大型抽水蓄能電站鋼岔管焊接質(zhì)量控制技術(shù)研究

李 兵，常 勇，陳善貴，刁統(tǒng)亞

（1.安徽績(jī)溪抽水蓄能有限公司，安徽省宣城市 245300；2.江蘇江南檢測(cè)有限公司，江蘇省南京市 210003）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站建設(shè)處于發(fā)展高峰期，多個(gè)高水頭抽水蓄能電站陸續(xù)開(kāi)工建設(shè)。為保證引水系統(tǒng)安全，高水頭抽水蓄能電站鋼岔管多采用800MPa高強(qiáng)鋼進(jìn)行拼裝焊接，如何有效控制好高強(qiáng)鋼焊接質(zhì)量是一個(gè)永恒的話題。本文以安徽績(jī)溪抽水蓄能電站鋼岔管焊接為例，從影響焊接的因素到現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)鋼岔管焊縫缺陷并分析查找原因的過(guò)程，一步步分析、總結(jié)高強(qiáng)鋼岔管焊接質(zhì)量控制措施。

1 工程概述

安徽績(jī)溪抽水蓄能電站位于安徽省績(jī)溪縣伏嶺鎮(zhèn)境內(nèi)。電站由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房、地面開(kāi)關(guān)站及下水庫(kù)等建筑物組成。輸水系統(tǒng)連接上、下水庫(kù)，為3洞6機(jī)布置方式。3條引水隧洞壓力鋼管布置情況基本相同，從上游往下游依次分為上平段、上斜段、中平段、下斜段、下平段、引水岔管、支管。地下廠房?jī)?nèi)安裝6臺(tái)單機(jī)容量為300MW的混流可逆式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為1800MW。

績(jī)溪抽水蓄能電站引水鋼岔管采用對(duì)稱(chēng)Y形鋼岔管，主管直徑為4.0m，兩個(gè)支管直徑為2.8m，公切半徑為2.2688m，為主管管徑的1.134倍，最大內(nèi)水壓力1012m水頭，分岔角為70°，采用SX780CF鋼板，主支管壁厚δ=58mm，月牙肋壁厚為126mm，單個(gè)鋼岔管重量約40t。岔管下料、卷制、小節(jié)組焊由供貨廠家完成，岔管供貨廠家將岔管瓦片組焊成五大部分（分為主錐和副錐管節(jié)），鋼岔管在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行五大部分整體組裝和組焊（環(huán)縫焊接）、水壓試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)安裝?？?jī)溪抽水蓄能電站鋼岔管設(shè)計(jì)壓力高，運(yùn)行時(shí)局部應(yīng)力大[1]，作為引水系統(tǒng)最重要的部件，其焊接質(zhì)量的好壞對(duì)電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有深遠(yuǎn)影響。

2 影響鋼岔管焊接質(zhì)量的因素及采取的措施

本文從“人、機(jī)、料、法、環(huán)”等幾種因素進(jìn)行逐一分析，影響鋼岔管焊接質(zhì)量的因素如圖1所示。

圖1 因素調(diào)查分析Figure 1 Factor investigation and analysis

為了確保鋼岔管的焊接質(zhì)量，在施工過(guò)程中，業(yè)主、監(jiān)理、施工方、金屬試驗(yàn)檢測(cè)方均高度重視，對(duì)從事鋼岔管一、二類(lèi)焊縫焊接的焊工持有的有效合格證書(shū)進(jìn)行了嚴(yán)格的資格審查，在開(kāi)焊前組織了嚴(yán)格的鋼岔管高強(qiáng)鋼焊接考核，保證焊接人員滿足現(xiàn)場(chǎng)焊接要求。焊接前對(duì)鋼岔管焊接班組進(jìn)行了技術(shù)交底，讓焊工充分了解鋼岔管的焊接特性以及焊接過(guò)程中的要點(diǎn)。

施工過(guò)程中安排專(zhuān)人在焊接前及焊接結(jié)束后對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行檢查，堅(jiān)決杜絕設(shè)備“帶病”工作。現(xiàn)場(chǎng)還配備一臺(tái)（120kW）柴油發(fā)電機(jī)，防止發(fā)生由于設(shè)備故障、停電等情況造成焊接過(guò)程的中斷而影響到鋼岔管的焊接質(zhì)量。

在鋼岔管拼裝焊接前，金屬試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)人員、監(jiān)理、業(yè)主、鋼岔管制作廠家共同制定現(xiàn)場(chǎng)鋼岔管安裝焊接技術(shù)方案和工藝，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)可能影響焊接質(zhì)量的各類(lèi)條件提出了注意事項(xiàng)和保證措施，對(duì)整個(gè)焊接工藝和材料進(jìn)行了嚴(yán)格的試驗(yàn)檢測(cè)

首先對(duì)施工方的焊接工藝試樣進(jìn)行了如下試驗(yàn)[2]：

依據(jù)《焊縫無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》（GB/T 11345—2013）標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫進(jìn)行了超聲檢測(cè)。

依據(jù)《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》（NB/T 47013—2015）標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫進(jìn)行了磁粉檢測(cè)。

依據(jù)《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T 228.1—2010）、《金屬材料 彎曲試驗(yàn)方法》（GB/T 232—2010）、《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》（GB/T 229—2007）、《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》（GB/T 2650—2008）、《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》（GB/T 2651—2008）等標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、金相分析、硬度檢驗(yàn)等。

根據(jù)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)和《水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》（DL/T 5017—2007）、《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》（NB/T 47014—2011）等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合評(píng)定，結(jié)果均評(píng)定合格。因此鋼岔管焊接工藝是可行的。

根據(jù)已經(jīng)完成的焊接工藝評(píng)定的結(jié)果及焊接工藝規(guī)程的要求，鋼岔管制作時(shí)的焊材選用如下：SX780CF鋼選用CHE80CF型焊條，直徑φ3.2mm，φ4.0mm。焊條放置于通風(fēng)、干燥和室溫不低于5℃的專(zhuān)設(shè)庫(kù)房?jī)?nèi)。焊材在發(fā)放前均做好焊材的發(fā)放、回收記錄和烘焙記錄。焊條烘焙溫度350℃下保溫2h。焊工領(lǐng)取焊條后及在隨后的施焊過(guò)程中，都將焊條放在保溫桶中，做到隨用隨取。

鋼岔管組裝件在進(jìn)場(chǎng)及拼裝焊接時(shí)業(yè)主、監(jiān)理、施工單位和金屬試驗(yàn)室進(jìn)行了各項(xiàng)認(rèn)真細(xì)致的驗(yàn)收工作，為了防止鋼岔管在運(yùn)輸過(guò)程中碰撞產(chǎn)生微裂紋對(duì)后續(xù)焊接產(chǎn)生不必要的影響，在焊接前要求金屬試驗(yàn)室對(duì)鋼岔管坡口進(jìn)行了磁粉探傷，盡可能將缺陷消滅在萌芽時(shí)期，將缺陷對(duì)后續(xù)焊接質(zhì)量的影響降到最低。

焊前清理焊縫及焊縫坡口兩側(cè)各10～20mm范圍內(nèi)的氧化皮、鐵銹、熔渣、油污、水跡及其他雜物，并打磨坡口露出金屬光澤；對(duì)母材部分的缺陷作徹底打磨處理，并做好記錄。嚴(yán)格執(zhí)行開(kāi)焊令制度，焊接環(huán)境、溫度、濕度、坡口銹蝕等未達(dá)到要求，嚴(yán)禁開(kāi)焊。

圖2 焊前清理、焊材烘烤Figure 2 Welding groove cleaning and Welding consumable

鋼岔管焊接預(yù)熱溫度控制在120～130℃，并在焊接過(guò)程中保持預(yù)熱溫度，焊接層間溫度控制在預(yù)熱溫度至180℃之間，在預(yù)熱和每一層焊接完成都會(huì)用紅外線測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)溫，嚴(yán)格控制溫度，并做好記錄。鋼岔管焊縫開(kāi)始施焊后連續(xù)焊接完成，若由于各種原因停止施焊，對(duì)加熱部位進(jìn)行保溫直至再次施焊。因停電等原因造成無(wú)法施焊，停焊時(shí)間不低于48h，經(jīng)無(wú)損檢測(cè)確認(rèn)已焊部位無(wú)裂紋等缺陷后，重新按要求進(jìn)行預(yù)熱后繼續(xù)施焊。鋼岔管施焊時(shí)，定位焊采用氣體保護(hù)焊或者手工電弧焊，焊縫全部采用手工電弧焊進(jìn)行全位置焊接。每一焊道焊完后及時(shí)打磨清理，并采用風(fēng)鎬進(jìn)行振動(dòng)以消除部分焊接應(yīng)力，檢查合格后繼續(xù)焊接。

焊接完成后在250～300℃溫度條件下，保溫2h后，在焊縫上覆蓋石棉被，讓焊縫緩慢冷卻。

3 焊接過(guò)程控制及改進(jìn)措施

3.1 焊接過(guò)程控制

為了有效保證鋼岔管焊接質(zhì)量，減少或避免在焊接過(guò)程中同一位置缺陷的多次返修情況的發(fā)生而造成不必要的損失（同一部分返修次數(shù)不得大于一次）。無(wú)損檢測(cè)工作對(duì)缺陷產(chǎn)生的位置及性質(zhì)的確認(rèn)則是返修方案及返修工作的基礎(chǔ)。

績(jī)溪抽水蓄能電站鋼岔管使用的鋼板原材料為SX780CF，SX780CF屬于大厚度、高強(qiáng)鋼，該鋼材具有延遲裂紋傾向[3]，所以鋼岔管焊縫無(wú)損檢測(cè)工作是在焊接完成48h后進(jìn)行。為了防止延遲裂紋的產(chǎn)生，首先采用磁粉檢測(cè)對(duì)焊縫表面質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后對(duì)于焊縫內(nèi)部的缺陷采用超聲波和TOFD檢測(cè)。

在對(duì)內(nèi)部缺陷檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，先根據(jù)缺陷在超聲儀上顯示的深度、位置和反射波形大概預(yù)判缺陷長(zhǎng)度和性質(zhì)，對(duì)超聲檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的缺陷不能進(jìn)行精確、準(zhǔn)確認(rèn)定時(shí)則輔助采用TOFD檢測(cè)評(píng)價(jià)，通過(guò)TOFD檢測(cè)缺陷產(chǎn)生的衍射信號(hào)，利用分析軟件并結(jié)合超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)得出缺陷比較精準(zhǔn)的長(zhǎng)度、深度和缺陷自身高度。如果缺陷不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，要求金屬檢測(cè)人員第一時(shí)間出具《缺陷信息反饋單》，把缺陷情況反饋給施工方、監(jiān)理及業(yè)主相關(guān)人員。施工方制定返修處理方案報(bào)各方審查，并依據(jù)批準(zhǔn)的返修方案進(jìn)行返修處理。

圖3 超聲波檢測(cè)和磁粉檢測(cè)Figure 3 Ultrasonic testing and Magnetic particle testing

鋼岔管施焊時(shí)，為了確保焊接質(zhì)量，在焊接前制定相應(yīng)的焊接措施和防范工藝，焊接過(guò)程中嚴(yán)格按工藝執(zhí)行。無(wú)損檢測(cè)時(shí)對(duì)檢測(cè)結(jié)果時(shí)刻保持認(rèn)真、謹(jǐn)慎的態(tài)度，為了在檢測(cè)過(guò)程中避免對(duì)缺陷的檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生誤判、錯(cuò)判，因此在檢測(cè)過(guò)程中對(duì)相關(guān)的檢測(cè)結(jié)果由多位具有相關(guān)資質(zhì)的檢測(cè)人員進(jìn)行確認(rèn)，對(duì)檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的一切可疑信號(hào)檢測(cè)人員均要進(jìn)行細(xì)致認(rèn)真的分析，利用各種檢測(cè)方法進(jìn)行相互驗(yàn)證，對(duì)產(chǎn)生的缺陷準(zhǔn)確的判定其存在位置（深度、長(zhǎng)度、寬度）及缺陷性質(zhì)信息，及時(shí)有效地提供精確的試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果。

在焊接過(guò)程中盡量避免和減少焊接缺陷的產(chǎn)生，這是因?yàn)榉倒ぱa(bǔ)焊通常是在拘束度較大的條件下進(jìn)行的焊接，所以易于產(chǎn)生焊接裂紋；此外，多次返工也會(huì)增大焊接殘余應(yīng)力，使該處遭受熱疲勞，從而導(dǎo)致該處的力學(xué)性能、耐蝕性能下降。在多方的努力下，鋼岔管整體的焊接質(zhì)量得到了很大的提升和保證。

3.2 發(fā)現(xiàn)缺陷及改進(jìn)措施

鋼岔管悶頭環(huán)縫M3在做超聲檢測(cè)時(shí)，在鋼岔管側(cè)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)的超聲波幅高度僅在評(píng)定線以下[2]，而在悶頭側(cè)檢測(cè)時(shí)其波幅高度在記錄線以上。為此結(jié)合了K1、K1.5、K2的多種角度探頭采用一次波、二次波和雙面雙側(cè)進(jìn)行多方位探測(cè)[4]，還對(duì)此段焊縫進(jìn)行了TOFD檢測(cè)。最終確認(rèn)為約1m長(zhǎng)條狀缺陷，深度在距表面25mm處的根部區(qū)域，位置在焊縫與悶頭側(cè)交界處，根據(jù)超聲檢測(cè)波形和TOFD檢測(cè)圖像最終判斷此處缺陷是母材與焊縫結(jié)合部的根部未熔合和夾渣。

針對(duì)此次悶頭出現(xiàn)的焊縫缺陷，各方高度重視，啟動(dòng)了質(zhì)量缺陷調(diào)查程序，從“人、機(jī)、料、法、環(huán)”5個(gè)方面分析缺陷產(chǎn)生原因，確定了相應(yīng)的返修工藝和對(duì)策，制定了更為嚴(yán)格的焊接作業(yè)質(zhì)量監(jiān)管措施。

3.2.1 分析缺陷產(chǎn)生的原因

針對(duì)此次的質(zhì)量缺陷，根據(jù)缺陷形成的深度（距表面25mm左右，根部位置）、長(zhǎng)度、寬度、位置（超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)缺陷都是在焊縫與悶頭的交界處）及缺陷性質(zhì)并結(jié)合焊接時(shí)的各類(lèi)條件（坡口清理、焊前預(yù)熱、焊道溫度、坡口形式、線能量等）初步分析出缺陷產(chǎn)生的原因?yàn)椋?/p>

（1）悶頭供貨時(shí)未開(kāi)剖口，而鋼岔管側(cè)開(kāi)了X形剖口，這樣與鋼岔管焊接時(shí)形成K形的焊接剖口。在對(duì)接過(guò)程中一側(cè)根部焊接完成后，進(jìn)行碳弧氣刨清根時(shí)沒(méi)有將表面的滲碳層磨除干凈，焊接時(shí)形成了夾渣。殘留的滲碳層在焊接質(zhì)量中具有較大的危害性，即殘留的滲碳層在隨后的焊接過(guò)程中，在焊縫的熔合線上形成脆硬的高碳馬氏體組織，易導(dǎo)致熔合線開(kāi)裂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使開(kāi)裂延伸并影響到母材的質(zhì)量。

（2）磨光機(jī)在進(jìn)行根部清理時(shí)向鋼岔管側(cè)傾斜過(guò)大，導(dǎo)致在悶頭側(cè)根部形成一條較深的凹槽，焊接過(guò)程中焊條擺動(dòng)時(shí)不能覆蓋到凹槽處，導(dǎo)致焊縫存在未熔合的現(xiàn)象。

（3）焊工對(duì)此焊縫重視程度不夠，質(zhì)量意識(shí)不強(qiáng)。他們可能會(huì)認(rèn)為悶頭焊縫打壓結(jié)束會(huì)割掉，認(rèn)為此焊縫無(wú)關(guān)緊要，只需焊接完成就行，以至于采用氣刨清理根部時(shí)的寬度局部不夠，磨光機(jī)打磨清理時(shí)可能也不是很認(rèn)真。

幾方根據(jù)檢測(cè)出的焊接缺陷信息進(jìn)行了質(zhì)量分析，通過(guò)幾方的溝通交流與分析，并在最后返修時(shí)重新刨開(kāi)焊縫后，發(fā)現(xiàn)存在的缺陷性質(zhì)與檢測(cè)人員預(yù)判情形十分吻合。

3.2.2 防范對(duì)策

從無(wú)損檢測(cè)人員對(duì)鋼岔管悶頭進(jìn)行超聲檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)缺陷，到各方共同對(duì)此次問(wèn)題進(jìn)行深入分析，再到拿出可行有效的改進(jìn)措施，使得大家對(duì)鋼岔管的焊接有了一個(gè)新的認(rèn)識(shí)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鋼岔管大壁厚、高強(qiáng)度鋼的焊接檢測(cè)工作有了一個(gè)新的認(rèn)識(shí)與改進(jìn)。

舉一反三，對(duì)剩下的兩個(gè)悶頭環(huán)縫的焊接有了一個(gè)前車(chē)之鑒。由于之前焊縫是K形剖口，不利于焊接，為此在焊接過(guò)程中讓焊工清根時(shí)用碳弧氣刨做出一個(gè)適合焊接的剖面。焊縫每一層每一道焊接完成后焊工首先自檢，碳弧氣刨清根后，將滲碳層用磨光機(jī)清除干凈，露出金屬光澤，然后葛洲壩技術(shù)人員進(jìn)行外觀復(fù)驗(yàn)，上報(bào)監(jiān)理工程師，待監(jiān)理工程師檢查確認(rèn)后進(jìn)行施焊。代號(hào)為M1、M2的兩個(gè)悶頭的焊接嚴(yán)格執(zhí)行上述要求，經(jīng)檢測(cè)，一次合格率100%。

圖4 焊縫一次合格率Figure 4 Weld seam pass rate

3.3 鋼岔管主體焊縫合格率

對(duì)于鋼岔管主體焊縫，現(xiàn)場(chǎng)的每一個(gè)人員都加倍重視，嚴(yán)格遵守焊接工藝和規(guī)范的要求。

過(guò)程中對(duì)鋼岔管主體焊縫分別進(jìn)行了磁粉、超聲、TOFD檢測(cè)，其中磁粉和超聲檢測(cè)比例為100%，TOFD檢測(cè)比例為40%。檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 焊縫檢測(cè)結(jié)果Table 1 Weld test result

從表1可以看出，鋼岔管的焊接質(zhì)量較好，一次合格率已經(jīng)超過(guò)了預(yù)期值。

3.4 鋼岔管水壓試驗(yàn)

在鋼岔管水壓試驗(yàn)之前，為了保證鋼岔管打壓的順利進(jìn)行，防止任何安全隱患的存在，又對(duì)現(xiàn)場(chǎng)打壓管路上及鋼岔管上附屬小管路的焊接接頭進(jìn)行了滲透檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果都合格。后續(xù)對(duì)鋼岔管進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括焊接殘余應(yīng)力測(cè)試、應(yīng)力測(cè)試、變形測(cè)試、水量—壓力曲線測(cè)試、水溫測(cè)試、聲發(fā)射技術(shù)安全監(jiān)測(cè)。[5]經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，鋼岔管焊縫未發(fā)現(xiàn)泄漏或滲水現(xiàn)象，試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)任何異常情況，鋼岔管水壓試驗(yàn)取得圓滿成功。

鋼岔管水壓試驗(yàn)完成后，檢測(cè)人員又對(duì)鋼岔管所有焊縫進(jìn)行了超聲檢測(cè)，并與水壓試驗(yàn)前所作的超聲檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，未發(fā)現(xiàn)新生缺陷及原有未超標(biāo)的記錄缺陷由于水壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力作用而產(chǎn)生的延展現(xiàn)象。

4 結(jié)束語(yǔ)

鋼岔管作為電站引水系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備，其焊接質(zhì)量必須高度重視。通過(guò)對(duì)“人、機(jī)、料、法、環(huán)”等因素的嚴(yán)格控制，以及金屬試驗(yàn)檢測(cè)單位的無(wú)損檢測(cè)，績(jī)溪抽水蓄能電站鋼岔管焊接質(zhì)量控制較好，焊縫質(zhì)量超過(guò)了預(yù)期值。尤其要說(shuō)的是，金屬試驗(yàn)檢測(cè)“第三只眼”作用，通過(guò)第三方金屬試驗(yàn)室的“火眼金睛”，現(xiàn)場(chǎng)減少了焊縫返修工程量，節(jié)省了鋼岔管制造工期，保證了鋼岔管結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，確保了鋼岔管安全穩(wěn)定運(yùn)行。