高磁場(chǎng)下鋼管焊接技術(shù)的應(yīng)用研究

付 兵

（廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523710）

1 概 述

某工程的主要建設(shè)任務(wù)是新開涌、泵站和節(jié)制閘，完善排澇體系和水系連通改善片區(qū)水環(huán)境。新開涌全長(zhǎng)1.134 km。河涌規(guī)劃寬度為10 m，涌底高程為-1.5 m（珠基，下同），新建泵站1 座，設(shè)計(jì)流量為5 m3/s，總裝機(jī)容量為630 kW；新建節(jié)制閘3 座，新建箱涵與調(diào)蓄湖連接節(jié)制閘，設(shè)計(jì)孔口凈寬分別為5 m、10 m 和5 m，閘底高程為-1.5 m。

泵房輸水鋼管段在水平空間上與220 kV 高壓線近乎垂直，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著與載流導(dǎo)體（高壓線）距離的增大而迅速衰退。泵房輸水管的連接施工必須采用焊接方式，確保密閉，無泄漏，所以必須保證焊接施工質(zhì)量以及開挖。因輸水鋼管受高壓線產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度影響大，在實(shí)際施工過程中，輸水鋼管發(fā)生磁化，正常焊接時(shí)，磁化的鋼管會(huì)使焊液發(fā)生偏移，焊接時(shí)發(fā)生“磁偏吹”現(xiàn)象，正常焊接工藝無法進(jìn)行。消除磁偏吹是保證焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵。

2 工藝分析對(duì)比

2.1 預(yù)制法

采用返廠改裝成預(yù)制法蘭連接的方式。將磁化鋼管返廠，改裝成預(yù)制法蘭，再將改裝后的鋼管運(yùn)送到施工部位進(jìn)行法蘭連接。來回運(yùn)輸時(shí)間過長(zhǎng)，且改裝工藝需要完成的程序較為復(fù)雜，需與業(yè)主、監(jiān)理溝通才可完成，總體施工效率不高，影響泵站輸水管道施工工期。

2.2 電磁屏蔽罩法

采用電磁屏蔽罩方式。電磁屏蔽罩購回后，需改裝成輸水鋼管兩端的大小，改裝需要一定的時(shí)間，且對(duì)磁性較高鋼管的效果不一定能夠達(dá)到預(yù)期。

2.3 鋼管纏繞焊把線通電法

采用鋼管纏繞焊把線通電法，無需購置多余材料，只需購置長(zhǎng)度略長(zhǎng)的焊把線。經(jīng)市場(chǎng)價(jià)格考察，用焊把線纏繞通電法的投資比采用改裝法蘭或電磁屏蔽罩法要低。采用焊把線纏繞通電法相對(duì)改裝法蘭或電磁屏蔽罩施工過程中對(duì)剩磁的處理更高，從而提高了焊接質(zhì)量。

通過對(duì)比分析，在滿足施工的前提下，最終選定鋼管纏繞焊把線通電法施工工藝。通過采用鋼管纏繞焊把線通電法提高施工質(zhì)量和施工效率，確保施工安全，在節(jié)約施工成本的前提下，有效保證了泵房輸水管道焊接的質(zhì)量和施工過程的安全。

3 鋼管纏繞焊把線通電法原理及操作要點(diǎn)

3.1 原 理

鋼管纏繞焊把線通電法原理：把磁化油管的對(duì)接接口放置于線圈的幾何中心，在通電線圈所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的作用下，磁化油管的磁場(chǎng)產(chǎn)生磁滯回線，當(dāng)交變磁場(chǎng)的副值逐漸遞減時(shí)，磁滯回線的軌跡也越來越小，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)，鋼管中殘留的剩磁Br 也接近于零。消磁的原理用一句話可概括為“換向衰減同時(shí)進(jìn)行”。

根據(jù)這個(gè)原理可采用交流焊接設(shè)備，把焊機(jī)的搭鐵焊接電纜纏繞在磁化管上來代替通電線圈，利用焊接時(shí)焊接電流通過焊接電纜時(shí)，會(huì)形成一個(gè)交變電磁場(chǎng)，幾何中心的磁化管在交變磁場(chǎng)的作用下,磁化管端接口的磁性會(huì)在瞬間減弱或消失，不會(huì)再對(duì)焊接產(chǎn)生任何影響;焊接時(shí)熔滴在電弧吹力、熔滴自身重力及表面張力等的作用下順利過渡到熔池，因此能夠順利地進(jìn)行焊接（圖1）。若采用直流焊接設(shè)備也能達(dá)到一定的效果。

圖1 鋼管纏繞焊把線通電法工藝流程圖

3.2 操作要點(diǎn)

1）施工準(zhǔn)備。泵房輸水管安裝，先對(duì)泵房輸水管段進(jìn)行土方開挖，清理出工作面，再進(jìn)行墊層的測(cè)量放線，兩側(cè)做好鋼板樁支護(hù)，防止邊坡坍塌。墊層澆筑完畢后，進(jìn)行泵房輸水鋼管位置的測(cè)量放線。

2）材料控制。在墊層上完成鎮(zhèn)墩施工后鋼管進(jìn)場(chǎng)，加強(qiáng)鋼管原材料及半成品質(zhì)量控制，進(jìn)場(chǎng)材料經(jīng)過工地試驗(yàn)室檢測(cè)合格后方可投入施工，如工地試驗(yàn)室無法檢測(cè)則須經(jīng)相關(guān)檢測(cè)部門檢測(cè)合格方可使用。

3）點(diǎn)焊組對(duì)。焊前要預(yù)熱，點(diǎn)固焊時(shí)要注意觀察焊接電弧產(chǎn)生磁偏吹的偏吹方向，根據(jù)電弧磁偏吹的方向來決定第一段的焊接位置，注意鋼管的9 點(diǎn)～12點(diǎn)或3 點(diǎn)～12 點(diǎn)的部位，因?yàn)樵谶@兩個(gè)部位容易控制電弧磁偏吹，詳見圖2；鋼管上半部施焊完后管子的磁性已減弱，再進(jìn)行下部的焊接就容易了。完成下半部的焊接后，可根據(jù)情況用氣焊割開上半部焊口進(jìn)行補(bǔ)焊，以確保焊縫質(zhì)量。按圖3 所示標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組對(duì)，可以在鋼管10 點(diǎn)～2 點(diǎn)處點(diǎn)固焊1～2 處，組對(duì)完后清理焊口處熔渣、飛濺等雜物。

圖2 鋼管切面圖

圖3 點(diǎn)焊組對(duì)

4）鋼管焊接。鋼管焊接遇到磁化鋼管，利用鋼管纏繞焊把線通電法做消磁后，再進(jìn)行焊接處理。用磁力計(jì)測(cè)出鋼管磁場(chǎng)的強(qiáng)度大小和方向，將磁化的鋼管用截面（35～50）mm2焊把線纏繞在鋼管坡口的兩側(cè)組成電磁線圈，根據(jù)管道剩磁的大小和方向確定線圈的匝數(shù)。一般不少于7 圈半，打開電焊機(jī)，調(diào)節(jié)電流的大小，利用電焊機(jī)焊把線纏繞鋼管通電后對(duì)磁化鋼管加一個(gè)反向的磁場(chǎng)。反向磁場(chǎng)與鋼管磁化磁場(chǎng)相互作用，使磁化對(duì)焊接的影響減少。

5）無損檢測(cè)。焊接完畢后，進(jìn)行鋼管無損檢測(cè)。

4 應(yīng)用情況

泵房輸水工程試驗(yàn)段采用本文所述的施工工藝對(duì)磁化鋼管進(jìn)行消磁處理，焊接過程中對(duì)管道對(duì)接焊縫內(nèi)部缺陷進(jìn)行超聲波檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 管道對(duì)接焊縫內(nèi)部缺陷超聲波檢測(cè)結(jié)果 mm

對(duì)超聲波檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析可知，在采用本文所述的施工工藝進(jìn)行作業(yè)后，本次超聲波共檢測(cè)的3 條對(duì)接焊縫，均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，檢驗(yàn)焊縫總長(zhǎng)11.49 m。同時(shí)焊縫質(zhì)量依據(jù)《焊縫無損檢測(cè)超聲檢測(cè)驗(yàn)收等級(jí)》（GB/T 29712-2013）橫孔技術(shù)（技術(shù)1）的等級(jí)和驗(yàn)收等級(jí)2 進(jìn)行評(píng)定，評(píng)定合格。相比其他工藝，鋼管纏繞焊把線通電法大大提高了磁化鋼管焊接中焊縫的質(zhì)量及施工效率。

5 結(jié) 語

在泵房輸水工程中開展技術(shù)攻關(guān)，取得了“高磁場(chǎng)下鋼管焊接技術(shù)研究”的新成果，整理出一整套針對(duì)沿高壓線（高磁場(chǎng)）區(qū)域等條件的鋼管焊接施工技術(shù)，在縮短施工工期、保證施工質(zhì)量尤其是焊縫質(zhì)量的同時(shí)，極大地降低了施工成本和施工風(fēng)險(xiǎn)。按計(jì)劃完成了本工程泵房輸水管道的生產(chǎn)任務(wù)。該技術(shù)與傳統(tǒng)施工技術(shù)相比優(yōu)越性明顯，針對(duì)性強(qiáng)，更注重將工程特點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)情況相結(jié)合，使施工變得簡(jiǎn)單、質(zhì)量易于控制，還能極大地節(jié)約施工成本，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益與顯著的社會(huì)效益，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有：

1）實(shí)用性地提出一套適用于高磁場(chǎng)下應(yīng)對(duì)磁偏吹現(xiàn)象的消磁焊接技術(shù)，此種高磁場(chǎng)下應(yīng)對(duì)磁化鋼管焊接的施工技術(shù)具有高效、安全等特點(diǎn)。

2）纏繞焊把線消磁法可以很大程度地減少磁偏吹對(duì)焊接工藝技術(shù)的影響，提高了焊縫質(zhì)量安全系數(shù)和施工效率并降低了施工成本。

3）纏繞焊把線消磁法可節(jié)省工期，能應(yīng)對(duì)野外施工各種條件的優(yōu)勢(shì)，保證了鋼管焊接安全性與施工質(zhì)量的可控性。

焊把線纏繞線圈法的充分利用，實(shí)現(xiàn)了在高磁場(chǎng)下發(fā)生磁化的鋼管區(qū)域的鋼管焊接，此技術(shù)具有高效、安全施工等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了鋼管焊接的質(zhì)量目標(biāo)，同時(shí)，有效節(jié)省了施工成本，提高了施工效率，縮短了輸水鋼管的施工工期，降低了施工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)類似工程項(xiàng)目具有較好的示范作用，提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)其他類似工程提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒，社會(huì)效益顯著。