超大型高強鋼岔管免做水壓試驗實踐與探索

高從闖，胡旺興，倪海梅，陳忠賓

(1.江蘇國信溧陽抽水蓄能發電有限公司，江蘇溧陽213334；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014)

0 引 言

溧陽抽水蓄能電站輸水系統采用一洞三機布置方式，共有4個鋼岔管，其中2號和4號鋼岔管主管直徑5.7 m，支管直徑4 m，鋼板最大厚度46 mm(材質為800 MPa級高強鋼)，外形尺寸8 400 mm×6 980 mm×6 003 mm，整體尺寸居國內抽水蓄能電站鋼岔管前列，采用洞外組裝焊接、洞外水壓試驗、整體運輸進洞的安裝方式；1號和3號鋼岔管主管直徑7 m，支管直徑5.7 m，鋼板最大厚度60 mm(材質為800 MPa級高強鋼)，外形尺寸12 170 mm×8 050 mm×13 334 mm，單個岔管本體總質量達197.2 t，水壓試驗時鋼岔管總質量約1 200 t，是目前國內抽水蓄能電站主管直徑最大、單個質量最重的鋼岔管，采用瓦片運輸進洞、洞內組裝焊接安裝方式，3號鋼岔管在洞內進行水壓試驗。在總結2、3、4號鋼岔管施工經驗的基礎上，對1號鋼岔管免做水壓試驗開展了有益的實踐和探索。

1 鋼岔管免做水壓試驗設想的提出

綜合考慮以下因素，提出1號鋼岔管免做水壓試驗的設想：

(1)溧陽電站工程地下圍巖結構差(多為Ⅳ、Ⅴ類圍巖)、巖脈分布廣，地下洞室難以大面積開挖，800 MPa級超大型鋼岔管洞內水壓試驗面臨眾多難題。主要有圍巖承載力不夠；水壓試驗用主管大悶頭僅有一套，單件重約44 t，運輸吊裝困難，重復使用難度高；洞內空間狹小，水壓試驗設施布置困難，充排水安全風險大等[1]。另外，開展水壓試驗對工期及工程投資影響較大。

表1 鋼材化學成分 %

(2)從規范來看，是否要做水壓試驗，尚不能做硬性規定，當確實有一定困難時，應采取嚴格的過程質量控制措施，經各方論證后確定是否可以免做水壓試驗[2-3]。

(3)溧陽電站2、3、4號鋼岔管均做了水壓試驗，通過數據分析，鋼岔管施工質量符合設計及規范要求，焊接過程控制措施得到了多次檢驗[4-5]；且1號鋼岔管與3號鋼岔管體形參數完全一樣。

(4)通過調研國外供應商，認為只要在材料、焊接、焊后檢查等方面嚴格把關，施工過程中從焊接工藝、焊接方法、焊接環境、檢查標準等方面嚴格控制，可不做水壓試驗。

2 鋼岔管免做水壓試驗論證與實踐

2.1 鋼岔管母材及焊材選擇

溧陽電站鋼岔管用800 MPa鋼由日本新日鐵住友株式會社供貨，月牙肋板采用牌號為SUMITEN780Z鋼板，本體采用牌號為SUMITEN780鋼板，鋼材化學成分見表1，力學性能見表2。SUMITEN780和SUMITEN780Z鋼是一種微合金化鋼，屬于低焊接裂紋敏感性鋼，焊接性能較好，SUMITEN鋼在國內水電工程已經積累了一定的焊接經驗。鋼岔管焊接采用LB-116焊條，該焊條主要合金元素Ni、Cr、Mo的含量高，有利于細化晶粒、提高焊縫金屬的強度而不降低其韌性。

表2 鋼材力學性能

2.2 召開免做水壓試驗可行性咨詢會

在1號鋼岔管安裝前，公司組織召開免做水壓試驗可行性咨詢會，專家組由業內知名專家組成，經過詳細考察論證，提出了咨詢意見。意見認為：溧陽鋼岔管選材慎重、合理，SUMITEN780鋼和SUMITEN780Z鋼綜合力學性能和焊接性能較好，在總結2、3、4號鋼岔管焊接經驗的基礎上，按照專家組提出的意見和建議，加強現場焊接工藝監督和質量控制，1號鋼岔管不進行水壓試驗可行。

2.3 安裝過程質量管控

2.3.1 預組裝及洞內拼裝工藝

鋼岔管出廠前進行嚴格的預組裝驗收，預組裝驗收數據優于規范要求。在進行洞內拼裝前，組織制定作業指導書，從拼裝場地的選擇、定位劃線、專用弧形支撐臺架制作、瓦片拼裝次序、專用拼裝工具的選擇等方面做了明確要求。在拼裝過程中大量采用四新技術[5]，如利用紅外線激光劃線器進行定位和測量，利用便攜式三維立體自動切割機進行切割，利用自動圓弧切割機開坡口等。1號鋼岔管洞內拼裝歷時兩個半月，經過聯合檢查，1號鋼岔管拼裝精度遠優于規范要求，如管口圓度允許偏差±20.0 mm，實測值僅為±5.0 mm；坡口間隙允許偏差0～5 mm，實測值僅為0～0.5 mm。這為焊接創造了良好條件，有利于降低焊接殘余應力。

2.3.2 焊接人員管理

現場焊接人員均具有600 MPa高強鋼焊接經驗，經過了800 MPa高強鋼焊接理論和實踐培訓。在此基礎上，通過試板考試，層層選拔，得到現場焊接督導認可后方可參加鋼岔管的焊接工作。層層選拔的焊工對800 MPa高強鋼焊接有了充分認識，技能及責任心均滿足施工要求。根據每個焊工最擅長的焊接姿勢和技能分配焊接部位，現場配備專門探傷打磨人員，減小焊工的勞動強度。在獎懲制度上，向焊接一次探傷合格率高的焊工傾斜。

2.3.3 鋼岔管焊接工藝

(1)焊接工藝評定。800 MPa高強鋼焊接工藝評定由鋼岔管瓦片生產廠家進行，并提供試驗報告及焊接工藝指導書。800 MPa與600 MPa高強鋼異種鋼焊接工藝評定及組合焊縫焊接工藝評定，在現場環境和條件下進行，由參與鋼岔管焊接的焊工操作；現場開展了生產性試焊工作，采用立、橫、平、仰4種工位，以上試樣檢測結果全部合格。

(2)焊接工藝順序。鋼岔管焊接通常在洞外將月牙肋與岔管本體部分焊接，通過調整月牙肋兩側管殼的劃分，使月牙肋與兩側管殼之間的兩條“T”形焊縫在洞外施工、洞外檢測，減少洞內焊接工程量。溧陽電站鋼岔管體形超大，無法采用此種工藝，必須在洞內進行整體拼裝后再焊接，公司會同參建各方進行了相關研究，制定了符合現場實際的焊接工藝順序，焊接工藝順序如圖1所示。

圖1 1、3號鋼岔管焊接工藝順序

鋼岔管縱縫焊接順序為，B1縱縫、C1縱縫→B2縱縫、C2縱縫→A3縱縫→A2縱縫→B3縱縫、C3縱縫→A1縱縫；鋼岔管月牙肋、環縫焊接順序為B1+B2環縫、C1+C2環縫→A3+B1+C1焊縫進行定位焊接→月牙肋焊接(B1+B2、C1+C2)→A3+B1+C1環縫→A2+A3環縫、B2+B3環縫、C2+C3環縫→A1+A2環縫。采取先縱縫、后環縫、對稱焊接的方法，在月牙肋焊接前對A3+B1+C1焊縫進行定位焊接，既保證各部位相對位移在允許范圍內，又給予月牙肋充分的變形空間，減小了焊接殘余應力。

2.3.4 洞內焊接環境改善

針對地下洞室滲漏水多、濕度高的情況，采取如下措施改善焊接環境：

(1)在距鋼岔管安裝部位近處低洼地帶設置集水坑，將山體滲水引至坑內再用水泵抽出至洞外。

(2)針對距離鋼岔管焊接部位較近的洞壁滲水問題，采用卷成弧形的鐵皮或鋼管導流至集水坑后排出。

(3)在鋼岔管部位懸掛溫濕度計，實時測量溫濕度，當濕度大于規范要求時，對焊接部位進行臨時封閉，采用除濕機進行除濕。

(4)由于施工初期地下洞室通風條件差、煙塵大，在焊接時采用排氣扇間隔40m接力向外排煙。

2.3.5 焊接材料管理

現場焊條管理具體措施如下[6]：

(1)焊條烘烤。安排專人負責焊條烘烤，填寫烘烤及保溫記錄表，包括質量、尺寸、型號、批號、烘烤時間及保溫時間等；現場懸掛溫濕度計，實時監測焊接現場溫濕度，與水蒸氣分壓表進行比對，動態調整焊條的烘烤時間和最低預熱溫度。

(2)焊條領用。焊條由專人負責發放，領用人填寫領用單，經現場施工負責人簽字確認后方可領取；按照少量多次的原則，一般每次領取40根焊條，每名焊工領取焊條的時間及根數都實時記錄；領用出的焊條必須存放至保溫桶，并保證保溫桶處于保溫狀態；現場焊接必須經過技術督導確認，同意后方能進行正式焊接，防止焊條誤用；焊工需再次領用焊條時，需返還相應數量的焊條頭。

(3)焊條回收。未使用完的焊條分類收集并登記，當天下班時統一送回倉庫存放。

2.3.6 預熱管理

鋼岔管焊前預熱對保證焊接質量尤為重要，為了保證預熱效果，專門成立預熱班組，按照焊接工藝規程要求，分晝夜兩班不間斷進行預熱。采用集中溫控設備進行預熱，溫度控制點12個，最大輸出功率480 kW，可以同時滿足多個部位的焊接加熱需要。每天開始焊接前，現場質量負責人對當天焊接焊縫的預熱溫度進行確認，滿足要求后才可以焊接。

2.3.7 焊接線能量控制

在焊接過程中，安排專人對焊接線能量進行檢測、記錄，嚴格控制上限不超過40 kJ/cm，記錄人員發現線能量接近高限時及時發出預警，通知焊工調整焊接電流、電壓及焊接速度。

2.3.8 無損檢測

1號鋼岔管焊接于2015年3月完成，焊縫外觀質量良好。在參建各方見證下，安裝單位對1號鋼岔管焊縫進行自檢，采用UT及TOFD探傷，探傷比例為100%，合格率100%。委托水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心進行第三方檢測，探傷比例為100%，對縱縫和環縫進行了UT和TOFD檢測，月牙肋連接焊縫進行了UT和MT檢測，合格率100%。

2.4 召開免做水壓試驗專家評審會

1號鋼岔管焊接及無損檢測完成后，公司組織召開1號鋼岔管施工質量評價暨免做水壓試驗專題評審會。專家組通過聽取匯報、考察現場、查閱資料等方式，經認真的研究和討論，提出了評審意見。評審意見認為：已經完成的2、3、4號鋼岔管水壓試驗驗證了鋼岔管設計、制造與焊接質量符合合同和規范要求；在1號鋼岔管施工過程中，業主公司、監理單位、施工單位按照專家咨詢意見進一步優化了焊接工藝，加強了過程控制，使得1號鋼岔管的焊接質量處于受控狀態，建議1號鋼岔管免做水壓試驗。

2.5 充排水試驗及放空檢查

2016年5月～8月電站1號引水系統進行充排水試驗，充排水過程中對1號鋼岔管進行了安全監測，1號鋼岔管的應力、應變、滲壓等總體符合設計要求。經放空檢查，1號鋼岔管各部位防銹漆膜完好，未發現管壁有變形鼓包現象，利用PT、MT探傷和10倍放大鏡對月牙肋組合焊縫、縱縫和環縫進行了抽檢，檢測結果均合格。

2.6 召開1號鋼岔管安全性評價會

在1號鋼岔管充排水試驗完成后，公司邀請業內知名專家對1號鋼岔管進行安全性評價。評價意見如下：1號鋼岔設計符合國家和相關行業規程規范的規定，鋼岔管結構優化及其變更經過審查審批；鋼岔管制造、安裝質量符合合同和設計及規范要求，放空后對焊縫表面質量進行宏觀檢查和PT、MT探傷抽檢，未發現裂紋等缺陷；安全監測基本符合設計要求。監測成果表明，1號鋼岔管工作性態正常。溧陽電站1號鋼岔管具備安全運行條件。

3 1號鋼岔管運行情況

1號鋼岔管投運已有兩年多時間，經歷了上水庫最高水位的考驗。通過監測，截至目前，1號鋼岔管鋼襯最大拉應力測值為147.2 MPa，最大壓應力測值為276.7 MPa；1號鋼岔管月牙肋部位最大拉應力測值為119.43 MPa，最大壓應力測值為176.38 MPa，應力遠小于鋼材屈服強度，1號鋼岔管運行狀態正常。另外，3號鋼岔管在三機甩負荷試驗中經受了最高壓力的考驗，試驗結束后對水道進行排空檢查，3號鋼岔管狀態正常，再次驗證了施工過程管控措施的有效性和安全性。

4 超大型高強鋼岔管免做水壓試驗的基本條件

通過1號鋼岔管免做水壓試驗的實踐，初步提出超大型高強鋼岔管免做水壓試驗的基本條件：

(1)開展免做水壓試驗可行性研究。

(2)鋼岔管施工組織設計需要通過專家會評審。

(3)應優選鋼板及焊材。

(4)焊接工藝評定范圍做到全覆蓋；現場開展生產性試焊工作，包含立、橫、平、仰各種工位；試樣結果全部合格。

(5)鋼岔管瓦片在出廠前應進行整體預組裝，組裝精度優于規范要求。

(6)嚴格控制鋼岔管瓦片現場拼裝精度，各項指標優于規范要求，其中焊縫坡口間隙≤2 mm。

(7)焊接過程應有監理、建設方人員旁站，嚴格控制焊接參數，做好焊接過程記錄，確保可追溯性。

(8)焊后對所有焊縫進行UT及TOFD探傷，無損檢測一次合格率不低于99.5%，需要返修的缺陷不得有裂紋、連續未融合，不得出現二次返修。

(9)選擇有資質、經驗豐富的第三方檢測單位開展焊縫無損檢測，檢測比例100%，合格率100%，提供檢測報告。

(10)通過提高拼裝精度、焊接工藝控制、靜置、開展充排水試驗等方法有效降低焊接殘余應力。

(11)鋼岔管施工質量總體優良，提供有關資料(包含完整的施工記錄)經專家評審決定是否免做水壓試驗。

5 結 語

溧陽抽水蓄能電站1號鋼岔管經過嚴密的論證和嚴格的施工管控免做水壓試驗，節省工程投資約450萬元，節約工期約4個月，免做水壓試驗對保證現場安全施工有很大的促進作用，經濟效益和社會效益顯著。作為首個免做水壓試驗的超大型高強鋼岔管，填補了抽水蓄能行業空白，在此基礎上提出了超大型高強鋼岔管免做水壓試驗基本條件。今后將加強對鋼岔管運行情況的監測，進一步積累和分析運行數據，不斷補充完善免做水壓試驗基本條件，為后續工程建設提供實踐依據。