。壓力鋼管段帷幕灌漿孔布置及參數(shù)見圖1、表1。

圖1 引水壓力鋼管防滲帷幕灌漿孔布置示意

2 壓力鋼管帷幕灌漿孔封堵方案

灌漿孔是壓力鋼管的薄弱部位，其封堵工藝要求嚴(yán)格，且受地下水影響較大，一旦形成缺陷對工程運(yùn)行將產(chǎn)生不利影響。目前壓力鋼管灌漿孔封堵主要有2種，即焊接封堵法和環(huán)氧樹脂封堵法，前者是國內(nèi)工程常用的方案，但由于施工要求高、工藝復(fù)雜等原因，易發(fā)生質(zhì)量缺陷；后者在國外多個工程中得到成功應(yīng)用，國內(nèi)工程應(yīng)用經(jīng)驗則很少(則僅有小浪底工程由于工期緊等原因采用該方案)。

參考國內(nèi)類似工程經(jīng)驗，海南瓊中抽水蓄能電站壓力鋼管帷幕灌漿孔采用焊接封堵。

2.1 灌漿孔封堵設(shè)計

壓力鋼管目前基本上都是在工廠制作，鋼管管節(jié)上灌漿孔開孔尺寸為75 mm。灌漿孔后設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)板并加工螺紋，開孔尺寸和螺距為57 mm×3 mm，工廠內(nèi)同時生產(chǎn)與之匹配封堵堵頭(見圖2)。在設(shè)計上為保證后期灌漿孔焊接封堵質(zhì)量，堵頭與補(bǔ)強(qiáng)板間加銅墊圈，堵頭旋緊保證無水滲出，以確保焊接封堵質(zhì)量。

圖2 帷幕灌漿孔封堵設(shè)計(單位：mm)

2.2 封堵施工難點(diǎn)

(1)600 MPa級及以上高強(qiáng)鋼板灌漿孔堵頭封堵焊接收縮應(yīng)力較大，對焊接環(huán)境及焊接工藝要求較高，焊縫裂紋易發(fā)且不易檢測發(fā)現(xiàn)。

(2)電站地下廠房及高壓岔管區(qū)域巖性為砂巖，透水性強(qiáng)，灌漿孔封堵過程中可能出現(xiàn)孔內(nèi)滲水情況，將影響焊接質(zhì)量，并可能導(dǎo)致延遲裂紋。

(3)工程整體工期非常緊張，土建灌漿施工及后續(xù)灌漿孔焊接封堵銜接緊密，對焊接工藝控制等提出了較高要求。

3 壓力鋼管帷幕灌漿孔封堵工藝

3.1 施工工藝措施

為保證灌漿孔焊接封堵質(zhì)量，制定本焊接方案，施焊時嚴(yán)格按照以下工藝要求執(zhí)行。

(1)清理灌漿孔水泥漿和銹漬。

(2)電焊條350 ℃烘焙1 h。

(3)封堵施焊前采用火焰加熱對補(bǔ)焊區(qū)域及相鄰約150 mm范圍內(nèi)的母材進(jìn)行預(yù)熱，加熱溫度80 ℃。

(4)封堵施焊采用￠3.2mm結(jié)CHE607RH超低氫焊條。

(5)封堵焊縫分3層完成，每道焊縫完成后清理焊渣，檢查焊縫表面質(zhì)量，無缺陷后焊接下第2道焊縫。

(6)焊接過程中控制層間溫度80～160 ℃，對封焊堵頭適當(dāng)?shù)腻N擊消除焊接應(yīng)力。

(7)各層間起弧點(diǎn)應(yīng)錯開30 mm以上。

(8)蓋面層焊接完成后應(yīng)使用回火焊道技術(shù)，即當(dāng)蓋面層焊接完成后，在蓋面層上再焊接一層以達(dá)到對蓋面層焊道進(jìn)行回火的目的，回火焊道只能焊接在蓋面層上且不能與兩側(cè)的母材相接觸。焊縫厚度控制在3～4 mm。

(9)封焊工作結(jié)束后對焊道進(jìn)行消氫處理，加熱溫度350 ℃，并覆蓋保溫材料。

(10)進(jìn)行著色探傷(PT)。

(11)檢查焊縫無表面缺陷后打磨焊道，并進(jìn)行防腐處理。

3.2 焊縫檢測

灌漿孔封堵焊縫采用PT檢查。層間焊縫在清渣完成后進(jìn)行表面宏觀檢查，回火焊道完成，焊縫自然冷卻后進(jìn)行PT檢查。為防止焊縫延遲裂紋的出現(xiàn)，在灌漿孔焊接封堵工作完成，進(jìn)入防腐工序前再次對打磨后的焊縫進(jìn)行PT檢查。焊縫檢測成果統(tǒng)計見表2。對出現(xiàn)裂紋的灌漿孔堵頭焊縫進(jìn)行返修，并制定專門的返修方案。所有灌漿孔PT檢查后確認(rèn)無裂紋，進(jìn)入堵頭防腐工序。

表2 焊縫檢測成果統(tǒng)計

4 現(xiàn)場施工存在問題及優(yōu)化建議

4.1 灌漿孔保護(hù)

4.1.1 灌漿孔保護(hù)套形式

帷幕灌漿施工過程中，鉆具的擺動及灌漿過程易損壞或污染灌漿孔補(bǔ)強(qiáng)板上的螺紋，影響后期焊接封堵堵頭的安裝。為了避免這種情況，GB50766—2012《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗收規(guī)范》建議“灌漿孔設(shè)置空心螺紋保護(hù)套”。參考同類工程經(jīng)驗，本工程在壓力鋼管制造階段，即設(shè)計、制作了與灌漿孔匹配的空心螺紋保護(hù)套(見圖3)。

圖3 壓力鋼管帷幕灌漿孔空心螺紋保護(hù)套

4.1.2 灌漿孔開孔設(shè)計與土建灌漿需求的矛盾

根據(jù)DL/T 5148—2012《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》的要求，帷幕灌漿鉆孔直徑采用54 mm，采用地質(zhì)鉆鉆孔，鉆頭直徑54 mm，鉆桿直徑50 mm。

壓力鋼管管節(jié)上開孔主要考慮強(qiáng)度問題，本工程在查閱國內(nèi)大量同類工程圖紙資料的情況下，選用的鋼管灌漿孔保護(hù)套內(nèi)徑只有45 mm。實際施工時，因地質(zhì)鉆鉆頭無法通過保護(hù)套，鉆孔工作一度停止。為確保灌漿質(zhì)量，最終在灌漿過程中取消了孔保護(hù)套。由于地質(zhì)鉆鉆桿與鋼管補(bǔ)強(qiáng)板灌漿孔單邊間隙為3.5 mm，鉆桿由于擺動與鋼管補(bǔ)強(qiáng)板灌漿孔螺紋摩擦，補(bǔ)強(qiáng)板螺紋受損嚴(yán)重(圖4a)，且灌漿完成后水泥漿液附著在灌漿孔孔壁(圖4b)，難以清理干凈，對后期焊接封堵質(zhì)量有直接影響。

圖4 灌漿過程中出現(xiàn)問題

在后期灌漿孔焊接封堵時，部分灌漿孔有滲水現(xiàn)象，由于補(bǔ)強(qiáng)板螺紋受損，堵頭只能直接放入灌漿孔內(nèi)，無法旋緊止水，焊接封堵質(zhì)量難以保證，大大增大了焊接延遲裂紋出現(xiàn)的可能性。

通過咨詢和查閱相關(guān)資料，國內(nèi)在建和已建成的多座水電站均出現(xiàn)了這個問題。

4.1.3 灌漿孔設(shè)計優(yōu)化建議

由于制作工藝要求較高，壓力鋼管帷幕灌漿孔開孔需在工廠完成，現(xiàn)場安裝后即不再具備擴(kuò)孔或調(diào)整條件。故在設(shè)計階段應(yīng)充分考慮壓力鋼管灌漿孔保護(hù)與灌漿施工的需求，確保設(shè)計意圖在施工中得以實現(xiàn)。

為保證鋼管的強(qiáng)度，鋼管上帷幕灌漿孔開孔宜小，開孔孔徑可選為75 mm，但為了同時滿足灌漿鉆孔需求，需同時增大補(bǔ)強(qiáng)板上灌漿孔孔徑及保護(hù)套孔徑。根據(jù)現(xiàn)場施工實際，可把補(bǔ)強(qiáng)板上灌漿孔孔徑尺寸調(diào)整為66～70 mm，并設(shè)計相應(yīng)的保護(hù)套(內(nèi)徑>54 mm)，在確保鋼管強(qiáng)度的情況下，可同時滿足灌漿施工及灌漿孔保護(hù)的要求。后期灌漿孔焊接封堵時，可完成加銅墊旋緊堵頭止水的工藝，確保施工質(zhì)量。

4.2 灌漿孔封堵選材

4.2.1 高強(qiáng)鋼材焊接封堵的問題

由于高水頭水電站工程的大量建設(shè)，600 MPa級及以上高強(qiáng)鋼材在壓力鋼管制造上已得到普遍使用。600 MPa級鋼材良好的焊接性已在實踐中得到證實，但其作為灌漿孔焊接封堵堵頭材料時，其焊接質(zhì)量往往難以得到充分保證。實際灌漿孔焊接封堵施工中，由于小尺寸、焊接拘束度大的條件約束，且鋼管內(nèi)部現(xiàn)場焊接條件極為復(fù)雜，施工中易出現(xiàn)砂眼、氣孔等焊接缺陷。高強(qiáng)鋼材焊接延遲裂紋也易于出現(xiàn)。

國內(nèi)已有多個工程因灌漿孔焊接條件差及焊接工藝不當(dāng)引起壓力鋼管漏水，需排空隧洞進(jìn)行處理。

國外一些工程的試驗表明，目前在800 MPa級高強(qiáng)鋼板上的灌漿孔焊接封堵無法實現(xiàn)，并禁止在該類鋼板上開灌漿孔。

4.2.2 灌漿孔封堵選材優(yōu)化建議

針對這種情況，GB50766—2012《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗收規(guī)范》對600 MPa級鋼材灌漿孔焊接裂紋的易發(fā)及危害給予了專門說明，并對灌漿孔堵頭焊接工藝和堵頭選材方面提出了建設(shè)性探討建議。

為保證現(xiàn)場灌漿孔焊接封堵質(zhì)量，建議在設(shè)計、制作階段應(yīng)對灌漿孔堵頭選材加以考慮并完成前期工作，并給出不同選材焊接工藝評定報告。

基于壓力鋼管灌漿孔采用高強(qiáng)度級別鋼材出現(xiàn)焊接裂紋等缺陷的現(xiàn)狀，考慮針對灌漿孔堵頭的選材及低強(qiáng)度匹配焊接可行性問題，使用Q235和Q345共2種低強(qiáng)度級別鋼材與現(xiàn)有600 MPa級母材，開展焊接試驗及性能評定，通過分析和總結(jié)，找出低強(qiáng)度匹配焊接的可行性及其下限。試驗內(nèi)容主要包括以下方面：

(1)機(jī)械性能測試，焊接試板加工，600 MPa級板材- 600 MPa級板材、600 MPa級板材-Q235和600 MPa級板材-Q345配對接頭，進(jìn)行無損探傷、焊接接頭及熱影響區(qū)金相組織分析、焊接接頭拉伸強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度測量，檢測低強(qiáng)度匹配焊接接頭的基本性能。

(2)母材抗裂性試驗，可選擇預(yù)熱和不預(yù)熱兩種工藝，制備出試驗用焊接接頭，即600 MPa級板材- 600 MPa級板材、600 MPa級板材-Q235和600 MPa級板材-Q345配對接頭，進(jìn)行抗裂性試驗。評估焊接接頭裂紋敏感性，確定低匹配接頭與同材質(zhì)接頭的抗延遲裂紋優(yōu)劣問題。

并依據(jù)上述檢測結(jié)果、評價分析及提出焊接接頭選材的可行性。

5 結(jié) 語

海蓄電站土建施工前期，對引水鋼管帷幕灌漿孔的封堵問題進(jìn)行了一定的準(zhǔn)備，但實際施工中還是遇到問題，未深入認(rèn)識到鋼管灌漿孔設(shè)計與土建灌漿的需求關(guān)系，導(dǎo)致后期工作難度增加，部分設(shè)計意圖無法實現(xiàn)。通過對現(xiàn)場施工中遇到問題進(jìn)行分析、總結(jié)，關(guān)注到灌漿和焊接封堵工藝兩個重點(diǎn)工序的關(guān)聯(lián)性和重要性。也希望后續(xù)項目能對灌漿孔焊接封堵選材試驗給予重視，完善600 MPa及以上級別壓力鋼管帷幕灌漿孔焊接封堵工藝標(biāo)準(zhǔn)。