抽水蓄能電站壓力鋼管600MPa級(jí)鋼板單面焊焊接工藝研究

趙 強(qiáng)， 馬信武， 李 寧 ，車 銘 ，曹佳麗

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161；2.吉林敦化抽水蓄能有限責(zé)任公司，吉林省敦化市 133700）

0 引言

現(xiàn)階段抽水蓄能電站壓力鋼管現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)焊縫均采用雙面焊接，即開X型坡口，管道外側(cè)焊接完成后在背面清根焊接，清根過程中可以清除易產(chǎn)生缺陷的根部，保證根部焊接質(zhì)量，之后在管道內(nèi)部進(jìn)行填充焊和蓋面焊[1-3]。雙面的特點(diǎn)是對(duì)焊工要求相對(duì)偏低，但需在管道外側(cè)留出焊接施工的空間[4-5]。

電站投入運(yùn)營后由于壓力鋼管激振、回填混凝土施工不當(dāng)?shù)仍驎?huì)出現(xiàn)壓力鋼管鼓包修復(fù)等問題，需進(jìn)行焊接修補(bǔ)[6]。由于管壁外側(cè)的混凝土已經(jīng)澆筑完成，焊接修補(bǔ)時(shí)只能在管道的內(nèi)側(cè)開坡口，在管道內(nèi)側(cè)單面焊接成型。出于運(yùn)行期管道修復(fù)及探索施工期單面焊應(yīng)用的目的，開展單面焊的研究工作。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范和設(shè)計(jì)中的要求，實(shí)施單面焊將按照相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定工作，為指導(dǎo)實(shí)際施工提供準(zhǔn)確、科學(xué)的依據(jù)。

1 單面焊雙面成型打底焊道試驗(yàn)

單面焊雙面成型焊接技術(shù)，是在焊件坡口的背面沒有任何保護(hù)措施的條件下，只在坡口的正面進(jìn)行施焊，而保證焊接后坡口的正面和反面都能得到均勻美觀、成型良好而且表面和內(nèi)在的質(zhì)量均符合要求的焊縫[7]。單面焊雙面成型焊接時(shí)，第一層的打底層焊縫焊接是操作的關(guān)鍵。

單面焊雙面成型對(duì)焊工的要求非常高，形成熔孔是使得接頭熔透的關(guān)鍵，因?yàn)楹附訒r(shí)液態(tài)金屬是通過熔孔輸送到焊縫背面，使背面成型。同時(shí)，焊條藥皮熔化時(shí)所形成的熔渣和氣體也能通過熔孔對(duì)焊縫背面進(jìn)行保護(hù)。如果不出現(xiàn)熔孔或者熔孔過小，則可能產(chǎn)生根部未熔合或未焊透、背面成型不良等缺陷；若熔孔過大，則會(huì)使得背面焊道余高過高或產(chǎn)生焊瘤。所以，背面焊縫的質(zhì)量是由熔孔的尺寸大小、形狀及其移動(dòng)的均勻程度所決定的。要控制熔孔的形狀和尺寸，必須嚴(yán)格控制根部間隙、焊條直徑、焊接電流、焊條角度、運(yùn)條方法與焊接速度等。

從某種意義上講，單面焊研究實(shí)質(zhì)上就是試驗(yàn)研究打底焊道。利用厚度為40mm的600MPa級(jí)鋼板開展試驗(yàn)，牌號(hào)為AY610D，鋼板材料化學(xué)成分見表1。采用同強(qiáng)度匹配的焊條進(jìn)行填充焊，主要包括下列試驗(yàn)內(nèi)容：焊接坡口及預(yù)熱溫度確定；打底焊道成型試驗(yàn)；對(duì)口間隙范圍試驗(yàn)；坡口錯(cuò)邊打底焊接試驗(yàn)；焊接熱輸入試驗(yàn)等。

表1 材料的化學(xué)成分Table 1 The chemical constitution of the material

1.1 坡口形式和預(yù)熱溫度的確定

采用60°單V型坡口，試板尺寸及坡口型式見圖1。預(yù)熱溫度參考其他焊接試驗(yàn)結(jié)果以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定為不低于60℃。

1.2 打底焊道成型試驗(yàn)

圖1 試板尺寸及坡口型式Figure 1 The size of test panel and groove type

為了掌握無墊板單面焊雙面成型技術(shù)，首先用強(qiáng)度等級(jí)較低Q345C試板和J507焊條進(jìn)行練習(xí)，基本達(dá)到熟練掌握手法要求后，再用600MPa級(jí)試板和J607RH焊條練習(xí)確認(rèn)焊接材料和鋼板的匹配性以及工藝性。焊接位置根據(jù)工地壓力鋼管安裝的實(shí)際需要，采用平、立、仰3個(gè)位置。

選用熟練焊工，經(jīng)過一個(gè)多月的練習(xí)，基本上達(dá)到了單面焊雙面成型的標(biāo)準(zhǔn)要求。其中，平焊和立焊試驗(yàn)焊縫的外觀可以完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，仰焊由于重力原因，存在輕微的未焊滿，達(dá)不到嚴(yán)格意義上的標(biāo)準(zhǔn)要求，但基本上可以滿足工程需要。

試驗(yàn)結(jié)果表明，J607RH焊條能滿足等強(qiáng)度試驗(yàn)鋼板打底焊接的要求，經(jīng)過探索性試驗(yàn)，得到適用的焊接參數(shù)，見表2。

表2 打底成型工藝參數(shù)Table 2 The technological parameters of backing welding

1.3 坡口間隙范圍試驗(yàn)

由于單面焊時(shí)根部既要保證焊透還要保證不被燒穿，此外，必須要有適當(dāng)?shù)母块g隙，才能保證焊條送到根部，確保電弧透過背部一部分，熔透根部。但在焊接工藝評(píng)定以及壓力鋼管安裝過程中，在對(duì)口過程中難免引起根部間隙在整個(gè)鋼管的圓周范圍內(nèi)不一致，因此，有必要針對(duì)對(duì)口間隙的偏差開展試驗(yàn)。坡口間隙焊接試驗(yàn)各種參數(shù)見表3。

表3 坡口間隙焊接試驗(yàn)參數(shù)Table 3 The technological parameters of weld test for groove gap

焊接完成后進(jìn)行外觀質(zhì)量檢測(cè)，外觀質(zhì)量檢測(cè)合格后，進(jìn)行了磁粉檢測(cè)，合格標(biāo)準(zhǔn)為NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第4部分：磁粉檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級(jí)，根據(jù)系列坡口間隙打底焊道成型試驗(yàn)結(jié)果，包括焊工體驗(yàn)，確定標(biāo)準(zhǔn)坡口間隙，用于焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，平焊位置坡口間隙3～4mm有利于保證根部成型，立焊位置坡口間隙3.5～4.5mm有利于保證根部成型，仰焊位置坡口間隙5.0～5.5mm有利于保證根部成型。具體情況根據(jù)焊工的水平及習(xí)慣，會(huì)有細(xì)微的差異。

1.4 坡口錯(cuò)邊打底焊接試驗(yàn)

在壓力鋼管安裝過程中，在對(duì)口過程中很難保證不錯(cuò)邊，整個(gè)鋼管的圓周范圍內(nèi)的錯(cuò)邊量也不一致，因此，有必要針對(duì)錯(cuò)邊量的偏差開展試驗(yàn)。由于GB 50766—2012《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗(yàn)收規(guī)范》允許坡口最大錯(cuò)邊量為1mm，試驗(yàn)坡口錯(cuò)邊量也采用1mm。

采用J607RH焊條進(jìn)行錯(cuò)邊量試驗(yàn)。試板長度400mm，單V型60°坡口。焊接完成后進(jìn)行外觀質(zhì)量檢測(cè)，外觀質(zhì)量需符合GB 50766—2012《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗(yàn)收規(guī)范》中表5.4.1的規(guī)定。外觀質(zhì)量檢測(cè)合格后，進(jìn)行了磁粉檢測(cè)，合格標(biāo)準(zhǔn)為NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第4部分：磁粉檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級(jí)，焊接規(guī)范參數(shù)見表4。

表4 坡口錯(cuò)邊焊接試驗(yàn)規(guī)范參數(shù)Table 4 The technological parameters of weld test for groove misalignment

坡口錯(cuò)邊試驗(yàn)結(jié)果表明，選用合適的坡口間隙（平、立、仰分別選用3mm、4mm、5mm），在錯(cuò)邊1mm的情況下，焊縫外觀滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.5 焊接熱輸入試驗(yàn)

根據(jù)對(duì)口間隙和坡口錯(cuò)邊的試驗(yàn)結(jié)果，確定試板間隙為4mm，單V型60°坡口，焊接位置為立向上焊，選定3種焊接熱輸入進(jìn)行打底焊成型試驗(yàn)。試板的焊接熱輸入定為15J/cm、30J/cm、40J/cm。焊接完成后，經(jīng)外觀檢查和無損檢測(cè)合格后取樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。試樣的取樣及試驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)同焊接工藝評(píng)定一致，力學(xué)性能試驗(yàn)見表5～表8，試驗(yàn)結(jié)果均合格。需要說明的是，為了更好地驗(yàn)證單面焊焊接接頭背面的性能，本試驗(yàn)采用的面彎和根彎試驗(yàn)，而不是雙面焊采用的側(cè)彎試驗(yàn)。

表5 焊接熱輸入試板拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 5 The tensile test results of welding input experiment

表6 焊接熱輸入試板沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 6 The impact test results of welding input experiment

表7 焊接熱輸入試板彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 7 The bending test results of welding input experiment

焊接熱輸入試驗(yàn)結(jié)果表明，AY610D對(duì)熱輸入的適應(yīng)范圍較寬，在工程施工常用的15～40kJ/cm的熱輸入范圍內(nèi)均能得到合格的焊接接頭。

2 單面焊焊接工藝評(píng)定

根據(jù)單面焊雙面成型工藝試驗(yàn)結(jié)果，按照GB 50766—2012《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗(yàn)收規(guī)范》中5.3條的規(guī)定進(jìn)行無墊板單面焊焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，焊接工藝評(píng)定參數(shù)見表9。焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)選用立焊和仰焊兩個(gè)位置，焊接試板除仰焊位置存在輕微未焊滿缺陷以外，其余試板焊縫外觀均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。焊接試板經(jīng)磁粉探傷和超聲波探傷，除個(gè)別超標(biāo)缺陷外，基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。力學(xué)試驗(yàn)的項(xiàng)目有拉伸、面彎和根彎、沖擊、硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表9～表12。

選用立焊和仰焊兩個(gè)位置進(jìn)行工藝評(píng)定試驗(yàn)，AY610D鋼立焊和仰焊試板焊接接頭的外觀、內(nèi)部質(zhì)量、力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，受重力作用，仰焊接頭的背面焊縫不飽滿。

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，在電站引水系統(tǒng)壓力鋼管材料為600MPa級(jí)及以下強(qiáng)度的壓力鋼管采用單面焊是可行的，壓力鋼管單面焊對(duì)焊工水平要求較高，在仰焊位置可能出現(xiàn)焊接接頭外觀質(zhì)量不符合要求的現(xiàn)象。

表8 熱輸入試板硬度測(cè)試結(jié)果（HV10）Table 8 The hardness test results of welding input experiment（HV10）

表9 焊接工藝評(píng)定參數(shù)Table 9 The technological parameters of welding procedure qualification

表10 焊接工藝評(píng)定試板拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 10 The technological parameters of welding procedure qualification

表11 焊接工藝評(píng)定試板沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 11 The impact test results of welding procedure qualification

表12 焊接工藝評(píng)定試板彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 12 The bending test results of welding procedure qualification

表13 工藝評(píng)定試板硬度測(cè)試結(jié)果（HV10）Table 13 The hardness test results of welding procedure qualification （HV10）

4 其他

從焊接角度來講，抽水蓄能電站壓力鋼管600MPa級(jí)及以下鋼板是可行的，但是單面焊開單V型坡口，焊接殘余應(yīng)力分布往往不利于結(jié)構(gòu)受力，對(duì)于中厚板來說這種現(xiàn)象可能更明顯，一般只在特殊情況下采用。比如隧洞局部欠挖或者焊接修補(bǔ)，焊接過程中應(yīng)控制對(duì)口間隙、錯(cuò)變量以及熱輸入量等參數(shù)。

在壓力鋼管安裝施工時(shí)，目前采用的雙面焊接的一個(gè)特點(diǎn)是洞室開挖時(shí)除了在管道外側(cè)考慮回填混凝土的施工空間，還需留出焊接施工空間，一般至少需要空間600～800mm。如果采用單面焊，最大的優(yōu)點(diǎn)是由于在管道內(nèi)側(cè)焊接，避免了在管道外側(cè)進(jìn)行焊接，除了必須的混凝土施工的空間，焊工的操作工空間可以適當(dāng)減少，洞室的開挖量和回填混凝土量減少，采用單面焊也可以避免雙面焊時(shí)的背部清根，減少了一定的工作量。但是單面焊雙面成型時(shí)焊接接頭根部成型時(shí)無氣體保護(hù)，且由于單面焊對(duì)對(duì)口間隙、錯(cuò)變量的裝配參數(shù)要求很高，保證焊接接頭的質(zhì)量的難度較大，可能會(huì)出現(xiàn)返修頻率高的現(xiàn)象。此外，采用單面焊的焊材填充量也比雙面焊的大，對(duì)鋼管卷制、裝配時(shí)的對(duì)口等工序要求較高，對(duì)焊工的技能要求高。另外，從無損檢測(cè)角度來看，現(xiàn)行規(guī)范GB 50766—2012《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗(yàn)收規(guī)范》是針對(duì)目前雙面焊技術(shù)的，如果采用單面焊，由于沒有背部清根的工序，保證根部的焊接質(zhì)量的難度大，因此無論根部的超聲檢測(cè)還是表面的外觀檢測(cè)均容易出現(xiàn)不合格的現(xiàn)象。如果推廣單面焊在壓力鋼管安裝施工時(shí)的應(yīng)用，需要對(duì)單面焊和雙面焊進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面的論證。