壓力鋼管制造工藝及質(zhì)量控制研究

任 明 武

(貴州省水利投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 520001)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)水資源的需求越來越大，水利工程建設(shè)也逐漸增多。壓力鋼管作為引(輸)水等工程的重要結(jié)構(gòu)型式，其制造質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)引(輸)水工程后期的運(yùn)行安全，因而必須高度重視壓力鋼管的制造質(zhì)量控制。

1 工程概況

工程為夾巖水利樞紐及黔西北供水工程干渠的一部分，主要為白甫河與西溪河段倒虹管壓力鋼管的制造與安裝，倒虹管管材為Q345C鋼管，總工程量約為5 000 t。白甫河倒虹管設(shè)計(jì)流量31 m3/s，全長1 152.2 m，為2根直徑3.1 m的壓力鋼管，設(shè)計(jì)最大工作壓力1.2 MPa。上、下游平段鋼管壁厚16 mm，每2.5 m設(shè)置一道環(huán)高220 mm、環(huán)厚16 mm的加勁環(huán)；豎井、隧洞段管壁厚18 mm，下游豎井1 225.5 m高程以下每1.25 m設(shè)置一道環(huán)高220 mm、環(huán)厚22 mm的加勁環(huán)，其余位置每2 m設(shè)置一道環(huán)高220 mm、環(huán)厚18 mm的加勁環(huán)；跨河段主管管壁厚18 mm，每3.2 m設(shè)置一道環(huán)高220 mm、環(huán)厚18 mm的加勁環(huán)。

西溪河倒虹管設(shè)計(jì)流量28 m3/s，加大流量30.34 m3/s，總長529.6 m，為2根直徑 2.9 m的壓力鋼管，設(shè)計(jì)最大工作壓力0.6 MPa。鋼管壁厚14 mm，每2.5 m設(shè)置一道環(huán)高220 mm、環(huán)厚14 mm的加勁環(huán)；跨河段明管壁厚18 mm，跨距9 m的每3 m設(shè)一道加勁環(huán)、13.5 m的每3.375 m設(shè)置一道加勁環(huán)，環(huán)高220 mm、環(huán)厚18 mm。

2 壓力鋼管制造方案概述

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施規(guī)劃，所有壓力鋼管均在白甫河進(jìn)口段的鋼結(jié)構(gòu)廠房內(nèi)制造?？紤]廠內(nèi)實(shí)際加工能力及現(xiàn)場道路運(yùn)輸條件，將壓力鋼管結(jié)合實(shí)際情況卷制成2.5 m和3 m長的標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)，每個(gè)管節(jié)一條縱縫。

3 壓力鋼管制造工藝及質(zhì)量控制

3.1 施工準(zhǔn)備

1)技術(shù)準(zhǔn)備。編制的施工組織設(shè)計(jì)、制作方案、焊接工藝評(píng)定、質(zhì)量控制措施和質(zhì)量計(jì)劃等必須報(bào)監(jiān)理批復(fù)后才能作為鋼管制造施工作業(yè)的指導(dǎo)文件。在正式施工前，還應(yīng)對(duì)相關(guān)人員開展技術(shù)質(zhì)量交底，所有焊工必須持證上崗。

2)鋼材準(zhǔn)備。本工程所用鋼板均為雙定尺采購，材質(zhì)為Q345C，其機(jī)械性能、化學(xué)成分滿足GB/T 1591—2008低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的規(guī)定，其尺寸、外形、允許偏差及厚度偏差應(yīng)符合GB/T 709—2006的規(guī)定。進(jìn)場的鋼板應(yīng)會(huì)同監(jiān)理進(jìn)行驗(yàn)收，不能提供產(chǎn)品質(zhì)量證明書和合格證的不得通過驗(yàn)收。并按每批鋼板抽查2張的比例進(jìn)行抽樣檢查，當(dāng)對(duì)材質(zhì)有疑問時(shí)應(yīng)予以復(fù)驗(yàn)并加大抽樣檢查比例，檢驗(yàn)成果提交監(jiān)理審核。

3)焊材準(zhǔn)備。選用的焊材及工藝參數(shù)如表1所示。根據(jù)施工進(jìn)度安排提前訂購焊材，焊材質(zhì)量應(yīng)滿足規(guī)范要求。焊條、焊絲、焊劑應(yīng)按SL 432—2008規(guī)范規(guī)定進(jìn)行烘焙和保管。

表1 焊材及工藝參數(shù)

3.2 壓力鋼管制造工藝要點(diǎn)

1)現(xiàn)場臨建場地規(guī)劃需滿足制作工期強(qiáng)度要求，且綜合考慮成本。

2)鋼板采用數(shù)控和半自動(dòng)切割機(jī)氣割下料。

3)鋼板弧度采用卷板機(jī)預(yù)彎成形。

4)每個(gè)管節(jié)由一塊鋼板卷制焊接而成，加勁環(huán)每圈由6塊組焊成形。

5)鋼管瓦片及加勁環(huán)下料采用數(shù)控和半自動(dòng)切割機(jī)氣割下料。坡口采用半自動(dòng)切割機(jī)割制。

6)鋼管出廠前，按施工設(shè)計(jì)圖樣要求完成加勁環(huán)、支承環(huán)、止水環(huán)和止推環(huán)等附件的裝焊(考慮運(yùn)輸條件，下游隧洞段至出口段管節(jié)加勁環(huán)在安裝現(xiàn)場裝焊)。為防止吊裝和運(yùn)輸過程中出現(xiàn)變形，配置了20套內(nèi)支撐循環(huán)使用，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

7)鋼管在廠內(nèi)的制造拼裝焊縫焊接主要采用自動(dòng)焊和半自動(dòng)焊——管節(jié)縱縫及環(huán)縫焊接采用埋弧自動(dòng)焊焊接工藝或CO2氣體保護(hù)焊焊接工藝，加勁環(huán)與管壁的角焊縫采用CO2氣體保護(hù)焊焊接工藝。鋼管焊縫無損探傷按SL 432—2008水利工程壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范的規(guī)定執(zhí)行。

8)加工廠內(nèi)設(shè)防腐車間，承擔(dān)鋼管的防腐處理(管節(jié)兩端口各預(yù)留200 mm范圍貼膠帶)。

3.3 主要制造工藝及質(zhì)量控制

1)壓力鋼管制造關(guān)鍵控制點(diǎn)如下：a.鋼板排料統(tǒng)計(jì)；b.鋼板編號(hào)、標(biāo)記；c.瓦片弧度公差控制；d.鋼管圓度；e.一、二類焊縫質(zhì)量控制；f.焊接變形控制；g.鋼管組對(duì)；h.防腐噴涂。

2)壓力鋼管制造工藝流程如圖2所示。

3)鋼板劃線、下料及坡口加工。鋼板劃線下料要滿足SL 432—2008水利工程壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，詳細(xì)工藝如下：a.編制下料零件工藝。根據(jù)到貨鋼板檢驗(yàn)記錄，編制詳細(xì)的工藝卡。b.劃線。在鋼板上按照放樣圖紙標(biāo)記出長寬邊線、頂部線、水平線，并對(duì)鋼管的分段、分節(jié)、分塊和水流方向進(jìn)行編號(hào)和標(biāo)注。標(biāo)注時(shí)要注明上、下、左、右方向。編號(hào)和標(biāo)注完成后再采用半自動(dòng)和數(shù)控機(jī)床切割相結(jié)合的方式進(jìn)行下料。劃線后用樣沖在管口的頂部線、水平線上打沖眼，便于后期的安裝需要。在管節(jié)橫斷面的水平和垂直軸線上不應(yīng)設(shè)置管節(jié)縱縫，管節(jié)縱縫與水平軸線和垂直軸線的圓心夾角應(yīng)小于10°。鋼板下料前，應(yīng)在剖口和焊接坡口的預(yù)定線兩側(cè)一定范圍內(nèi)，按照GB/T 2970—2016厚鋼板超聲檢測方法進(jìn)行100%超聲波探傷檢測。檢測范圍和不允許存在的缺陷應(yīng)符合表2的規(guī)定。c.坡口加工。下料后的瓦塊焊縫坡口采用半自動(dòng)切割機(jī)加工，嚴(yán)禁采用手工切割，瓦片對(duì)接縫焊縫采用單V型坡口，預(yù)留2 mm鈍邊，坡口形式如圖3所示。坡口加工完后必須除去坡口表面的氧化皮、溶渣及影響接頭質(zhì)量的表面缺陷，并應(yīng)將凹凸不平處打磨平整。當(dāng)切割時(shí)造成坡口表面凹坑深度大于2 mm時(shí)應(yīng)按要求進(jìn)行補(bǔ)焊后再打磨平整。

表2 鋼板下料前超聲波檢測范圍和不允許存在的缺陷

4)瓦片卷制。鋼管卷制要遵守如下規(guī)定：a.卷板方向應(yīng)同鋼管的壓延方向相同；b.鋼板表面已剝離的氧化皮、油污、銹污和其他雜物必須清理干凈；c.不得用金屬物直接錘擊鋼板。本工程所用鋼板均采用冷卷制方式，壓頭和卷板均采用32×3200型三輥卷板機(jī)進(jìn)行。為了防止鋼板在初始卷制過程中進(jìn)行壓弧時(shí)出現(xiàn)因自重引起反向折彎的情況，專門配置了10 t的橋機(jī)在卷制時(shí)進(jìn)行配合壓頭，并用特制的胎具進(jìn)行輔助卷板，同時(shí)還采用了弧長不小于1 m的內(nèi)弧樣板進(jìn)行檢查。初步檢查合格后再吊裝至瓦片檢查平臺(tái)上，在豎直狀態(tài)下進(jìn)行檢查，瓦片與樣板之間的間隙應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求或SL 432—2008水利工程壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范要求，如表3所示。瓦片卷制合格后用橋機(jī)吊裝到組圓平臺(tái)上進(jìn)行組圓焊接，管節(jié)拼焊后，不宜再在卷板機(jī)上滾卷校形。

表3 樣板與瓦片之間的間隙

5)瓦片組圓。瓦片組圓在組圓平臺(tái)上進(jìn)行，平臺(tái)的水平度控制在2 mm以內(nèi)，按鋼管分塊編號(hào)對(duì)圓，對(duì)圓時(shí)測量以下的尺寸，并滿足SL 432—2008的規(guī)定，如表4所示。

表4 對(duì)圓尺寸公差 mm

6)縱縫焊接及校正。瓦片組圓后進(jìn)行縱縫焊接，焊接采用CO2氣體保護(hù)焊打底、埋弧焊焊接，V型坡口如圖3所示，先對(duì)內(nèi)側(cè)焊縫進(jìn)行焊接，外側(cè)焊縫應(yīng)采用碳弧氣刨清根并打磨至光滑后再進(jìn)行焊接。縱縫焊接完成后應(yīng)進(jìn)行外觀質(zhì)量檢查和無損檢測，對(duì)不滿足要求的必須進(jìn)行消缺處理，消缺處理完成并經(jīng)驗(yàn)收合格后才可進(jìn)行下一步施工。每節(jié)管道的縱縫焊接完成后，還要采用標(biāo)準(zhǔn)樣板對(duì)鋼管的弧度進(jìn)行檢查，尤其要對(duì)縱縫焊接后的變形量進(jìn)行檢查，對(duì)變形量超過設(shè)計(jì)和規(guī)范要求的要用千斤頂進(jìn)行校正。

7)加勁環(huán)的組裝與焊接。加勁環(huán)采用數(shù)控切割機(jī)下料。下料時(shí)將加勁環(huán)均分為6等份。下料完畢后對(duì)加勁環(huán)的周長，寬度進(jìn)行檢驗(yàn)，合格后將加勁環(huán)的對(duì)接邊開坡口，對(duì)接坡口形式如圖3所示。在鋼管縱縫處，加勁環(huán)的對(duì)接焊縫應(yīng)與其錯(cuò)開300 mm以上，當(dāng)鋼管的縱縫和連接焊縫與加勁環(huán)、支承環(huán)、止推環(huán)等相交時(shí)，應(yīng)在交叉處設(shè)置半徑30 mm～50 mm的避縫孔。將鋼管調(diào)圓后進(jìn)行加勁環(huán)的組裝和焊接。為減少焊接變形量，焊接采用CO2氣體保護(hù)焊。加勁環(huán)的拼裝尺寸偏差應(yīng)符合SL 432—2008的規(guī)定,如表5所示。加勁環(huán)焊接完畢后對(duì)焊縫進(jìn)行檢驗(yàn)，不符合標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行缺欠處理和焊補(bǔ)。合格后轉(zhuǎn)入鋼管臨時(shí)堆放區(qū)。

表5 加勁環(huán)拼裝尺寸極限偏差 mm

8)鋼管對(duì)接與組焊。鋼管每個(gè)安裝單元由2根2.5 m或3 m長的管節(jié)組成，場內(nèi)管節(jié)組對(duì)采用臥式組裝，即軸線水平。環(huán)縫對(duì)接前對(duì)單節(jié)弧度、橢圓度、管口不平度、外周長進(jìn)行復(fù)查，合格后再組段。對(duì)接時(shí)，按±X,±Y四個(gè)管軸線對(duì)正組裝。環(huán)縫對(duì)口錯(cuò)位不大于2.1 mm，對(duì)接時(shí)，要均勻錯(cuò)牙。各項(xiàng)組裝尺寸符合要求后，采用埋弧自動(dòng)焊進(jìn)行環(huán)縫的焊接，坡口形式與瓦片對(duì)接焊坡口相同。焊接在焊接滾輪架上進(jìn)行，焊接時(shí)先焊內(nèi)側(cè)后焊外側(cè)，焊接內(nèi)側(cè)時(shí)要注意打底、清根，焊接外側(cè)時(shí)先用碳弧氣刨清根并打磨后再焊接。鋼管對(duì)接與組焊如圖4所示。

9)鋼管的臨時(shí)存放。為方便施工管理，在生產(chǎn)過程中及時(shí)將管段管件按規(guī)格、長度、角度等分別編號(hào)，將鋼管制作成品吊運(yùn)至成品臨時(shí)堆放場地，兩側(cè)鋪設(shè)墊塊碼放。在場內(nèi)擺放、吊轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)盡量避免管節(jié)單元間碰撞損傷變形和涂層的破壞。吊裝運(yùn)輸過程由專業(yè)機(jī)械操作人員進(jìn)行，操作人員均需持證上崗。

10)壓力鋼管制作過程中的質(zhì)量控制措施。鋼板兩端的壓頭、卷制過程中的弧度偏差和鋼管縱縫焊接時(shí)的局部變形等都可能造成鋼管的弧度和橢圓度出現(xiàn)偏差，為此我們采取了如下措施予以保證：a.設(shè)計(jì)制造通過焊接工藝措施控制縱縫焊接變形；b.通過下料控制鋼板尺寸，從而控制鋼管的周長尺寸；c.通過校圓器在組圓過程中調(diào)整、控制鋼管圓度；d.為了防止吊裝和運(yùn)輸過程中出現(xiàn)變形，在鋼管內(nèi)部增加了有足夠剛度和強(qiáng)度的內(nèi)支撐。同時(shí)為了確保鋼管組裝時(shí)的平直度及整體偏差滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，采取了以下措施：a.優(yōu)化焊接工藝：為了減少焊接變形量和鋼管外形尺寸偏差，采用了增加焊接層次的措施，具體焊接工藝為內(nèi)側(cè)焊縫采用氣保焊打底一層，再采用埋弧焊焊兩層，外側(cè)焊縫采用碳弧氣刨清根后蓋面焊一層；b.優(yōu)化直管段組裝方法：將鋼管吊裝到滾焊臺(tái)車上后先對(duì)間隙、錯(cuò)牙等進(jìn)行初步調(diào)整，然后再進(jìn)行整體尺寸檢查，合格后才進(jìn)行整體一次點(diǎn)焊；c.優(yōu)化彎管段組裝方法：彎管段是特殊管節(jié)，如果其長度和重量過大將增加運(yùn)輸和吊裝的難度，因而要分成合適的短管段進(jìn)行組裝；d.優(yōu)化工藝流程：測量放樣→支撐平臺(tái)搭設(shè)→吊裝→定位調(diào)整→尺寸檢查→整體一次點(diǎn)焊→焊接→第二次整體尺寸檢查→分解→防腐噴涂→驗(yàn)收合格后堆存。

3.4 壓力鋼管焊接施工工藝及缺陷處理

1)焊接施工工藝。a.當(dāng)環(huán)境出現(xiàn)SL 432—2008規(guī)范規(guī)定的不利于焊接作業(yè)情況時(shí)，為確保焊接質(zhì)量，應(yīng)立即采取切實(shí)有效的措施，否則應(yīng)暫停焊接施工。b.每次焊接作業(yè)前，應(yīng)將所有擬焊面及坡口兩側(cè)各50 mm～100 mm范圍內(nèi)的銹污、氧化皮、油污、水及其他雜物清理干凈；每道焊縫焊完后都要及時(shí)將雜物清理干凈，并經(jīng)檢查合格后才可繼續(xù)進(jìn)行焊接作業(yè)。c.定位焊應(yīng)符合SL 432—2008規(guī)范規(guī)定。如定位焊焊縫上有裂紋、氣孔及夾渣等缺陷時(shí)應(yīng)全部清除。d.裝配過程中出現(xiàn)的錯(cuò)邊不得用錘擊或其他損壞鋼板的器具校正，應(yīng)采用卡具校正。e.焊接：為了使變形和收縮應(yīng)力盡可能減小，應(yīng)按從構(gòu)件受周圍約束較大的部位開始向約束較小的部位推進(jìn)的原則提前確定定位焊焊點(diǎn)和焊接順序；雙面焊接時(shí)，在其一側(cè)焊接完后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行清根并打磨干凈后才可繼續(xù)對(duì)另一面進(jìn)行施焊。f.消應(yīng)：對(duì)需要做焊后消應(yīng)部位采用振動(dòng)/時(shí)效消應(yīng)。焊縫外觀質(zhì)量應(yīng)符合SL 432—2008規(guī)范第6.4.1條的規(guī)定。

2)缺陷處理。對(duì)于出現(xiàn)的焊縫缺陷，應(yīng)認(rèn)真開展原因分析，并要采取針對(duì)性的措施后才可補(bǔ)焊。內(nèi)部缺陷可采用砂輪或碳弧氣刨方法清除，并要修磨成便于焊接的凹槽；如是裂紋缺陷，還應(yīng)采用磁粉或滲透方法進(jìn)行檢測，確認(rèn)裂紋已消除后才可補(bǔ)焊。焊接缺陷返工應(yīng)按以下要求進(jìn)行：a.焊接缺欠可采用碳弧氣刨或砂輪機(jī)清除，不允許采用電弧或氣割火焰熔除；b.焊接缺欠應(yīng)徹底清除，不允許有毛刺和凹痕，坡口底部應(yīng)圓滑過渡；c.返工后的焊縫，應(yīng)全部進(jìn)行無損檢測；d.同一部位返工次數(shù)不宜超過兩次，超過兩次時(shí)應(yīng)對(duì)技術(shù)措施進(jìn)行修改完善后才可繼續(xù)開展焊接施工。

4 結(jié)語

結(jié)合本工程的實(shí)際特點(diǎn)，通過對(duì)部分設(shè)備或操作平臺(tái)(切割平臺(tái)、焊接平臺(tái)、滾焊臺(tái)車)等進(jìn)行了改進(jìn)，盡可能多地采用數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)和半自動(dòng)切割、自動(dòng)和半自動(dòng)焊等技術(shù)，最大限度減少人工作業(yè)的不穩(wěn)定因素影響，尤其是通過嚴(yán)格加強(qiáng)各工序的質(zhì)量控制，使得壓力鋼管的制造質(zhì)量得到了有效保證，鋼管焊縫無損探傷一次合格率達(dá)98.9%，不僅提高了項(xiàng)目管理的綜合經(jīng)濟(jì)效益，也為工程后期的運(yùn)行安全打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。