國產800 MPa級高強鋼壓力鋼管焊接工藝研究

陳 博，陳招明

(中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧沈陽110000)

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國產800 MPa級高強鋼壓力鋼管焊接工藝研究

陳 博，陳招明

(中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧沈陽110000)

洪屏抽水蓄能電站壓力鋼管采用國內鋼廠生產的WSD690E高強鋼板，這種鋼材的合金化體系比較復雜，且本工程壓力鋼管壁厚較大，有許多焊接方面的技術問題亟待解決。編制了詳細的焊接工藝，并通過試驗驗證了焊接工藝的適宜性。介紹了800 MPa級高強鋼壓力鋼管焊接工藝控制，分析了焊接橫向裂紋的產生機理，并提出了解決方案和處理措施。

800 MPa級高強鋼；焊接工藝；橫向裂紋；洪屏抽水蓄能電站

0 引 言

江西洪屏抽水蓄能電站壓力鋼管主要布置在輸水系統。其中，800 MPa級高強鋼壓力鋼管布置在引水下豎井、引水下平洞及引水支管。壓力鋼管管徑4.8～2.1 m，壁厚30～52 mm，總質量2 111.32 t。800 MPa級高強鋼壓力鋼管采用國內舞陽鋼廠生產的牌號為WSD690E高強鋼板，這種鋼材的合金化體系比較復雜，合金元素含量較高，屈服比較大，且為調制狀態供貨。同時，本工程壓力鋼管壁厚較大，國內如此大量使用此種鋼材尚數首例，無應用經驗，有許多焊接方面諸如鋼材的裂紋傾向及預熱溫度、最佳線能量范圍的確定及其控制等技術問題亟待解決。

1 材料性能

WSD690E鋼板的化學成分見表1。力學性能見表2。

2 焊接工藝

通過前期的積極準備，收集相關資料，并與舞陽鋼廠的焊接專家進行探討，編制了詳細的焊接工藝。焊接工藝參數見表3。

為了驗證所編制焊接工藝的適宜性，在正式焊接生產前，組織相關焊工進行了焊接工藝性試驗，

表1 化學成分(熔煉分析) %

表2 力學性能

厚度δ/mm屈服強度Rp0.2/MPa抗拉強度Rm/MPa延伸率A/%夏比“V”形沖擊功(橫向)溫度/℃沖擊能量Akv/J180°冷彎試驗≤40≥670770～940≥14-40≥47d=3a>40≥660750～920≥14-40≥47d=3a

注：d為彎心直徑；a為試樣厚度。

表3 焊接工藝參數

焊接方法焊接位置預熱溫度/℃層間溫度/℃焊條或焊絲直徑/mm焊接電流/A焊接電壓/V焊接線能量/kJ·cm-1手工電弧焊F100℃100～1503.2490～140130～18020～26V100℃100～1503.2480～150110～18020～26H100℃100～1503.2490～130130～18020～26O100℃100～1503.2480～150110～18020～2610～20埋弧自動焊F80℃80～1504450～70026～36≤35

按照JB 4708—2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定》標準進行了焊接工藝評定。采用“X”形坡口對WSD690E高強鋼鋼板對接焊縫及WSD690E與WDB620D高強鋼鋼板對接焊縫進行了試驗，試驗的材料、板厚、坡口形式與工藝涵蓋了實際所有焊縫類型[1]。在環境溫度和濕度非常理想的狀態下，焊接試板焊后經X射線探傷和超聲波探傷檢查合格，評定該焊接工藝符合相關標準，可以指導施工。焊接工藝評定結果見表4。

表4 焊接工藝評定結果

序號材料檢驗項目試驗項目檢驗結果1WSD690Eδ=32mm“X”形坡口SMAW.F.+V.+H+.OSAW.F拉伸彎曲沖擊合格2WSD690Eδ=50mm“X”形坡口SMAW.F.+V.+H+.OSAW.F拉伸彎曲沖擊合格3WSD690E/WDB620δ=32/30mm“X”形坡口SMAW.F.+V.+H+.OSAW.F拉伸彎曲沖擊合格

3 現場焊接的實施

因壓力鋼管的制造廠采用流水線作業方式，為保證焊接質量和生產效率，所有800 MPa級壓力鋼管焊縫均采用埋弧焊進行焊接，定位焊、焊接缺陷返修采用手工焊。

埋弧焊焊絲和焊劑均選用大西洋CHW-S10+CHF101；手工焊焊條采用大西洋CHE807RH[2]。施焊前，焊條和焊劑必須進行烘焙，烘干溫度350 ℃，烘干時間2 h，保溫100 ℃。800 MPa級壓力鋼管瓦片卷制、組對完成后，經檢查合格，在焊縫外側進行定位焊，定位焊預熱溫度120 ℃，比正常焊接高20 ℃[3]。預熱采用履帶式紅外加熱裝置進行加熱。定位焊工藝參數按照焊接工藝評定執行。

正式焊接前，在縱縫兩側焊接引弧板和熄弧板(尺寸不得小于100 mm×100 mm)，并用碳弧氣刨在引弧熄弧板上刨出焊接坡口，焊前預熱溫度為80～120 ℃。焊接時，由內側焊縫開始施焊，采用多層多道焊，每道焊縫厚度不大于4 mm，采用電動風鏟清理層間焊渣，層間溫度控制在80～150 ℃，焊接線能量控制在32 kJ/cm以下[4]。內側焊縫焊接完成后，用碳弧氣刨清根，刨槽前端半徑應在5 mm以上，寬度應稍大于深度，呈“V”形。

4 焊接過程中存在的問題

800 MPa級高強鋼壓力鋼管制作過程中，δ=52 mm鋼管縱縫埋弧焊焊接完成48 h后，經超聲波探傷檢查，在縱縫兩端0～400 mm范圍內發現橫向裂紋，深度為30～35 mm，經多次返修后仍無法消除。橫向裂紋位于焊縫中央，垂直于焊縫，熱影響區與母材未發現橫向裂紋。采用碳弧氣刨清除裂紋焊縫時，裂紋發展延伸，幾乎貫穿焊縫。埋弧焊縱縫橫向裂紋見圖1。橫向裂紋易發生部位見圖2。

圖1 埋弧焊縱縫橫向裂紋

圖2 橫向裂紋易發生部位(單位：mm)

4.1 橫向裂紋成因分析

對橫向裂紋的成因進行了分析和討論認為，橫向裂紋的產生與下列因素有關：

(1)外部環境。因800 MPa級高強鋼壓力鋼管正式生產的時間為12月，正值深冬，白天氣溫5 ℃，夜間氣溫-2 ℃，環境溫度與焊接工藝評定時的環境溫度發生較大變化。

(2)焊接過程中，焊接層間溫度不均，尤其橫向裂紋發生區域焊縫處的層間溫度較高。

4.2 橫向裂紋形成機理

焊接橫向裂紋常起源于淬硬傾向較大的合金鋼焊縫邊界，并延伸至焊縫和熱影響區，尺寸不大但常顯露于表面。厚板多層焊接時，則發生在距焊縫上表面有一小段距離的焊縫內部，其方向大致垂直于焊縫軸線，且往往與氫脆有較大聯系。

(1)氫脆現象。WSD690E鋼板在焊接時，焊縫的合金成分較高，淬硬性高于母材，熱影響區的轉變可能先于焊縫，此時氫就從熱影響區向焊縫擴散，原來焊縫中較高的含氫量也滯留在焊縫中，產生氫脆現象。

(2)淬硬現象。WSD690E鋼板Ceq≤0.57%，淬硬傾向較高。在焊接時，近縫區的加熱溫度很高(達1 350～1 400 ℃)，奧氏體晶粒嚴重拉長，快冷時轉化為粗大馬氏體，性能更為脆硬，且對氫脆更為敏感[5]。

(3)拘束度的影響。WSD690E鋼板在焊接時，焊縫兩端被固定，每道焊縫的焊接完成后，層間溫度過高；冷卻過程中，因冷卻速度不均，焊縫產生的熱應力集中在溫差變化較大區域，且垂直于焊縫軸線方向[6]。

總之，WSD690E鋼板產生焊接橫向裂紋的機理在于鋼種淬硬之后受氫的侵襲和誘發，使之脆化，在拘束力的作用下產生了橫向裂紋。

4.3 橫向裂紋的預防辦法

(1)因冬季施工，環境溫度較低，應適當提高焊前預熱溫度，將預熱溫度從80 ℃提高至100 ℃。

(2)嚴格控制層間溫度，控制在100～120 ℃左右。

(3)冬季施工，適當降低焊接線能量，選用合理的焊接工藝參數。調整后焊接工藝參數見表5。

表5 調整后焊接工藝參數(δ=52 mm)

焊接方法焊接層數焊絲直徑/mm焊接電流/A焊接電壓/V焊接速度/cm·min-1焊接線能量/kJ·cm-1層間溫度/℃埋弧焊內14.0530334523.3103內24.0550334524.2105內34.0550334524.2108內44.0550334524.2113內54.0550334524.2109內64.0550334524.2101內7～164.0550334524.2100～120外14.0530334523.3107外24.0580344526.3105外34.0550334524.2111外44.0550334524.2108外54.0550334524.2109外64.0550334524.2112外7～114.0550334524.2100～120

4.4 橫向裂紋手工焊返修工藝

(1)碳弧氣刨刨除缺陷前，必須進行焊前預熱，預熱溫度比手工焊正式焊接預熱溫度高出20 ℃。

(2)氣刨完成后，采用磁粉探傷，檢查根部裂紋是否清除干凈；裂紋清除干凈后，檢查刨槽尺寸是否滿足規定要求，且必須打磨干凈。

(3)手工焊焊接時，選用合理的焊接方式。經多次不同方式焊接試驗，因立焊的焊接線能量較小，能取得較好的結果，再次發生橫向裂紋的幾率較低，故于工焊采用立焊方式。

(4)焊前必須控制預熱溫度在100 ℃左右；焊接過程中嚴格控制層間溫度在100～120 ℃左右。

5 結 語

WSD690E高強鋼在目前國內水電建設中應用較少，屬新的鋼種。隨著國內越來越多的高水頭電站的興建，尤其是抽水蓄能電站的高速發展，國產800 MPa級高強鋼的應用領域越來越廣，WSD690E高強鋼將會大量應用。本文針對WSD690E高強鋼壓力鋼管焊接工藝的研究，促進了800 MPa級高強鋼鋼板的推廣和應用，可供同類電站借鑒。

[1]JB 4708—2000 鋼制壓力容器焊接工藝評定[S]．

[2]余燕， 吳祖乾. 焊接材料選用手冊[M]. 上海： 上海科學技術文獻出版社， 2005．

[3]陳祝年. 焊接工程師手冊[M]. 北京： 機械工業出版社， 2002．

[4]GB 50766—2012 水利水電工程壓力鋼管制作安裝及驗收規范[S]．

[5]殷樹言， 劉金合， 陳善本， 等. 焊接手冊[M]. 北京： 機械工業出版社， 2008．

[6]張文鉞. 焊接冶金學基本原理[M]. 北京： 機械工業出版社， 2003.

(責任編輯 楊 健)

Study on Welding Technology of Domestic 800 MPa-grade High Strength Steel Penstock

CHEN Bo, CHEN Zhaoming

(Sinohydro Bureau 6 Co., Ltd., Shenyang 110000, Liaoning, China)

The penstock of Hongping Pumped-storage Power Station is manufactured by domestic high-strength steel WSD690E. As complex alloyed system of steel and greater pipe wall thickness of penstock, there are many technical problems to be solved in the welding of steel. A detailed welding technology is prepared and the suitability of welding process is verified by welding tests. Actual welding process control of this 800 MPa-grade high strength steel penstock is introduced. The mechanism of transverse weld cracking is analyzed and the solutions and crack treatments are also proposed．

800 MPa-grade high strength steel; welding technology; transverse crack; Hongping Pumped-storage Power Station

2016- 06- 07

陳博(1984—)，男，陜西西安人，工程師，主要從事水工金屬結構技術管理工作．

TG457.6(256)

A

0559- 9342(2016)08- 0045- 03