某水電站壓力管道高強(qiáng)鋼開(kāi)孔封焊試驗(yàn)及風(fēng)險(xiǎn)分析

趙 鵬，吳 疆，徐江濤

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概 述

國(guó)內(nèi)某水電站為Ⅰ等大(1)型工程，樞紐由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)等主要建筑物組成。引水發(fā)電系統(tǒng)布置在左岸地下，巖性為花崗閃長(zhǎng)巖，采用廠房首部開(kāi)發(fā)方式。壓力管道按單機(jī)單管豎井式布置，由上平段、上彎段、豎井段、下彎段、下平段組成。壓力鋼管位于壓力管道下平段，起始點(diǎn)位于廠房上游50 m處(壓力管道豎井中心線下游40 m)，總長(zhǎng)50.9 m，開(kāi)挖洞徑10.8 m，管徑9.2～8.82 m，管外回填C20素混凝土，厚0.8 m(見(jiàn)圖1)。壓力鋼管距離廠房上游邊墻-0.9～31.6 m段采用600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼板，壁厚42～28 mm。

圖1 壓力鋼管剖面布置

壓力鋼管接觸灌漿除首部4 m管段采用鋼管預(yù)開(kāi)孔進(jìn)行灌漿施工外，其余管段均采用在鋼管底部預(yù)埋灌漿管路和灌漿盒的方式進(jìn)行灌漿施工。壓力鋼管接觸灌漿采用敲擊法進(jìn)行質(zhì)量檢查，在灌漿結(jié)束7天后進(jìn)行。根據(jù)壓力鋼管接觸灌漿灌后檢查情況，1號(hào)和4號(hào)壓力鋼管管外存在脫空情況，但脫空范圍總體較小，除1～2處脫空面積略大于1 m2外，其他脫空面積均能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求；2、3號(hào)壓力鋼管近廠房下游側(cè)管段管外脫空點(diǎn)多、面廣，脫空面積不滿足設(shè)計(jì)要求的區(qū)域較多，且大部分位于600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼板區(qū)域，因此需要對(duì)高強(qiáng)鋼板區(qū)域脫空處理措施進(jìn)行研究。

2 600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼板洞內(nèi)開(kāi)孔封焊風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)于2、3號(hào)壓力鋼管管外脫空的處理只能選擇在壓力鋼管內(nèi)壁現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)灌漿孔，補(bǔ)充接觸灌漿，灌后封焊灌漿孔的方案。而2、3號(hào)壓力鋼管管外脫空不滿足設(shè)計(jì)合格標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域，均采用南京鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)的N610CF牌號(hào)600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼板。

壓力鋼管洞內(nèi)接觸灌漿開(kāi)孔一般采用磁座電鉆鉆孔，孔徑一般在12～20 mm，孔徑較小。封堵一般采用圓鋼制成封堵塞，將封堵塞塞入灌漿孔后，堆焊封堵磨平。高強(qiáng)鋼板開(kāi)孔封焊主要存在如下風(fēng)險(xiǎn)：

2.1 高強(qiáng)鋼板焊接裂紋的風(fēng)險(xiǎn)

《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 35056—2015)9.3.3條規(guī)定“當(dāng)管壁為高強(qiáng)鋼時(shí)不宜開(kāi)設(shè)灌漿孔，可采用其他方法灌漿”?！端娝こ虊毫︿摴苤谱靼惭b及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50766—2012)4.2.6條規(guī)定“對(duì)于有裂紋傾向的母材和潮濕環(huán)境，焊接時(shí)應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱和后熱。高強(qiáng)鋼不宜開(kāi)設(shè)灌漿孔，宜采用預(yù)埋管法或拔管法進(jìn)行回填灌漿和接觸灌漿。”高強(qiáng)鋼板洞內(nèi)開(kāi)孔封焊措施不當(dāng)容易出現(xiàn)焊接裂紋的主要原因如下：

(1)高強(qiáng)鋼灌漿孔封堵采用熔化焊時(shí)需進(jìn)行預(yù)熱和后熱，以減少焊接裂紋的出現(xiàn)。由于灌漿孔尺寸小，不便貼合可控制加熱溫度的遠(yuǎn)紅外電加熱片，而采用人工控制溫度的火焰加熱法，從而導(dǎo)致各個(gè)部位加熱、冷卻不均勻，進(jìn)而可能導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂。

(2)高強(qiáng)鋼的合金元素多，成分復(fù)雜，金相組織為低碳板條馬氏體或粒狀下貝氏體，缺口裂紋敏感性比較高。由于其強(qiáng)度較高，相應(yīng)的塑性相對(duì)較低，且焊接熱影響區(qū)在多次焊接加熱后，晶體組織性能變化較復(fù)雜，易造成韌性下降，故采用熔化焊接工藝封堵灌漿孔易產(chǎn)生裂紋等焊接缺陷。

(3)灌漿孔內(nèi)不易清除的浮銹、油污、油漆、泥漿以及圍巖滲水或灌漿凝固水滲出均會(huì)導(dǎo)致焊接接頭內(nèi)的擴(kuò)散氫含量增加，存在氫致裂紋的可能。

2.2 堆焊體自身缺陷或與母材未熔合導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)

壓力鋼管位于地下洞室內(nèi)，由于洞內(nèi)環(huán)境潮濕，焊接封堵塞密封性無(wú)法保證，易在焊接階段產(chǎn)生大量水蒸氣，可能在焊接過(guò)程中形成氣孔，影響焊接質(zhì)量。另一方面，由于補(bǔ)灌開(kāi)孔孔徑較小，堆焊體厚度較大，封焊施工操作難度高，堆焊體自身易出現(xiàn)氣孔、夾渣等焊接缺陷，堆焊體與母材間也存在未完全熔合的可能。

綜上所述，若高強(qiáng)鋼焊接過(guò)程中產(chǎn)生焊接裂紋、氣孔、夾渣及未熔合等焊接缺陷，壓力鋼管充水后，在高壓內(nèi)水的作用下，可能出現(xiàn)壓力鋼管滲漏問(wèn)題。

3 高強(qiáng)鋼開(kāi)孔封焊試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)基本情況

為評(píng)估壓力鋼管高強(qiáng)鋼板開(kāi)孔及封焊風(fēng)險(xiǎn)，總承包項(xiàng)目部開(kāi)展了高強(qiáng)鋼板開(kāi)孔封焊試驗(yàn)。試驗(yàn)鋼板采用與壓力鋼管相同的600 MPa級(jí)N610CF鋼板，鋼板長(zhǎng)6 400 mm，寬2 400 mm，厚30 mm。為模擬原位壓力鋼管的情況，試驗(yàn)鋼板加工為瓦片形，內(nèi)徑與壓力鋼管相同為9 200 mm，周圈共設(shè)3道加勁環(huán)，鋼板底部設(shè)土工布，模擬原型脫空狀態(tài)，土工布外澆筑混凝土。試驗(yàn)地點(diǎn)位于尾水出口明渠底板上。

利用磁力鉆，在試驗(yàn)鋼板上開(kāi)設(shè)了共13個(gè)試驗(yàn)孔，孔徑分別為14、16、18、20、25 mm，試驗(yàn)孔的位置如下所示(見(jiàn)表1、圖2)，試驗(yàn)孔封堵方案如下所示(見(jiàn)圖3)。底部柱形封堵塞采用Q355圓鋼制成，封堵孔坡口打磨清理完成后、施焊前將封堵塞塞入灌漿孔。1～4號(hào)試驗(yàn)孔為初期試驗(yàn)孔，堆焊厚度均為25 mm；5～12號(hào)試驗(yàn)孔內(nèi)堆焊厚度分兩組進(jìn)行對(duì)比：分別為20 mm(試驗(yàn)板2/3板厚)和27 mm。

表1 試驗(yàn)鋼板開(kāi)孔相關(guān)信息統(tǒng)計(jì)

圖2 灌漿孔開(kāi)設(shè)位置示意

圖3 封焊方案示意(以φ16孔徑為例)

3.2 焊后質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)監(jiān)理部要求，設(shè)計(jì)部門經(jīng)研究，明確壓力鋼管高強(qiáng)鋼開(kāi)孔堵焊試驗(yàn)焊后質(zhì)量檢查要求如下：

(1)灌漿孔堵焊質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)按《水電工程單元工程質(zhì)量等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) 第2部分：金屬結(jié)構(gòu)及啟閉機(jī)安裝工程》(NB/T 35097.2—2017)第5.2.7條執(zhí)行，即：“焊后滿足設(shè)計(jì)要求，焊接接頭外觀按現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第4部分：磁粉檢測(cè)》NB/T 47013.4和《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第5部分：滲透檢測(cè)》NB/T 47013.5規(guī)定進(jìn)行磁粉檢測(cè)(MT)或滲透檢測(cè)(PT)表面無(wú)損檢測(cè)，合格等級(jí)為III；表面平整，無(wú)滲水現(xiàn)象”。抽檢比例按100%執(zhí)行。

(2)灌漿孔堵焊完成后，應(yīng)對(duì)堵焊部位及周邊熱影響區(qū)進(jìn)行取樣，開(kāi)展力學(xué)性能試驗(yàn)。主要檢驗(yàn)內(nèi)容包括：拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)。取樣方法及力學(xué)性能試驗(yàn)要求按《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50766—2012)附錄D執(zhí)行。

另外，建議增加若干組不同堆焊填充深度的封堵方案，開(kāi)展堆焊填充深度對(duì)比研究。

3.3 焊后質(zhì)量檢查結(jié)果

3.3.1 表面無(wú)損檢測(cè)結(jié)果

1～4號(hào)試驗(yàn)孔封焊體未進(jìn)行表面滲透檢測(cè)。5～12號(hào)試驗(yàn)孔封焊體表面滲透檢測(cè)結(jié)果表明，6號(hào)和12號(hào)的封焊體焊后表面存在氣孔及表面開(kāi)口缺陷的情況，經(jīng)砂輪機(jī)打磨處理后能達(dá)到規(guī)范合格標(biāo)準(zhǔn)，5～11號(hào)封焊體焊后表面滲透探傷檢測(cè)符合規(guī)范合格標(biāo)準(zhǔn)。

3.3.2 內(nèi)部無(wú)損檢測(cè)結(jié)果

為更清楚了解封孔焊接的情況，還對(duì)封焊體及周邊母材進(jìn)行了內(nèi)部無(wú)損檢測(cè)：

(1)1～4號(hào)試驗(yàn)孔封焊體采用超聲波和TOFD兩種檢測(cè)方法進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。其中超聲波檢測(cè)采用斜探頭進(jìn)行檢測(cè)，4個(gè)封堵孔均有缺陷反射回波，缺陷回波深度8～28 mm；TOFD檢測(cè)從圖譜來(lái)看，為整個(gè)封堵深度的缺陷顯示。

(2)5～12號(hào)試驗(yàn)孔封焊體進(jìn)行了超聲波檢測(cè)，其中超聲波檢測(cè)采用斜探頭和直探頭進(jìn)行檢測(cè)，超聲波直探頭檢測(cè)未見(jiàn)明顯缺陷回波，超聲波斜探頭檢測(cè)出8個(gè)封堵孔均存在缺陷反射回波，缺陷深度8～30 mm。

(3)對(duì)力學(xué)試驗(yàn)取樣外剩余的封堵孔周邊熱影響區(qū)，采用超聲波直探頭進(jìn)行檢測(cè)未見(jiàn)缺陷回波顯示。

3.3.3 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

力學(xué)性能試驗(yàn)選取7號(hào)(堆焊27 mm、孔徑18 mm)、10號(hào)(堆焊20 mm、孔徑18 mm)、9號(hào)(堆焊20 mm、孔徑20 mm)、8號(hào)(堆焊27 mm、孔徑20 mm)共4孔進(jìn)行。每孔沿孔中心，對(duì)半分割為兩個(gè)試樣。主要內(nèi)容包括：拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)。力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如下：

(1)從拉伸試驗(yàn)成果看，7號(hào)試樣抗拉強(qiáng)度698 MPa，10號(hào)試樣抗拉強(qiáng)度686 MPa、9號(hào)試樣抗拉強(qiáng)度671 MPa、8號(hào)試樣抗拉強(qiáng)度621 MPa，均能滿足《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50766—2012)附錄D“焊縫抗拉強(qiáng)度不小于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值下限”(即610 MPa)的要求。從拉伸試驗(yàn)后試樣斷裂性狀看，7號(hào)和9號(hào)堆焊體與母材熔合較好，堆焊體與母材無(wú)明顯拉裂界線；8號(hào)和10號(hào)試樣堆焊體與母材沿孔周結(jié)合部位拉裂，堆焊體與母材存在明顯未熔合現(xiàn)象，之所以試樣的整體抗拉強(qiáng)度能到達(dá)610 MPa以上，可能與母材抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于610 MPa有關(guān)(根據(jù)母材拉伸試驗(yàn)成果，其抗拉強(qiáng)度為682～726 MPa)。

(2)從彎曲試驗(yàn)成果看，根據(jù)《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50766—2012)附錄D的要求，開(kāi)口缺陷在3 mm以下即為合格，9號(hào)和10號(hào)試樣開(kāi)口缺陷均小于3 mm，滿足規(guī)范要求。

(3)從沖擊試驗(yàn)成果看，根據(jù)《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50766—2012)附錄D的要求，焊縫沖擊吸收能量平均值不小于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值下限，母材的沖擊試驗(yàn)要求在-20 ℃條件下進(jìn)行，但本次試驗(yàn)采用的常溫條件，因此無(wú)法進(jìn)行有效的評(píng)判。從試驗(yàn)結(jié)果看，在常溫條件下，7號(hào)試樣實(shí)測(cè)值為250J，8號(hào)試樣實(shí)測(cè)值為152J，7號(hào)和8號(hào)試樣抗沖擊能力存在較大差距，其原因可能為8號(hào)試樣堆焊體與母材存在未熔合問(wèn)題，因此抗沖擊力學(xué)性能較7號(hào)試樣有較大幅度降低。

4 焊接缺陷原因分析與改進(jìn)建議

4.1 焊接缺陷原因分析

根據(jù)焊后質(zhì)量檢查結(jié)果，試驗(yàn)孔封焊后，封焊體表面探傷成果基本滿足規(guī)范合格標(biāo)準(zhǔn)，但焊縫內(nèi)部可能存在氣孔、夾渣、未熔合及焊接裂縫等焊接缺陷。焊接缺陷產(chǎn)生的可能原因如下：

(1)高強(qiáng)鋼本身的特性導(dǎo)致。由于高強(qiáng)鋼合金元素較多，成分復(fù)雜，缺口裂紋敏感性較高，塑性、韌性相對(duì)較低，因此對(duì)高強(qiáng)鋼采用熔化焊接工藝時(shí)易產(chǎn)生焊接裂紋等缺陷。

(2)現(xiàn)場(chǎng)封焊操作困難。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況，試驗(yàn)孔孔徑為14～25 mm，焊接使用的焊條直徑約4 mm，封焊體深度20～27 mm。由于封堵塞密封性較差，試驗(yàn)孔孔徑較小，封焊體深度較大且焊條較粗，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行堆焊操作時(shí)難度較大，導(dǎo)致焊接過(guò)程中可能產(chǎn)生氣孔、夾渣、未熔合等焊接缺陷。

4.2 封焊改進(jìn)建議

為盡量減少封焊體體內(nèi)存在的焊接缺陷，建議調(diào)整開(kāi)孔封焊措施：在進(jìn)行灌漿孔焊接前，先使用絲錐對(duì)灌漿孔進(jìn)行攻絲，并制作相應(yīng)的灌漿孔堵頭。攻絲完成后，在絲扣表面涂抹耐高溫環(huán)氧密封膠，擰緊封堵堵頭，最后在堵頭與鋼板表面進(jìn)行封焊。措施調(diào)整后，可提高封堵塞密封性，減小封焊體厚度，降低封焊操作難度，從而降低產(chǎn)生焊接缺陷的可能性。

5 結(jié)論與分析

(1)受高強(qiáng)鋼本身性質(zhì)及現(xiàn)場(chǎng)施工難度影響，壓力鋼管高強(qiáng)鋼開(kāi)孔封焊過(guò)程中易產(chǎn)生焊接裂紋、氣孔、夾渣等焊接缺陷；或堆焊體與母材間可能產(chǎn)生未熔合情況，壓力鋼管充水后存在滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

(2)高強(qiáng)鋼板開(kāi)孔封焊試驗(yàn)成果表明，鋼板開(kāi)孔封焊后，表面探傷成果可以滿足規(guī)范要求，內(nèi)部無(wú)損檢測(cè)成果顯示試驗(yàn)孔封堵體內(nèi)部均存在一定的焊接缺陷，缺陷深度約8～28 mm。力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果表明，焊后的高強(qiáng)鋼板拉伸試驗(yàn)試樣和彎曲試驗(yàn)試樣的力學(xué)性能指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求。

(3)600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼板開(kāi)孔封焊表面探傷及焊后鋼板的力學(xué)性能可以滿足規(guī)范要求，但焊縫內(nèi)部可能存在氣孔、夾渣、未熔合及焊接裂縫等缺陷，在內(nèi)水壓力作用下，存在一定滲漏風(fēng)險(xiǎn)。因此壓力鋼管高強(qiáng)鋼區(qū)域管外脫空處理方案應(yīng)綜合評(píng)估，選擇更穩(wěn)妥可靠的處理方案。

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