影響壓力鋼管對接焊縫質(zhì)量因素分析

王鵬飛，宋 歌，張 添，趙光輝，張成仁

（河南省水利第二工程局，450016，鄭州）

一、工程概況

河南省前坪水庫輸水洞電站布置在主壩右側(cè)， 包括進口引渠段、進水塔段、洞身段、壓力鋼管段、電站錐閥段、尾水池段、退水閘灌溉閘段、尾水渠等部分。 輸水洞進口引渠段底板高程為361.0m，進水塔采用分層取水型式， 洞身段采用有壓圓形隧洞，后通過壓力鋼管連接錐閥和電站，電站安裝3 臺機組，電站尾水池后建灌溉節(jié)制閘和退水閘， 灌溉節(jié)制閘為兩孔箱型結(jié)構，每孔凈寬度為3.0 m；退水閘為單孔箱型結(jié)構，凈寬為3.5 m。 輸水洞總長約338.0 m，其中進水引渠段長約60.0 m，進水塔段長22.0 m，洞身段長約256.0 m。 事故檢修閘門和工作閘門均為平面固定輪鋼閘門， 分別配備1 臺2 000 kN 固定卷揚式啟閉機和4 臺400 kN/630 kN/800 kN/1000kN液壓啟閉機。

輸水洞電站壓力鋼管為洞身段與電站水輪機（生態(tài)基流錐閥）連接鋼管，壓力鋼管均采用Q345C 鋼材制作，壓力鋼管總長度為230m，鋼管規(guī)格為：DN4000 mm×厚 24 mm，DN3600 mm×厚 22 mm，DN2800 mm×厚 20 mm，DN2400 mm×厚 18 mm，DN2200 mm×厚 16mm，DN1800 mm×厚 16mm，DN1750 mm×厚 16 mm， 岔管 3 節(jié)，彎管 1 節(jié)，錐管 2 節(jié)，湊活節(jié) 6 節(jié)，穿墻管 3 節(jié)。

二、壓力鋼管安裝措施分析

由于輸水洞電站對壓力鋼管對接焊縫質(zhì)量要求較高， 坡口采用“Y”形，單面焊接雙面成型工藝，因此壓力鋼管對接焊縫經(jīng)試驗對比后均采用CO2氣體保護焊焊接，以提高焊接質(zhì)量，減小變形，提高工作效率。

壓力鋼管焊縫類別為岔管的所有焊縫及廠房內(nèi)明管環(huán)縫均為一類和二類焊縫，探傷采用5%RT 檢測和100%UT 檢測， 要求焊接一次合格率為95%以上。

壓力鋼管由專業(yè)生產(chǎn)廠家提供成品，壓力鋼管進場以后進行現(xiàn)場驗收，驗收合格后進行安裝。

1.鋼管清口

①鋼管清口采用砂輪機磨去管口兩側(cè)不少于50 mm 的氧化層、熔渣、毛刺，并用鋼絲刷或毛刷將管口兩側(cè)的泥土、 浮銹等雜物清理干凈。②鋼管接口處必須清理干凈，保證管道內(nèi)沒有異物和灰塵，以免影響安裝質(zhì)量。

2.測量放樣

利用測量控制網(wǎng)布置壓力鋼管控制點，根據(jù)控制點采用全站儀測量放樣出壓力鋼管的位置、 高程、 中心線。在管道安裝之前，采用水準儀和全站儀重新復核壓力鋼管的中心線和高程位置，并做好相關測量記錄，經(jīng)測量復核無誤后方可進行下一步施工。

3.鋼管吊裝、組對

①鋼管接口清理完畢后，對要進行吊裝、組對的管節(jié)再次檢查確認其管節(jié)內(nèi)沒有雜物。

②起重、吊裝過程中應采取適當?shù)牡跹b方式嚴防管節(jié)間相互碰撞、擠壓； 對清理后達到安裝要求的管節(jié)，管口部位進行保護，防止吊裝過程中產(chǎn)生變形。

③在吊裝管節(jié)時，采用專用吊裝工具進行固定，確保管節(jié)在起吊過程中受到最小的變形力。

④鋼管吊裝前，首先在已放樣的鋼管位置下放置鋼管支架，鋼管支架采用工字鋼制作，每節(jié)鋼管安裝兩個支架， 然后將鋼管吊裝至支架上，采用墊板進行調(diào)整位置及固定。

⑤根據(jù)前坪水庫輸水洞電站壓力鋼管段的施工計劃安排，將副廠房上游第一管節(jié)作為安裝起始節(jié)，由副廠房向輸水洞進口方向進行安裝。 采用50 t 吊車和20 t 平板車相互配合將清理合格的管節(jié)運至安裝現(xiàn)場，再根據(jù)校核后的測量基準點對管節(jié)中心線和高程位置進行調(diào)整，經(jīng)專業(yè)技術人員檢查合格后，方可用工字鋼將管節(jié)臨時固定于已放樣的支架上，經(jīng)專職安全生產(chǎn)管理人員檢查固定牢固后，運用同樣方法將第二節(jié)管節(jié)運至相應安裝位置，并以已固定好的第一節(jié)管節(jié)為基準調(diào)校第二節(jié)管節(jié)的中心線和高程位置。 當兩個相鄰管節(jié)間間隙過大時，應采用倒鏈和千斤頂進行輔助調(diào)整直至管節(jié)間間隙滿足SL 432—2008 規(guī)范要求。 將兩節(jié)管節(jié)組對完成后，應再次復核管節(jié)傾斜度和中心線位置偏差，運用相關測量方法，使組對后管節(jié)上、下游管口的中心誤差控制在5 mm 以內(nèi)， 便可將鋼管臨時固定。

4.鋼管固定及陶瓷襯墊安裝

利用支架上的墊板調(diào)整鋼管位置，使組對的兩節(jié)鋼管安裝精度滿足規(guī)范要求，規(guī)范安裝精度要求參照SL 432—2008 如表 1 所示。

鋼管安裝精度滿足要求后，采用電弧焊焊接沿接縫處進行點焊，點焊間距1 m， 點焊完成后采用U 形鐵將兩節(jié)鋼管焊接固定牢靠。 鋼管采用U形鐵焊接固定牢靠后，采用砂輪機將兩節(jié)鋼管接縫處的點焊打磨掉，并將坡口及鋼管口內(nèi)、 外側(cè)清理干凈，然后在鋼管接縫外側(cè)張貼SC-A2 型陶瓷襯墊，規(guī)格為600 mm×27 mm。

表1 鋼管規(guī)范安裝精度要求

三、壓力鋼管焊接質(zhì)量控制分析

壓力鋼管制造與安裝環(huán)節(jié)是一道重要工序，壓力鋼管的焊接過程則是重中之重，此過程決定著壓力鋼管的最終質(zhì)量，而焊接過程中人的因素顯得最為重要。 嚴格控制壓力鋼管焊接人員資質(zhì)，最大可能地減少人為原因?qū)缚p質(zhì)量影響。

1.焊工資格

①從事壓力鋼管焊接的焊工或焊接操作工， 應按照SL 35—2011 標準要求考試，取得焊工合格證書并且在有效期內(nèi)。 ②焊工或焊接操作工在施工中焊接的鋼材種類、焊接方法和焊接位置等均與焊工本人考試合格的類別相適應。 ③焊工或焊接操作工參加焊接工作中斷6 個月以上者，應重新進行考試，考試合格后方可從事壓力鋼管焊接工作。

2.設備因素

前坪水庫輸水洞電站壓力鋼管采用CO2氣體保護焊焊接，由于在管道內(nèi)部施焊，作業(yè)空間有限，坡口形式為“Y”形，要求單面施焊雙面成型，因此每條焊縫沿一個方向施焊。 焊接前先進行打底焊，厚度約2 mm，焊接完成后將焊渣敲打清理干凈，并用砂輪機將焊縫磨平，清理干凈后進行焊縫填充焊。 填充焊分層進行，每層厚度約4～5 mm， 每層填充焊焊接完成后，均將焊渣敲打清理干凈，并采用砂輪機將焊縫磨平，然后再進行下一層填充焊施工，按此要求直至焊縫填平。 填充焊焊接完成后，將焊渣敲打清理干凈， 并采用砂輪機將焊縫磨平，然后進行蓋面焊，蓋面焊焊接厚度約2 mm（高出鋼管內(nèi)壁），蓋面焊完成后將焊渣敲打清理干凈，后用砂輪機再將整條焊縫打磨平整。

（1）焊接設備

選用額定輸入電壓為單相220V 50/60Hz，型號為 MIG-210T，及與之匹配的送絲裝置，型號76ZY01/DC24V。

（2）焊接材料

保護氣體為 80%Ar+20%CO2混合氣體，氣體純度CO2不低于99.5%，Ar 不低于 99.9%， 含水量不超過0.1%。 焊絲選用 H711 Φ1.2 mm。

（3）焊接工藝參數(shù)

在現(xiàn)場施焊操作中發(fā)現(xiàn)，有些焊工在使用CO2氣體保護焊時，焊接電流、電弧電壓以及焊絲伸出長度的選擇上不合適，顯得不夠熟練，造成焊接過程中的電弧不夠穩(wěn)定、飛濺以及未焊透等缺陷，影響焊縫成型質(zhì)量和一次合格率。

要保證穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，只有選擇合適的焊接電流和與之相匹配的電弧電壓。 如果在焊絲直徑和焊接電流一定時，當電弧電壓偏低，則會引起電弧變短， 導致電弧引燃困難，施焊不穩(wěn)定；當電弧電壓偏高，則會引起熔滴顆粒形狀變大、 頻率變緩，弧長變長、焊縫變寬，而導電咀也會因為電弧電壓過高而燒毀； 施焊時，電弧燃燒時間與施焊回路電感量的大小息息相關，而施焊回路電感量的大小又關系熔滴顆粒的穩(wěn)定、熔深及焊縫最終成型。 如果在焊絲直徑和施焊電流、電壓一定的情況下，當施焊回路電感量選擇過小時，就會造成熔深不夠，此時再增大施焊電流、電壓，也只會使熔池的液態(tài)金屬從熔池中溢出，造成未熔合或未焊透現(xiàn)象。 所以施焊時使用的焊絲直徑、板材厚度和施焊設備不同，施焊回路電感量也不相同，施焊前應通過焊接工藝試驗來確定具體焊接工藝參數(shù)；焊絲伸出長度過大或過小，就會導致施焊時產(chǎn)生飛濺、施焊不穩(wěn)定和氣體保護效果變差，甚至引起噴嘴堵塞。 經(jīng)試驗對比發(fā)現(xiàn)， 當焊絲伸出導電咀的長度在10～20 mm 時，施焊質(zhì)量更容易控制。

送絲速度快慢決定著施焊電流的大小，而施焊電流的大小直接影響著焊縫的熔深。 施焊電流越小則送絲的速度越慢，焊縫的熔深越淺。

在實際施焊過程中，應按照板材厚度、施焊方式、坡口形式等選擇合適的焊絲直徑，再根據(jù)焊絲直徑確定施焊電流，選用合適的施焊回路電感量， 減小飛濺的產(chǎn)生， 提高焊接質(zhì)量。 焊接工藝參數(shù)見表2。

表2 焊接工藝參數(shù)

（4）環(huán)境因素

現(xiàn)場施焊過程中，環(huán)境（如溫度、濕度和風速） 對焊接質(zhì)量的影響不容忽視。 當遇到風速和相對濕度過大時，焊縫中會存在氣孔、夾渣或咬邊現(xiàn)象，影響一次焊接合格率。 因此在施焊時， 如遇有穿堂風或風速超過2.0 m/s；相對濕度在90%以上；雨天、 雪天及環(huán)境溫度低于-5℃等情況，應采取可靠擋風、擋雨雪措施，如無法采取可靠措施則應停止焊接活動，等達到環(huán)境要求時再進行焊接活動。

（5）管理因素

實行三檢制，強化監(jiān)督管理。 在施焊過程中，每一條焊縫都實行“三檢制”， 即作業(yè)班組初檢、 工程科復檢、質(zhì)檢部終檢，經(jīng)三檢合格后由有資質(zhì)的無損檢測人員進行檢測，檢測合格后方可進行下一步施工。

焊接前進行技術交底。 由專業(yè)技術人員制定相關施工方案后再對相關管理的人員和操作人員進行技術交底， 操作過程中應做好相關記錄，強化過程控制，使每一個工序在施焊前、施焊中、施焊后都處于可控狀態(tài)。

四、結(jié) 語

由于壓力鋼管直徑相對較大，在施工過程中，對壓力鋼管對接焊縫質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素除技術因素和環(huán)境因素外， 人的主觀因素也尤為重要，因此，專業(yè)技術管理人員和施工操作人員必須提高自身素質(zhì)，培養(yǎng)良好的職業(yè)習慣， 在施工中加強事前、事中質(zhì)量控制，事后質(zhì)量檢測，通過對焊接過程的總結(jié)、探索、分析，增強業(yè)務水平，提高一次焊接合格率。