大曲率千米級水頭壓力鋼管制造技術(shù)研究

黃 斌

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

1 引言

云南省維西縣境內(nèi)的南極洛河水電站引水壓力鋼管設(shè)計最高水頭1091 m，岔管試驗(yàn)壓力為16.5 MPa。鋼管材料采用Q345R和ADB610D兩種，其中Q345R鋼管壁厚12～34 mm，管徑φ1.6～1.4 m；ADB610D鋼管壁厚24～34 mm，管徑φ1.3～0.8 m。本文著重研究高強(qiáng)鋼部分鋼管的卷制和焊接等制造工藝，本工程高強(qiáng)鋼鋼管具體各小徑厚比管節(jié)如表1。

表1 高強(qiáng)鋼部分管節(jié)徑厚比

按照GB50766-2012《水電水利工程壓力鋼管制作及安裝驗(yàn)收規(guī)范》要求：當(dāng)屈服強(qiáng)度450

由于本電站設(shè)計引用水頭超高，在進(jìn)人孔、岔管等位置集中應(yīng)力大，且徑厚比較小，正式卷制前需進(jìn)行冷卷試驗(yàn)，冷卷試驗(yàn)采用小進(jìn)給量多次反復(fù)卷制并使用震動時效法消除冷卷過程產(chǎn)生的卷制應(yīng)力，試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)評審合格后方可進(jìn)行冷卷加工和鋼管的正式生產(chǎn)[1]。

2 冷卷工藝技術(shù)措施

2.1 工藝準(zhǔn)備

制造前作好技術(shù)準(zhǔn)備、物資準(zhǔn)備、人員準(zhǔn)備、設(shè)備工裝準(zhǔn)備等準(zhǔn)備工作，為保證鋼管制造質(zhì)量和制造進(jìn)度奠定基礎(chǔ)。

技術(shù)準(zhǔn)備：技術(shù)人員仔細(xì)分析圖紙，充分理解設(shè)計思想，繪制下料生產(chǎn)圖，繪制工裝制造圖，編制生產(chǎn)工藝和特殊過程作業(yè)指導(dǎo)書；對生產(chǎn)相關(guān)人員進(jìn)行全員進(jìn)行技術(shù)交底等。

物資準(zhǔn)備：根據(jù)技術(shù)人員編制的物資計劃，及時采購生產(chǎn)用物資，保證生產(chǎn)輔助資料供給。

人員準(zhǔn)備：安排相關(guān)技能水平高、施工經(jīng)驗(yàn)豐富的作業(yè)人員及時進(jìn)場，針對本工程特點(diǎn)對相關(guān)操作人員進(jìn)行培訓(xùn)和交底。

設(shè)備工裝準(zhǔn)備：按設(shè)備配置及時組織設(shè)備進(jìn)場，制造需用的工裝、工具、樣板等。

擬定冷卷工藝試驗(yàn)方案并組織召開專家會，對方案進(jìn)行評審和論證。

2.2 材料檢驗(yàn)

鋼管材料采用鞍山鋼鐵集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的高強(qiáng)鋼，鋼的牌號為ADB610D。實(shí)驗(yàn)中的鋼化學(xué)成分(熔煉分析)符合表2的規(guī)定。鋼板的沖擊、彎曲、拉伸試驗(yàn)結(jié)果符合表3的規(guī)定。交貨狀態(tài)為：TMCP+回火(T)。

表2 ADB610D鋼的化學(xué)成分(熔煉分析) %

表3 ADB610D鋼力學(xué)性能

鋼板進(jìn)場時會同監(jiān)理、業(yè)主共同進(jìn)行檢驗(yàn)，首先查驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量證明書和鋼板表面質(zhì)量及幾何尺寸，然后進(jìn)行100%超聲波探傷檢查，最后進(jìn)行力學(xué)性能和化學(xué)成份抽樣檢驗(yàn)。

原材料抽樣檢測取樣按照鋼板爐批號進(jìn)行(同時保證覆蓋所有板厚)，每個爐批號鋼板取兩件試樣，其中一件送第三方具備國家認(rèn)可資質(zhì)的檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行化學(xué)成分、機(jī)械性能試驗(yàn)，另一件留存?zhèn)溆?。鋼板原材料試樣在垂直鋼板壓延方向取樣，預(yù)先在鋼板上劃出試樣切割線，劃線時用劃針做標(biāo)記，然后利用半自動切割機(jī)進(jìn)行切割取樣，試樣切割后將氧化渣清理干凈，取樣后在試樣上用油漆筆清晰標(biāo)注鋼板爐批號、材質(zhì)、板厚及試板編號[2]。

3.3 板材劃線、切割

2.3.1 平板

鋼板在使用之前應(yīng)該檢查其有無扭曲、卷角、急彎等情況，如有變形應(yīng)對鋼板進(jìn)行平板。如果在運(yùn)輸或者吊裝時造成鋼板不平度超過標(biāo)準(zhǔn)時，也需要對其進(jìn)行調(diào)平處理。

在卷板機(jī)上平板，采用平尺檢查平直度應(yīng)小于2mm/m，調(diào)平時，進(jìn)板方向須與鋼板軋制方向相同。平板時應(yīng)反復(fù)多次滾壓，并且采用小進(jìn)輥量，平板過程中，發(fā)現(xiàn)輥筒與鋼板表面的氧化皮，應(yīng)及時清除，以免損傷鋼板[3]。

2.3.2 劃線

按照工藝圖要求對鋼板進(jìn)行劃線。劃線前須根據(jù)下料工藝圖及配料圖要求 核對材質(zhì)及材料規(guī)格與是否一致。

劃線先采用計算機(jī)三維模擬放樣，生成下料平面圖，根據(jù)下料平面圖采用數(shù)控噴粉法在鋼板上劃線，下料需精準(zhǔn)。所有劃線應(yīng)劃在鋼管管壁內(nèi)側(cè)，并應(yīng)注意控制鋼板壓延方向與鋼管卷板方向一致，不能對高強(qiáng)鋼鋼板打樣沖眼。

鋼板劃線在下料平臺上進(jìn)行，劃線平臺與切割平臺共用，平臺應(yīng)該經(jīng)常修整平齊，使劃線精準(zhǔn)。

2.3.3 切割

在高剛度的數(shù)控切割平臺上進(jìn)行切割，切割平臺平面度不超過2 mm，才能保證切割精度。鋼板氣割前應(yīng)清除切割邊緣50 mm范圍內(nèi)的銹斑、油污等雜物，氣割后清除熔渣和飛濺物等。

切割時采用中性焰，正確控制切割氧壓力、氣割速度、預(yù)熱火焰能率(采取中偏下限的預(yù)熱火焰能率施工)、割嘴與鋼板的傾斜角度、割嘴離鋼板表面的距離(一般控制在3～5 mm)等氣割工藝參數(shù)。運(yùn)用集中供氣方式供應(yīng)氧氣和乙炔，確保供氣壓力穩(wěn)定、充足。氧氣、乙炔的純度(氧氣純度高于99.5%)須滿足切割的要求。先均預(yù)運(yùn)行一次數(shù)控切割機(jī)，確認(rèn)無誤后再進(jìn)行切割。采用數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行切割的時候，注意觀察切割機(jī)刀頭的行走軌跡和觀察數(shù)控屏幕上的程序運(yùn)行是否正常，以便及時調(diào)整參數(shù)。

2.4 卷制工藝試驗(yàn)

試驗(yàn)選用電站壓力鋼管D/δ值為26的岔管部分材料進(jìn)行，選定用于岔管部分的板厚為34 mm，卷制成直徑890 mm的半圓柱形瓦片。所用板材在進(jìn)場后進(jìn)行了化學(xué)成分及機(jī)械性能檢測；板材下料前進(jìn)行100%超聲波和100%磁粉探傷檢查，確定原材料質(zhì)量合格，然后劃線切割下料(鋼板兩端各留100 mm壓頭余量，卷制完成后割除)，清除雜物后在3WYB6036卷板機(jī)上進(jìn)行卷制。卷制前在板材外表面用劃針做兩組間距分別為500mm和1000mm的卷制變形測量基準(zhǔn)線。

2.4.1 瓦塊卷制

瓦片在卷板機(jī)上冷彎卷制成型，卷板所用樣板弧度誤差小于0.5 mm。在瓦塊卷板前清掃瓦塊上雜物，防止損壞設(shè)備和瓦塊表面；為了保證鋼管縱縫處的弧度滿足要求，先將管節(jié)瓦塊兩端頭在卷板機(jī)上進(jìn)行壓頭處理。壓頭在60 mm×3600 mm卷板機(jī)上進(jìn)行，先用較厚的鋼板卷制成胎具(弧度曲率比鋼板所需弧度曲率稍大)，再將試驗(yàn)鋼板放在胎板上，并將輥筒軸線與滾壓線調(diào)整平行，然后滾壓兩端頭。壓頭過程中，設(shè)備負(fù)荷大，操作員“點(diǎn)動”按鈕，使輥筒的下降量每次控制在5～8 mm，對鋼板進(jìn)行少量、多次反復(fù)壓制，滾壓過程中用標(biāo)準(zhǔn)樣板檢查弧度用壓頭樣板檢查，直至鋼板與樣板間隙小于0.5 mm時，開始進(jìn)行正式卷板[4]。卷板時分別對各區(qū)域按照素線滾壓線進(jìn)行卷制，卷板同時不得錘擊鋼板，以免在鋼板上出現(xiàn)任何痕跡。卷板過程注意采用較小的輥壓量(5～8 mm)，反復(fù)多次卷制成形，接近卷制半徑時逐漸減少輥壓量，在卷制過程中應(yīng)多次用樣板檢查比較，以免超過卷制量。卷板完成將瓦塊吊離卷板機(jī)，使其自由狀態(tài)直立于拼裝平臺上，檢查其弧度不超過2 mm，瓦塊無急彎，并檢查瓦塊的弦長和三維對角線長度，以保證瓦塊不出現(xiàn)大的扭曲(圖1)。

3.4.2 瓦塊檢測

試板卷制完成后用放大鏡進(jìn)行目視檢查，并進(jìn)行100%磁粉探傷和100%超聲波探傷檢查。經(jīng)檢查，瓦塊內(nèi)外表面及切割縫棱角處均未發(fā)現(xiàn)肉眼可見缺陷，磁粉探傷檢測合格。同時測量兩組基準(zhǔn)線間距變化，實(shí)際測量數(shù)據(jù)分別為518 mm和1037 mm。

圖1 鋼板壓頭、卷制示意

2.4.3 瓦塊平整

瓦塊檢測合格后切割去除其兩端頭的壓頭余量，利用卷板機(jī)將瓦塊壓平并再次對其進(jìn)行磁粉探傷檢查。瓦塊壓平方式與卷制壓頭基本一致，同樣采用“點(diǎn)動”控制輥筒下降量，多次反復(fù)壓制，逐步將瓦塊壓制平整，并用1000 mm鋼板尺檢查其平整度。瓦塊壓制平整后再次對間距為1000 mm兩測量基準(zhǔn)線之間距離進(jìn)行測量，實(shí)際檢測數(shù)據(jù)為1040 mm。

3.4.4 取樣試驗(yàn)

瓦塊壓制平整并檢查合格后，在鋼板中心位置用等離子切割機(jī)切取兩塊為400 mm×200 mm(長×寬)的試板。送云南省黑色冶金產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站進(jìn)行彎曲、拉伸和沖擊試驗(yàn)，各試驗(yàn)試件按圖2所示采用機(jī)械加工制作。

圖2 性能試驗(yàn)試樣取樣示意(單位：mm)

卷制試板機(jī)械性能檢測及原材料5%應(yīng)變時效試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)如表4。

表4 試樣力學(xué)性能檢測數(shù)據(jù)

經(jīng)過對D/δ值為26的高強(qiáng)鋼鋼管進(jìn)行冷卷試驗(yàn)并對試樣進(jìn)行相應(yīng)的塑性及韌性等性能檢測，檢測數(shù)據(jù)顯示卷制后的各項(xiàng)機(jī)械性能參數(shù)均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計要求。

3 焊接工藝技術(shù)措施

3.1 焊接材料

610 MPa級高強(qiáng)鋼焊接選用大西洋焊條廠生產(chǎn)的CHE62CFLH焊條。

3.2 焊條的使用和保管

(1)焊條應(yīng)存放在通風(fēng)、干燥的專門倉庫里面，倉庫里相對濕度小于60%，室溫高于5 ℃，并離地面和墻壁距離均不小于300 mm。焊條的烘干溫度為350～400 ℃，保溫時間為1～2 h。烘焙后的焊條應(yīng)該存放在恒溫箱里面，恒溫箱的溫度在100～150 ℃之間，表皮應(yīng)該完整，沒有裂痕和脫落的情況[5]。

(2)即將使用的焊條應(yīng)該放入保溫桶，以便用的時候容易取出。焊條每次在保溫筒里面的時間應(yīng)該低于4 h，再次烘焙不能超過兩次。

3.3 焊接預(yù)熱和層間溫度要求

(1)預(yù)熱和恒溫采用遠(yuǎn)紅外加熱片為主，用火焰為輔的加熱方式。遠(yuǎn)紅外線加熱器裝置沿焊縫長度方向布置。

(2)610 MPa級高強(qiáng)鋼需要預(yù)熱焊接，預(yù)熱溫度為100～120 ℃，焊接層間溫度均為100～200 ℃。

(3)預(yù)熱區(qū)兩邊的距離應(yīng)該為焊縫中心線左右200mm，測量他的溫度時，應(yīng)該以距焊縫中心線左邊或者右邊50mm處為測量點(diǎn)，進(jìn)行對稱測量，每條焊縫測量點(diǎn)應(yīng)該大于3對，測量間距為1000mm。

(4)預(yù)熱溫度經(jīng)初檢、復(fù)檢、終檢達(dá)到要求，由監(jiān)理簽字開焊單后方可進(jìn)行焊接。對正式施焊前的預(yù)熱溫度計入焊工工藝記錄卡中。

(5)岔管焊接完成后立即進(jìn)行后熱處理，后熱溫度為150～200℃，保溫時間不小于1h，設(shè)專人負(fù)責(zé)預(yù)熱和后熱，并做好記錄。

3.4焊接熱輸入和焊接規(guī)范

高強(qiáng)鋼焊接熱輸入均控制在17～40 kJ/cm范圍內(nèi)，具體焊接規(guī)范見表5。

表5 高強(qiáng)鋼部分焊接規(guī)范

3.5 定位焊接

(1)高強(qiáng)鋼和環(huán)境氣溫低于5 ℃、相對濕度大于90%時，定位焊接均需預(yù)熱到溫度為120～150 ℃，采用火焰預(yù)熱。

(2)定位焊縫應(yīng)設(shè)置在焊接接頭平焊位和便于采用砂輪打磨的一側(cè)。

(3)管節(jié)縱縫兩端不得有定位焊縫。應(yīng)在距離其端部40 mm后可進(jìn)行定位焊接。

(4)定位焊縫長度為80～100 mm，定位焊縫距離為250～300 mm，定位焊縫接厚度不超過10 mm。

(5)正式焊接時，將高強(qiáng)鋼管節(jié)的縱縫、環(huán)縫的定位焊縫采用碳弧氣刨和砂輪清除干凈。定位焊縫不得留在這些重要焊縫內(nèi)。

3.6 正式焊接

3.6.1 縱縫焊接

手工焊縱縫分段跳焊，多層多道，控制角變形和線能量。在焊接過程中，可根據(jù)鋼管拼裝尺寸進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

焊縫主坡口設(shè)在鋼管內(nèi)壁，內(nèi)縫焊接填充3～4層后對背縫進(jìn)行氣刨清根、清理、打磨、焊接，再焊接內(nèi)縫。焊接時，不定時的用樣板檢查鋼管的弧度，根據(jù)檢查結(jié)果，隨時調(diào)整內(nèi)縫及外縫焊接順序。

3.6.2 環(huán)縫及組合縫焊接

環(huán)縫焊接時安排2名焊工分別在對稱位置，由焊工自內(nèi)往外(徑向)采用相同焊接工藝要求施焊。高強(qiáng)鋼需進(jìn)行預(yù)熱處理[6]。焊縫主坡口設(shè)在鋼管內(nèi)縫，焊完內(nèi)縫后對外縫進(jìn)行氣刨清根、清理、打磨，再進(jìn)行焊接。分段倒退，多層多道，減少應(yīng)力集中，控制線能量。

在焊接過程中，每焊接一層(一道)后必須用風(fēng)鏟逐層逐道對焊縫進(jìn)行錘擊，將焊道內(nèi)殘留的藥皮、熔渣、飛濺等清理干凈，必要時可用角磨機(jī)進(jìn)行打磨處理，同時將焊縫錘擊出細(xì)小麻坑，盡量減少焊接殘余應(yīng)力。

由于部分管徑相對較小，最小直徑只有0.8 m，焊接活動空間很小。高強(qiáng)鋼又在預(yù)熱溫度下進(jìn)行焊接，所以只能在管節(jié)內(nèi)外各一人進(jìn)行分段退焊焊接。分段焊縫長度為300～400 mm。

其余焊接要求嚴(yán)格按GB50766-2012標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

3.7 焊接檢查

嚴(yán)格按GB50766標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接接頭外觀和內(nèi)部檢查。焊縫焊接完成后，先通過檢驗(yàn)尺和肉眼觀察進(jìn)行外觀檢查，然后在焊接完成24 h以后進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量無損檢測。使用超聲波和X射線檢測進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量的無損檢測，表面采用磁粉或著色無損探傷檢查。

無損檢測人員須經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)和考試，持有無損檢測資格證書。評定焊縫質(zhì)量由II級或II級以上的無損檢測人員擔(dān)任。

一、二類焊縫焊接完畢，由焊工自檢后打上鋼印(高強(qiáng)鋼不打鋼印，采用油漆編號，并做好記錄，并由焊工簽字)。

所有的一、二類焊縫都應(yīng)進(jìn)行100%超聲波和100%磁粉無損探傷，同時對610 MPa級高強(qiáng)鋼管道的一、二類焊縫進(jìn)行50%TOFD探傷，對所有T型縫進(jìn)行100%TOFD探傷，重點(diǎn)對易出現(xiàn)缺陷的位置進(jìn)行檢查，并盡量抽到每一個焊工的焊縫。經(jīng)檢測，焊縫一次合格率達(dá)到98.99%。

4 結(jié)語

實(shí)踐證明，對徑厚比超規(guī)范的鋼管冷卷焊接施工工藝是可行的。本工藝為今后類似電站壓力鋼管的制造提供合理、高效、科學(xué)的施工工藝方案，為制造規(guī)范的完善提供可靠依據(jù)。