水電站低合金高強(qiáng)度鋼壓力鋼管制作及焊接工藝要點(diǎn)

張瑞杰，楊元普

（1.新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊830000；2.中國(guó)水利水電第五工程局有限公司機(jī)電制造安裝分局，四川 成都610200）

1 低合金高強(qiáng)度鋼的性能特點(diǎn)

（1）低合金高強(qiáng)度鋼在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下供貨使用，屬于熱處理強(qiáng)化鋼，具有強(qiáng)度高、韌性好的“自回火”低碳馬氏體和下貝體的混合組織特征。但其合金體系復(fù)雜，且隨著合金元素的增多對(duì)鋼材的塑性和韌性影響與其強(qiáng)化的作用相反。

（2）這類鋼由于淬硬性大，在組織性能不均勻的熱影響區(qū)，粗晶區(qū)有韌性下降和產(chǎn)生冷裂紋的傾向及熱影響區(qū)脆化現(xiàn)象。

（3）厚板高強(qiáng)鋼在近1/2 厚度上，存在合金元素的偏析現(xiàn)象。

（4）在等強(qiáng)度理論下，焊縫強(qiáng)度達(dá)到了等強(qiáng)，卻使焊縫的塑性、韌性下降。

（5）為了防止產(chǎn)生焊接裂紋，通常需要焊前預(yù)熱、焊后后熱及控制層間溫度，施工成本大大提高。

（6）焊材中的氫元素，是產(chǎn)生焊接裂紋的重要因素，因此應(yīng)選用低氫焊條或超低氫焊條。

（7）厚板的焊縫為多層多道焊接，熱輸入和焊接環(huán)境的控制將直接影響焊縫成形及焊縫質(zhì)量。

2 壓力鋼管制作工序質(zhì)量控制要點(diǎn)

2.1 坡口制備

坡口制備是保證壓力鋼管外形尺寸和焊接質(zhì)量的關(guān)鍵工序。坡口設(shè)計(jì)除滿足GB/T985.1 和GB/T985.2 外，還應(yīng)考慮：

（1）應(yīng)易于加工、便于施焊，避免窄而深的焊縫斷面。

（2）應(yīng)使焊縫的填充金屬盡量小，減少焊接變形和殘余應(yīng)力。

（3）鑒于高強(qiáng)鋼的特點(diǎn)，中厚板常采用不對(duì)稱X型坡口。

（4）根據(jù)焊接方法，焊條電弧焊鈍邊2～4 mm，埋弧焊鈍邊4～8 mm。

2.2 瓦片卷制

由于鋼管瓦片組圓時(shí)，嚴(yán)禁在瓦片內(nèi)、外壁上隨意焊接用于壓縫、合縫的壓碼，因此對(duì)瓦片的卷制要求提高。為了獲得較為理想的卷制質(zhì)量，宜選用四輥卷板機(jī)以獲得整個(gè)瓦片的曲率滿足設(shè)計(jì)圖樣的要求。當(dāng)采用三輥卷板機(jī)時(shí)，用樣板檢查弧度后并將不符合弧度要求的直邊段切除，為保證組圓工序及滿足設(shè)計(jì)圖樣要求提供有利條件。

瓦片卷制成型后，應(yīng)在工作平臺(tái)上做質(zhì)量檢查（見(jiàn)表1）。

2.3 瓦片組圓

鋼管瓦片組圓應(yīng)在水平2 mm/m 工裝平臺(tái)上進(jìn)行，平臺(tái)上應(yīng)劃有鋼管直徑1：1 的地樣并沿地樣線焊接擋塊。鋼管瓦片組圓的難點(diǎn)和要點(diǎn)是在瓦片的縱縫、壓縫及合縫以及相鄰?fù)咂诠芸谔幍腻e(cuò)邊，保證合縫處的弧度及管口平面度滿足要求并留有預(yù)定的焊接間隙，檢查合格后應(yīng)進(jìn)行定位焊。

表1 鋼管瓦片質(zhì)量檢查表

低合金高強(qiáng)度鋼相鄰?fù)咂v縫處的壓縫、合縫在鋼管制作過(guò)程中，嚴(yán)格控制在鋼管內(nèi)、外壁上隨意焊接壓碼，通常采用液壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行壓縫、合縫（見(jiàn)圖1）。

圖1 壓縫、合縫液壓機(jī)構(gòu)示意圖

通過(guò)旋轉(zhuǎn)盤(pán)部分的升降，并在對(duì)稱布置的液壓缸的作用下，可對(duì)鋼管的上部、中部和下部進(jìn)行圓度調(diào)整，同時(shí)可用加勁環(huán)的內(nèi)側(cè)作為鋼管外管壁圓度的樣板，以檢驗(yàn)圓度調(diào)整是否滿足要求。

瓦片組圓成型后，應(yīng)在工作平臺(tái)上作如下的質(zhì)量檢查（見(jiàn)表2）。

表2 鋼管瓦片組圓質(zhì)量檢查表

3 焊接

3.1 低合金高強(qiáng)度鋼焊接時(shí)容易產(chǎn)生以下問(wèn)題

（1）焊接裂紋。包括冷裂紋，熱裂紋，再熱裂紋，層狀撕裂紋等。鋼材的淬硬傾向、焊接接頭的熔敷金屬中的擴(kuò)散氫含量及其拘束應(yīng)力狀態(tài)是產(chǎn)生冷裂紋（延遲裂紋）的3 大因素；焊縫凝固過(guò)程中的結(jié)晶偏析，造成了化學(xué)不均勻，因而合金元素是產(chǎn)生熱裂紋的主要因素，再熱裂紋的產(chǎn)生原因主要是在焊后再次加熱時(shí)才可能發(fā)生。層狀撕裂常發(fā)生在壓力鋼管加勁環(huán)與鋼管外壁的T 形接頭處[1]。

（2）脆化。包括過(guò)熱、淬硬、混合組織、析出、應(yīng)變時(shí)效脆化。

（3）軟化。尤其是調(diào)質(zhì)鋼，焊接這類鋼時(shí)往往需要比較高的預(yù)熱溫度。

（4）強(qiáng)度級(jí)別＜600 MPa 時(shí)，裂紋一般在熱影響區(qū)起裂，強(qiáng)度級(jí)別＞600 MPa 時(shí)，裂紋傾向增大，裂紋既出現(xiàn)在熱影響區(qū)，也可能出現(xiàn)在焊縫中，具體的起裂位置取決于氫的擴(kuò)散及母材和焊縫馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)。

3.2 低合金高強(qiáng)鋼焊接工藝控制要點(diǎn)

（1）控制焊接參數(shù)

在滿足焊縫質(zhì)量的前提下，采用低的熱輸入以及焊接電流、電弧電壓和焊接速度的合理匹配，可有效的控制熔池形狀，改善焊縫成形，減小焊接變形及應(yīng)力集中，降低缺陷產(chǎn)生幾率。

表3 給出了在熱輸入一定的情況下，不同的焊接電流、電弧電壓的組合，對(duì)熔池形狀的影響[2]。

從表3 中可以看出，在同樣的板厚和坡口形式下，電弧電壓對(duì)熔寬的影響較大，焊接電流對(duì)熔深的影響較大，即電弧電壓高焊縫熔寬增大，焊接電流大，焊縫熔深大。

表3 熱輸入恒定時(shí)，不同的電弧電壓、焊接電流組合對(duì)熔池幾何形狀的影響

（2）避免焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋

氫元素是產(chǎn)生裂紋的重要原因。預(yù)熱溫度應(yīng)考慮鋼材的碳當(dāng)量，一般隨著碳當(dāng)量的增加，預(yù)熱溫度也隨著提高。有實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)證明，焊前預(yù)熱，改善母材的焊接性，延緩焊接冷卻過(guò)程，有利于焊縫中氫的析出，降低焊接接頭的殘余應(yīng)力，焊件強(qiáng)度雖稍低但塑性卻好很多[2]。

（3）多層多道焊

采用小熱輸入配合多層多道焊。由于后焊焊道對(duì)前一焊道及其熱影響區(qū)進(jìn)行再加熱，使加熱區(qū)組織和性能發(fā)生相變，塑性、韌性、接頭殘余應(yīng)力和擴(kuò)散氫濃度分布得到改善。應(yīng)注意的是，多層焊比單層焊的角變形大，焊接層數(shù)越多，角變形越大，但角變形可通過(guò)合理的焊接順序加以糾正。同時(shí)還應(yīng)控制熔深，因?yàn)槿凵钶^大的對(duì)接焊縫和角焊縫抗裂性較差。

一方有難，八方支援。3月31日，水利部全體離退休老干部、老同志心系西南重旱區(qū)群眾，在老部長(zhǎng)支部和蓮花池、社會(huì)路等10個(gè)老干部活動(dòng)站積極參加募捐活動(dòng)。截止到3月31日下午，已有290名老同志參加捐助活動(dòng)，累計(jì)捐款71760元。

（4）鋼板偏析檢測(cè)

當(dāng)鋼板厚度δ≥38 mm 時(shí)，對(duì)同爐號(hào)不同厚度的鋼板在寬度方向采用時(shí)間衍射法（TOFD）檢查鋼板偏析情況，標(biāo)定并做好記錄。以便在焊縫內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注。

（5）焊前預(yù)熱

有研究資料證實(shí)，常用于水電站壓力鋼管的B780 CF 高強(qiáng)鋼的預(yù)熱溫度為80℃以上，就不會(huì)產(chǎn)生冷裂紋[3]，而WSD690 E 的預(yù)熱溫度為100℃以上[4]。但當(dāng)實(shí)際施工中的環(huán)境溫度較低時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高預(yù)熱溫度。

通常情況下，高強(qiáng)鋼焊接預(yù)熱溫度應(yīng)控制在80～120℃，預(yù)熱時(shí)間可按測(cè)量鋼管瓦片正面或背面焊縫溫度均滿足預(yù)熱溫度確定。

焊道兩側(cè)的預(yù)熱區(qū)域應(yīng)不小于板厚的6 倍。

（6）層間溫度

層間溫度不低于預(yù)熱溫度，通常在100～130℃，且不宜大于180℃[5]。同時(shí)應(yīng)盡量保持層間溫度基本一致。

（7）后熱

高強(qiáng)鋼鋼管焊接完成后，應(yīng)即刻進(jìn)行后熱處理，以降低焊縫冷卻速度，防止焊接裂紋產(chǎn)生。后熱溫度為150～200 ℃[5]，后熱時(shí)間以2 h 為宜。

（8）熱輸入

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著熱輸入量的增加，焊縫金屬抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)，采用過(guò)大的熱輸入焊接有可能導(dǎo)致焊縫金屬的強(qiáng)度低于母材鋼板強(qiáng)度。但熱輸入的變化，對(duì)低溫沖擊韌性的性能影響不明顯[3]。

（9）焊材

焊條電弧焊應(yīng)優(yōu)先選用與鋼板母材強(qiáng)度相匹配的低氫型焊條，埋弧焊應(yīng)選用熔敷金屬具有優(yōu)良的抗裂性和低溫韌性的焊絲與焊劑組合。

（10）定位焊

定位焊的預(yù)熱溫度比正式焊縫的預(yù)熱溫度高20～30 ℃。 定 位 焊 縫 長(zhǎng) 度50～80 mm、間 距200～400 mm，沿焊道長(zhǎng)度均勻布置并避開(kāi)交叉焊道，焊縫厚度不超過(guò)正式焊縫厚度的1/2 且不大于8 mm。

（11）焊接順序及清根

不對(duì)稱X 形坡口的焊接順序如圖2 所示：

圖2 不對(duì)稱X 形坡口的焊接順序示意圖

在焊接前的技術(shù)準(zhǔn)備過(guò)程中，應(yīng)對(duì)不同坡口角度作工藝性試板進(jìn)行焊接試驗(yàn)，采用不同直徑的焊條或焊絲試焊，以摸索出焊縫的焊接層數(shù)及每層的焊道數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，焊條電弧焊每層的焊縫厚度3～4 mm，埋弧焊每層的焊縫厚度6 mm，以便于控制蓋面焊的焊寬和焊縫余高，保證焊縫外觀質(zhì)量。

在清根完成并打磨出鋼板的金屬光澤后，使用MT 或PT 探傷，檢查根部質(zhì)量，刨槽尺寸應(yīng)均勻，表面光滑。

（12）焊接工藝評(píng)定

為保證焊接質(zhì)量，在壓力鋼管制作的焊接技術(shù)準(zhǔn)備工作中，最重要的就是進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，即評(píng)估施焊單位的焊接工藝是否符合要求。若符合要求，應(yīng)提出焊接工藝評(píng)定報(bào)告，在焊接工藝評(píng)定報(bào)告的基礎(chǔ)上編制焊接工藝規(guī)程（WPS），并按此進(jìn)行焊接生產(chǎn)。若不符合要求，應(yīng)修改焊接工藝評(píng)定預(yù)規(guī)程（pWPS）重新進(jìn)行評(píng)定。在實(shí)際操作中，常常選擇同爐號(hào)鋼板數(shù)量大、且具有厚度0.75δ≤δ≤1.25δ 覆蓋范圍的鋼板作為焊接工藝評(píng)定試板。

4 結(jié)語(yǔ)

在水電站壓力鋼管的工地現(xiàn)場(chǎng)施工中，雖然有諸如SL432、GB50766 等規(guī)范，仍然存在對(duì)規(guī)范理解不深、施工隨意的現(xiàn)象。應(yīng)該指出的是，選擇標(biāo)稱強(qiáng)度比母材低50～100 MPa 的焊接材料，對(duì)提高月牙肋與兩側(cè)支管間組合焊縫的綜合性能是有益的[6]。

本文根據(jù)筆者在實(shí)際工作中遇到的問(wèn)題，對(duì)壓力鋼管的現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行了要點(diǎn)總結(jié)，以期能為其他類似工程提供技術(shù)上的借鑒。