李 黎
(中國(guó)水利水電第八工程局有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410007)
呼和浩特抽水蓄能電站岔管焊接工藝
李 黎
(中國(guó)水利水電第八工程局有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410007)
從焊接試驗(yàn),焊材選用、焊接順序、質(zhì)量保證措施及焊接檢驗(yàn)、缺陷修復(fù)、調(diào)整與消除殘余應(yīng)力等方面對(duì)Rm≥790MPa的高強(qiáng)鋼焊接工藝進(jìn)行分析與探討,為以后同級(jí)別鋼管焊接提供參考和指導(dǎo)。
呼和浩特抽水蓄能水電站;岔管;Rm≥790MPa高強(qiáng)鋼;焊接工藝
當(dāng)今大型水電站,尤其是高水頭電站和抽水蓄能電站的建造,要求提供流量大、承壓高的引水鋼管。若采用普通鋼材,為了滿足使用要求必須增加鋼板厚度,厚度的增加給制作和運(yùn)輸帶來(lái)很大的困難。隨之發(fā)展起來(lái)的有Rm≥790MPa適用壓力鋼管焊接結(jié)構(gòu)用的高強(qiáng)鋼,由于其性能優(yōu)異和經(jīng)濟(jì)效益顯著,在水電站壓力鋼管(岔管)制造中得到日益廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)只有少數(shù)抽水蓄能電站如西龍池,寶泉,宜興,新疆喀臘塑克等項(xiàng)目的岔管上應(yīng)用,采用的大都是日本鋼板,由外國(guó)公司制造合格后運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)安裝。呼和浩特抽水蓄能電站鋼岔管使用的為寶鋼生產(chǎn)的B780CF鋼板。在我公司用此等級(jí)鋼板制造壓力鋼岔管尚屬首次,因此對(duì)岔管的焊接工藝有著極高的要求。
對(duì)Rm≥790MPa的B780CF鋼板應(yīng)用于鋼岔管尚屬首次,因此國(guó)內(nèi)水電施工企業(yè)對(duì)其熱加工性能并不了解,無(wú)成功案例經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。因此,在岔管技術(shù)準(zhǔn)備階段廣泛開(kāi)展技術(shù)調(diào)研,進(jìn)行以下試驗(yàn),以制定最優(yōu)方案。
通過(guò)斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn),插銷冷裂紋試驗(yàn)和剛性拘束焊接裂紋試驗(yàn),考察鋼板的冷裂敏感性,并確定焊接B780CF鋼板合適的預(yù)熱溫度。通過(guò)斜Y形坡口再裂紋試驗(yàn),插銷冷裂紋試驗(yàn)考察鋼板的再裂紋敏感性。
通過(guò)熱影響區(qū)最高硬度來(lái)評(píng)價(jià)鋼材焊接的淬硬傾向,從而評(píng)價(jià)B780CF鋼板的冷裂傾向。
對(duì)氣刨和氣割試樣進(jìn)行硬度測(cè)試和冷彎試驗(yàn),評(píng)價(jià)氣刨和氣割工藝對(duì)B780CF鋼板性能的影響。
在確定了合適的預(yù)熱溫度的基礎(chǔ)上,選用不同的焊接方法和焊接線能量焊接試板進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn),確定B780CF鋼板合適的焊接線能量范圍。
對(duì)于焊接材料的選擇,長(zhǎng)期以來(lái)高強(qiáng)鋼焊接多采用“等強(qiáng)匹配”的原則選擇。但是對(duì)于Rm≥790MPa的B780CF鋼板來(lái)說(shuō),除了考慮強(qiáng)度外,還必須考慮焊接接頭韌性和裂紋敏感性。采用“低強(qiáng)匹配”的原則選擇的焊材可以減少焊接裂紋的經(jīng)驗(yàn)在業(yè)界備受關(guān)注。有時(shí)“低強(qiáng)匹配”的焊接接頭并不比“等強(qiáng)匹配”的焊接接頭遜色。就焊縫金屬來(lái)說(shuō)。強(qiáng)度越高,韌性水平就越低,甚至低于母材。對(duì)于B780CF鋼板,如果要求焊縫金屬?gòu)?qiáng)度與母材等強(qiáng),其韌性就不夠;如果焊縫金屬?gòu)?qiáng)度高于母材,則韌性更低,甚至低于岔管設(shè)計(jì)安全系數(shù)。所以,適當(dāng)降低焊縫強(qiáng)度而使韌性提高,可能對(duì)焊接街頭性能更為有利。在焊接工藝試驗(yàn)過(guò)程中,選擇焊接材料和制定工藝參數(shù)時(shí)應(yīng)該考慮組織狀態(tài)對(duì)焊縫金屬?gòu)?qiáng)度和韌性的影響,并做一些“低強(qiáng)匹配”方面的焊接試驗(yàn)研究,以優(yōu)化月牙肋與支管管壁組合焊縫除外的其他焊縫的焊接工藝。
鋼岔管分成8個(gè)管節(jié)(圖1所示),編號(hào)分別是A1,A2、B1-1、B1-2、B2、C1-1、C1-2、C2。其中 A1節(jié)有 A1-1,A1-2、A1-3三 個(gè) 瓦 塊 ;A2節(jié) 有 A2-1,A2-2、A2-3三個(gè)瓦塊;B1-1節(jié)有 B1-1-1、B1-1-2兩個(gè)瓦塊;B1-2節(jié)有 B1-2-1、B1-2-2、B1-2-3三個(gè)瓦塊;B2節(jié)有 B2-1、B2-2、B2-3三個(gè)瓦塊;C1-1節(jié)有 C1-1-1、C1-1-2兩個(gè)瓦塊;C1-2節(jié)有 C1-2-1、C1-2-2、C1-2-3三個(gè)瓦 塊;C2節(jié) 有 C2-1、C2-2、C2-3三個(gè)瓦塊;為保證焊接質(zhì)量以及減少安裝現(xiàn)場(chǎng)的焊接工程量和降低運(yùn)輸難度,將鋼岔管的焊接分為兩部分,第一部分焊接任務(wù)在三峽項(xiàng)目部制作車間完成,第二部分在呼和浩特鋼岔管制造廠完成。
先焊接第C2節(jié)、第B2節(jié)縱縫和月牙肋對(duì)接縫。單節(jié)預(yù)裝完成后,焊接瓦塊A2-1與A1-1、A2-2與 A1-2、A2-3與 A1-3、C1-1-1與 C1-2-1、C1-1-2與 C1-2-3、B1-1-1與 B1-2-1、B1-1-2與 B1-2-3之間環(huán)縫(圖1所示)。
以上焊縫焊接完成并探傷合格后,將整個(gè)鋼岔管解體分成12個(gè)單元運(yùn)輸至呼和浩特鋼岔管制造廠整體拼裝,焊接。
先拼裝焊接第A1節(jié),第A2節(jié)、第C1-1節(jié)、第C1-2節(jié)、第B1-1節(jié)、第B1-2節(jié)縱縫。縱縫焊完探傷合格,拼裝焊接第C1-2與第C2節(jié)環(huán)縫;第B1-2與第B2節(jié)環(huán)縫。探傷合格后所有管節(jié)進(jìn)行整體拼裝,焊接第C1-1和第C1-2節(jié)與月牙肋組合縫;第B1-1和第B1-2節(jié)與月牙肋組合縫。最后焊接第A1與第B1-1節(jié)環(huán)縫;第A1與第C1-1節(jié)環(huán)縫(圖1所示)。
整個(gè)鋼岔管在呼和浩特制造廠整體拼裝、焊接、探傷、水壓試驗(yàn)、防腐合格后,整體運(yùn)輸至安裝現(xiàn)場(chǎng)安裝。
4.3.1 縱縫焊接

圖1 瓦塊分節(jié)及焊縫示意圖
為防止焊接時(shí)產(chǎn)生錐度,將縱縫分為三等段,按先中間,后底部,最后頂上的焊接順序焊接,待主縫焊接2~3層后背縫清根打磨,在清根前應(yīng)對(duì)焊縫后熱,并在保持溫度(不低于預(yù)熱溫度)的情況下清根,應(yīng)將背縫滲碳層用砂輪磨掉,磨削層厚不小于0.8mm。再進(jìn)行背縫焊接,在整個(gè)焊接過(guò)程中要特別注意變形控制,并根據(jù)變形情況合理地調(diào)整焊接順序。預(yù)先制作一標(biāo)準(zhǔn)樣板,在焊接過(guò)程中隨時(shí)檢查縱縫處的弧度,根據(jù)變形的具體情況調(diào)整焊接順序,以保證焊接完成后樣板與鋼管內(nèi)壁的間隙不超過(guò)4mm。
4.3.2 月牙肋對(duì)接縫的焊接
月牙肋對(duì)接板焊接過(guò)程中,必須嚴(yán)格控制焊接角變形,根據(jù)焊接角變形的情況來(lái)決定正反面的焊接順序,使月牙肋板焊接平面度控制在3mm內(nèi);必要時(shí),還要用經(jīng)緯儀監(jiān)控環(huán)板的扭曲,同時(shí),為了保證半徑在規(guī)定范圍內(nèi)及減少焊接應(yīng)力必須采取多層多道分段退步跳焊。為了保證焊縫內(nèi)部質(zhì)量,對(duì)于根部焊道,可采用手工電弧焊焊接2~5層,再改用氣體保護(hù)焊焊接;焊接主縫的40%左右進(jìn)行背縫清根,在清根前應(yīng)對(duì)焊縫后熱,并在保持溫度(不低于預(yù)熱溫度)的情況下清根,應(yīng)將背縫滲碳層用砂輪磨掉,磨削層厚不小于0.8mm,確認(rèn)焊縫清理干凈后方可開(kāi)始焊接;焊縫層間的焊接缺陷必須隨時(shí)進(jìn)行處理。
4.3.3 環(huán)縫的焊接
環(huán)縫焊接安排4名焊工,沿環(huán)縫等距離分布同步開(kāi)始焊接。焊接過(guò)程中,各焊工焊接速度盡量保持一致,再根據(jù)變形情況調(diào)整內(nèi)外焊接順序。待主縫焊接2~3層后背縫清根打磨,在清根前應(yīng)對(duì)焊縫后熱,并在保持溫度(不低于預(yù)熱溫度)的情況下清根,應(yīng)將背縫滲碳層用砂輪磨掉,磨削層厚不小于0.8mm。再進(jìn)行背縫焊接,在整個(gè)焊接過(guò)程中要特別注意變形控制,并根據(jù)變形情況合理地調(diào)整焊接順序,以保證焊接完成后樣板與鋼管內(nèi)壁的間隙不超過(guò)4mm。
4.3.4 月牙肋與岔管管壁組合縫的焊接
焊接過(guò)程中安排5人對(duì)稱退步焊(如圖2)并根據(jù)變形情況合理地調(diào)整焊接順序,焊前先加防焊接變形內(nèi)支撐(如圖3),厚度為50mm以上,寬度為200mm左右,在最頂部,底部及腰部位置各加一塊支撐板。

圖2 焊接順序圖
此部位每位焊工焊接順序如圖2所示,待此部位主縫焊接完成60%左右時(shí)保溫(不低于預(yù)熱溫度)氣刨背縫,應(yīng)將背縫滲碳層用砂輪磨掉,磨削層厚不小于0.8mm,再焊接背縫至合適位置時(shí)再焊接主縫至留兩層的位置,停溫進(jìn)行探傷,確保已完成的焊縫質(zhì)量無(wú)任何焊接缺陷后,再預(yù)熱100℃焊接主縫及背縫至完畢。總的原則多層多道退步跳焊,并根據(jù)變形情況合理地調(diào)整焊接順序。

圖3 防變形支撐布置圖
B780CF鋼板的含碳量≤0.13%,具有較高強(qiáng)度,又有良好的塑性和韌性,焊接性能優(yōu)于中碳調(diào)質(zhì)鋼。但若是焊接工藝不當(dāng),焊接熱影響區(qū)軟化和韌性下降較為嚴(yán)重。因此,在岔管焊接施工過(guò)程中必須采取相應(yīng)的措施。
(1)參加岔管焊接的焊工必須進(jìn)行Rm≥790MPa高強(qiáng)鋼焊接的理論和操作培訓(xùn),特別是多層窄道焊接技法的訓(xùn)練,嚴(yán)格按照DL/T5017-2007第6.2節(jié)的規(guī)定通過(guò)考試,并取得相應(yīng)的合格證,且證書(shū)有效期內(nèi)方能參加岔管的焊接施工。
(2)岔管焊接所用的焊條的機(jī)械性能和化學(xué)成份符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),具有產(chǎn)品合格證。結(jié)合B780CF鋼板的各種性能和各種焊接試驗(yàn)和焊接工藝評(píng)定,月牙肋與支管管壁對(duì)接縫、組合縫焊接時(shí),焊條電弧焊采用四川大西洋產(chǎn)的CHE807RH(φ3.2、φ4.0)焊條,混合氣體保護(hù)焊采用昆山寶鋼產(chǎn)的BHG-4M(φ1.2)焊絲。
(3)無(wú)論是在三峽項(xiàng)目部制作車間還是在呼和浩特鋼岔管制造廠,岔管焊接部位必須滿足以下條件,否則應(yīng)該有可靠的防護(hù)屏障和保溫措施∶
1)風(fēng)速∶氣體保護(hù)焊小于2m/s,其它焊接方法小于8m/s。
2)相對(duì)濕度小于90%。
3)環(huán)境溫度高于-5℃。
4)非雨天和雪天氣。
(4)岔管施焊前,應(yīng)將坡口及其兩側(cè)10~20mm范圍內(nèi)的鐵銹、熔渣、油垢、水跡清除干凈。檢查坡口間隙、坡口尺寸、變形情況及定位焊縫質(zhì)量。清除定位焊上的裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。
(5)焊接材料應(yīng)按照下列要求進(jìn)行烘烤和保管∶
焊條焊絲置于通風(fēng)干燥和室溫不低于5℃的專設(shè)庫(kù)房?jī)?nèi);設(shè)專人保管、烘焙和發(fā)放,并做好實(shí)測(cè)溫度和焊材發(fā)放記錄;焊條在使用前必須在350~400℃烘烤2h或按焊條說(shuō)明書(shū)上指定的溫度烘烤1~2h,烘干后的焊條應(yīng)保存在100~150℃的恒溫箱內(nèi),隨用隨取,焊工應(yīng)備有焊條保溫筒,焊條在保溫桶內(nèi)的時(shí)間不超過(guò)2h,否則重新烘焙,烘焙次數(shù)不得超過(guò)2次;焊絲使用前必須清除表面的油污和銹斑,隨用隨取。
(6)縱縫(對(duì)接縫)焊接要設(shè)引弧和斷弧用的助焊板;嚴(yán)禁在母材上引弧和斷弧,拆除引、斷弧助焊板時(shí)不應(yīng)傷及母材,拆除后應(yīng)將殘留焊疤打磨修整至與母材表面齊平。縱縫(對(duì)接縫)外的其他焊縫(定位焊)焊接時(shí),應(yīng)在坡口上引弧斷弧,嚴(yán)禁在母材上引弧和斷弧。斷弧時(shí)應(yīng)該將弧坑填滿。多層焊的層間接頭錯(cuò)開(kāi)30mm以上。
(7)定位焊的焊接應(yīng)該符合下列規(guī)定∶
1)定位焊焊接工藝以及對(duì)焊工的能力要求要與正式焊縫相同。
2)定位焊前,應(yīng)對(duì)定位焊縫周圍寬150mm用烘槍進(jìn)行預(yù)熱,并用點(diǎn)溫計(jì)進(jìn)行測(cè)量(點(diǎn)溫計(jì)與工件距離為100mm),預(yù)熱溫度應(yīng)比正式焊縫預(yù)熱溫度高出20~30℃,定位焊在小坡口一側(cè),定位焊縫位置應(yīng)距焊縫端部30mm以上,長(zhǎng)度80mm以上且至少焊兩層,間距為100~400mm,厚度為8mm。
(8)每條焊縫應(yīng)該連續(xù)施焊直至完成,若確需終止焊接,應(yīng)立即進(jìn)行后熱處理。
(9)施焊時(shí)同一條焊縫的多名焊工應(yīng)該盡量保持相同焊接規(guī)范,特別是焊接電流和焊接速度的一致。
(10)預(yù)熱應(yīng)符合下列規(guī)定∶
用履帶式加溫片對(duì)母材按照規(guī)范要求進(jìn)行均勻預(yù)熱(預(yù)熱溫度100℃),預(yù)熱區(qū)的寬度應(yīng)為焊縫中心線兩側(cè)各3倍板厚。保證層間溫度不低于預(yù)熱溫度,整個(gè)過(guò)程中保溫焊接(用點(diǎn)溫計(jì)進(jìn)行溫度測(cè)量,點(diǎn)溫計(jì)與工件距離為100mm,在距焊縫中心線各50mm處對(duì)稱測(cè)量,每條焊縫測(cè)量點(diǎn)間距≤1000mm,且不應(yīng)少于3對(duì))。焊接岔管吊耳,內(nèi)支撐時(shí)預(yù)熱溫度與相應(yīng)管殼預(yù)熱溫度相同。
(11)焊接層間溫度不低于預(yù)熱溫度,且不高于180℃。
(12)后熱處理應(yīng)該在焊后立即進(jìn)行,保溫時(shí)間不低于2h。
(13)焊接時(shí)嚴(yán)格按照焊接試驗(yàn)確定的最佳熱輸入范圍控制焊接線能量。
(14)主縫焊至一定厚度后,在保持溫度(不低于預(yù)熱溫度)的情況下應(yīng)用碳弧氣刨進(jìn)行背縫清根,并將定位焊縫全部清除。氣刨后用砂輪機(jī)將背縫滲碳層用砂輪磨掉,磨削層厚不小于0.8mm。
所有焊縫外觀質(zhì)量應(yīng)按照DL/T5017-2007規(guī)范和設(shè)計(jì)文件規(guī)定進(jìn)行100%外觀檢查。在焊縫內(nèi)部質(zhì)量合格后,修磨過(guò)流面焊縫表面,使余高≤2mm且與母材圓滑過(guò)渡。
鑒于B780CF的特殊性和各種無(wú)損檢測(cè)方法的適用性,岔管管壁所有焊縫按GB11345進(jìn)行100%UT和50%TOFD標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定檢驗(yàn),檢驗(yàn)等級(jí)為B級(jí),I級(jí)為合格。所有焊縫表面質(zhì)量做100%PT或者M(jìn)T,質(zhì)量評(píng)定參照J(rèn)B/T4730-2005標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。
焊縫無(wú)損檢測(cè)應(yīng)至少在焊接完成48h以后進(jìn)行。
焊縫內(nèi)部或者表面有不允許的缺陷時(shí),應(yīng)進(jìn)行分析找出原因,制定合適的措施后方可焊補(bǔ)。鑒于岔管在壓力鋼管中重要性和焊接工藝本身的特殊性,對(duì)于焊縫內(nèi)部存在的圓形缺陷(如氣孔點(diǎn)狀?yuàn)A渣等),盡管按照標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定為超標(biāo)缺陷,但應(yīng)該綜合考慮缺陷位置,危害程度以及返修后是否會(huì)提高接頭綜合質(zhì)量等因素,慎重制定處理方案。
內(nèi)部缺陷采用碳弧氣刨清除,并用砂輪機(jī)修磨成便于焊接的凹槽,焊補(bǔ)前采用滲透探傷檢查,確認(rèn)缺陷已經(jīng)完全清除,方可焊補(bǔ)。
焊補(bǔ)前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱,預(yù)熱溫度應(yīng)比焊接前預(yù)熱溫度高出20~30℃。焊補(bǔ)后按照原技術(shù)要求立即進(jìn)行后熱消氫處理。
同一部位原則上只允許返修一次,返修前應(yīng)制定可靠的技術(shù)保證措施。返修后的焊縫用TOFD復(fù)查。
岔管表面不得有電弧擦傷和硬物擊痕。否則應(yīng)打磨成凹槽。若打磨后的凹槽深度超過(guò)2mm則需補(bǔ)焊并作滲透探傷檢查。
由于焊接殘余應(yīng)力的存在經(jīng)常會(huì)使焊接結(jié)構(gòu)服役性能的下降,因而在一般情況下,必須調(diào)整與消除焊接殘余應(yīng)力。從焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生過(guò)程來(lái)看,焊接過(guò)程中近焊縫區(qū)形成的壓縮塑性變形是殘余應(yīng)力形成的根源。因此,調(diào)整與消除焊接殘余應(yīng)力的實(shí)質(zhì)就是使焊接區(qū)產(chǎn)生適量的塑形伸長(zhǎng)。可從焊前,焊接過(guò)程中,焊后三方面著手。
保證構(gòu)件下料,坡口加工和卷板等尺寸精度,避免強(qiáng)制組裝和坡口產(chǎn)生較大間隙。
采用型狀對(duì)稱的X形坡口和雙J形坡口對(duì)局部間隙過(guò)大的位置,焊前統(tǒng)一進(jìn)行堆焊打磨處理,確保破口尺寸在單條焊縫上基本一致。
采用多層窄道分段退步對(duì)稱焊接,包括對(duì)稱位置上多名焊工的焊接規(guī)范基本一致。
除打底和蓋面層焊道外,采用風(fēng)鏟在熱狀態(tài)下對(duì)焊道表面中間位置進(jìn)行錘擊。
采用合理的焊接順序和焊接方向,盡量使焊縫能夠自由伸縮。
加大焊縫兩側(cè)的預(yù)熱面積并適當(dāng)預(yù)熱溫度。
焊后調(diào)整與消除殘余應(yīng)力的方法很多,但較為有效的引用于水電站壓力鋼管岔管的主要有∶
(1)通過(guò)表面加工調(diào)整殘余應(yīng)力
焊后對(duì)管內(nèi)焊縫表面余高采用砂輪機(jī)進(jìn)行機(jī)械磨削,減少余高并使之與兩側(cè)母材圓滑過(guò)渡,不但可以降低表面應(yīng)力峰值,還能夠大大降低應(yīng)力集中系數(shù),提高接頭的疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕能力。該方法施工簡(jiǎn)單成本低廉。
(2)過(guò)載拉伸處理
通過(guò)水壓試驗(yàn)對(duì)岔管進(jìn)行拉伸過(guò)載處理,能夠確保岔管在工作壓力下其全部區(qū)域均在彈性狀態(tài)下,且低于Rel;可以降低岔管因管壁的不圓、角變形以及錯(cuò)邊等引起的附加應(yīng)力;有效提高岔管在低溫工況下的抗脆斷能力;提高寒風(fēng)中殘存缺陷發(fā)生疲勞和應(yīng)力腐蝕的門檻應(yīng)力值;不會(huì)對(duì)岔管產(chǎn)生明顯的性能損傷。但缺點(diǎn)是對(duì)岔管的縱縫的縱向殘余應(yīng)力和對(duì)環(huán)縫的橫向殘余應(yīng)力效果較差,也不能改善由形變或者相變引起的塑形下降或脆性提高的現(xiàn)象。
在高HD值壓力鋼管岔管中使用B780CF,能夠節(jié)省鋼材,簡(jiǎn)化施工工藝,降低工程造價(jià)。工程技術(shù)準(zhǔn)備階段,認(rèn)真進(jìn)行焊接試驗(yàn),結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn),制定最優(yōu)化的焊接施工方案,在施工時(shí)嚴(yán)格實(shí)施,是確保工程質(zhì)量的前提。
呼和浩特抽水蓄能電站高強(qiáng)鋼岔管的水壓試驗(yàn)已經(jīng)順利的完成,對(duì)鋼岔管的焊接工藝及焊接質(zhì)量的可靠性、科學(xué)性進(jìn)行了很好的檢驗(yàn),可以對(duì)后續(xù)的Rm≥790MPa高強(qiáng)鋼岔管制作中提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。
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1672-5387(2014)02-0037-05
2013-11-16
李 黎(1985-),男,助理工程師,從事水電站金屬結(jié)構(gòu)制造、安裝技術(shù)工作。