國產800MPa級高強鋼及焊接技術在電站中應用淺析

焦雄 鄧朝 董團偉

摘要：隨著國產高強鋼生產和高強鋼焊接等關鍵技術的突破，并在國內大型水電工程成功應用，顯示出了高強鋼蝸殼管壁厚度薄，具有良好的低溫沖擊韌性的優點，但是高強鋼碳當量大，對延遲裂紋敏感性較強，選擇與其母材化學成分、力學性能相匹配的焊材和操作性強的焊接工藝參數尤為關鍵，在現場焊接過程中焊接質量很難控制，在高溫、高濕的地下電站廠房中施工具有很大的挑戰。該文以烏東德右岸地下電站800MPa級高強鋼蝸殼焊接為例，分別從高強鋼材料選用、焊接工藝選定、焊接過程控制3個方面進行分析論述，實踐證明：國產800MPa級鋼材質量可靠，制定焊接工藝可操作性強，焊縫焊接質量優良，保證了蝸殼高強度、良好的沖擊韌性。可為其他大型水電站高強鋼蝸殼施工提供了重要的參考和借鑒價值。

關鍵詞：烏東德 高強鋼 焊接技術 工藝參數 質量優良

Application of Domestic 800mpa High Strength Steel and Welding Technology in Power Station

JIAO Xiong1DENG Zhao2DONG Tuanwei1

（1. Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project Construction Co.， Ltd.， Xi’an， Shanxi Province， 710010 China; 2.China Three Gorges Construction Management Co.， Ltd，Chengdu， Sichuan Province， 610094 China）

Abstract： With the breakthrough of key technologies such as domestic high-strength steel production and high-strength steel welding， and the successful application in domestic large-scale hydropower projects， it shows that the wall thickness of high-strength steel spiral case is thin and has the advantages of good low-temperature impact toughness.But the carbon equivalent of high strength steel is large and the sensitivity to delayed crack is strong. It is particularly critical to select welding materials that match the chemical composition and mechanical properties of the base metal and welding process parameters with strong operability. It is difficult to control the welding quality in the on-site welding process， and it is a great challenge in the construction of underground power plant under high temperature and humidity. Taking the welding of 800MPa high strength steel volute of Wudongde right bank underground power station as an example， this paper analyzes and discusses the selection of high strength steel materials， welding process selection and welding process control respectively. The practice shows that the quality of domestic 800MPa steel is reliable， the welding process is operable， and the welding quality is excellent， which ensures the high strength and good impact toughness of spiral case. It can provide important reference and reference value for the construction of high-strength steel spiral case in other large hydropower stations.

Key Words： Wudongde power station; High strength steel; Welding technology;Processing parameters; Good quality

1工程概況

金沙江烏東德水電站是金沙江下游河段四座水電站（烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩）中最上游的梯級電站，左右岸地下電站各安裝6臺單機容量85萬kW水輪發電機組，總裝機容量1020萬kW，多年平均發電量389.1億kW·h，正常蓄水位975.0m，總庫容74.3億m。

烏東德水電站右岸地下電站安裝的6臺單機容量為85萬kW的水輪機蝸殼由30個管節組成，總重約685t，通過補償節與對應的6條壓力鋼管相連接，蝸殼進口直徑為11.5m，除過渡段采用600MPa級高強度鋼板制造外，其余部位全部采用國產800MPa級低碳高強度調制鋼板制造，鋼板厚度為25～68mm不等，蝸殼管節的裝配編號從+X軸線起沿水流方向依次為V1～V25節，進口管段沿水流方向依次為VE5～VE1其中，V1、V10、V20為定位節，V5、V15、VE5為補償節，補償節以瓦片供貨，VE4～V14、V24、V25分兩瓣，V16～V23以“C”形管節整節到貨。

2材料特性及焊接工藝

2.1鋼材選用

隨著我國鋼鐵工業技術發展，國產800MPa級高強鋼已在江蘇溧陽、內蒙古呼蓄、江西洪屏等抽水蓄能電站壓力鋼管岔管中得到了應用，且質量可靠，應用效果良好。

為進一步推進800MPa級高強鋼在水利水電工程中大規模推廣應用，通過對首鋼、寶鋼、舞鋼等國內知名大型鋼鐵公司調研，并分別對其生產的800MPa級高強鋼材料特性、力學性能、化學成分等指標進行對比篩選，通過招投標，最終選定烏東德水電站蝸殼800MPa級高強鋼板由寶山鋼鐵股份有限公司提供。此鋼材屬于低碳高強度調制鋼，對延遲裂紋敏感性較強，且板材厚，按照《低合金高強度結構鋼》（GB/T1591-2008）的和招標文件要求，其力學性能和化學成分應滿足表1、表2要求。

2.2焊接材料選用

鑒于焊縫焊接質量對蝸殼整體質量至關重要，故焊材選擇除滿足與母材等強、等韌性、等成分的原則外，還應能全位置焊接，且滿足焊接接頭綜合力學性能又有較好工藝性能的超低氫焊條。通過對大西洋、昆山京群、中冶寶鋼、奧鋼聯等國內外焊材生產廠家生產的焊條進行焊接工藝試驗，并經過對其焊接接頭力學性能和化學成分檢測，以及可操作性綜合分析，滿足《高強鋼焊條》（GB/T 32533-2015）要求，為確保其焊接質量達到精品工程要求，最終確定采用奧鋼聯生產的E11018-G H4焊條作為蝸殼焊接材料。

2.3焊接工藝參數選定

該機組蝸殼現場焊接主要工作包括：管節安裝縱縫、環縫;與壓力鋼管的補償節縱縫、環縫;大舌板安裝焊縫;蝶形邊焊縫及附件安裝焊縫，單臺蝸殼安裝焊縫熔敷金屬總量約為15t。具有焊接工程量大，焊接材料特殊，焊接質量控制要求高等特點。

為高質量完成800MPa級高強鋼蝸殼的安裝焊接工作，結合以往工程高強鋼焊接成功經驗，創新出一套高強鋼焊接成熟、高效的施工工藝和方法。分別對具有代表性平焊位、立焊位，非對稱“X”型坡口、“K”型坡口（檢查熔合線沖擊韌性）和14～25kJ/cm、25～35kJ/cm焊接線能量進行焊接工藝試驗。經過對焊接工藝試板焊縫無損檢測、力學性能和化學成分檢測，檢測結果顯示：14～25kJ/cm的線能量輸入焊接接頭力學性能和化學成分滿足《水輪機金屬蝸殼現場制造安裝及焊接工藝導則》（DL/T 5070-2012）要求，且現場可操作性強。結合施工現場實際情況，并經過組織專家評審，最終選擇制定了滿足焊接質量控制要求且便于操作的焊接工藝參數和焊接工藝規程，焊接過程中根據不同板厚調整焊道和層數，其焊接工藝參數見表3。

3焊接過程質量控制

3.1定位焊

為確保其有足夠的強度，防止在后續加熱或焊接過程中定位焊縫開裂損傷母材或引起管節變形，定位焊縫焊接工藝和對焊工要求與正式焊縫相同，原則上先焊焊縫中間部位，再焊焊縫兩端，每段定位焊縫長度為80～120mm且至少焊兩層，間距為300～400mm，厚度不宜大于正式焊縫厚度的1/2，厚度控制在8～12mm范圍內。

定位焊預熱沿焊縫中心每側不小于3倍板厚，且大于150mm區域內采用電加熱片進行加熱，預熱溫度控制在140～170℃范圍內，并嚴格控制焊接線能量、層間溫度。

3.2焊前預熱

對準備施焊的焊縫，采用電加熱片進行預熱，預熱區的寬度應為焊縫中心線兩側各3倍板厚，且不小于100mm。

溫度測量在距焊縫中心各50mm處對稱測量，而當板厚大于70mm時，應在距離焊縫中心各70mm處對稱測量溫度。每條焊縫測量點間距不大于500mm，溫度應控制在120～150℃范圍內。

3.3焊接施工

3.3.1基本要求

（1）焊條使用前，須經350～400℃烘烤1～2h，然后放入經提前通電加熱至80～150℃的保溫筒內，隨用隨取，烘干的焊條在保溫筒內存放時間不得超過4h，超過后，應重新烘烤，焊條重復烘烤次數不允許超過2次，否則，報廢處理，啟封后的焊條，應及時用完。

（2）焊縫應連續焊接完成，若中途停止焊接，應采取保溫措施，且不得低于預熱溫度，或者進行后熱處理緩慢冷卻至室溫后，焊接前再加熱至預熱溫度。

（3）焊接時，為減少管節變形，應采用多層多道、分段、退步、上下對稱、均勻焊接，擺寬不大于3倍焊條直徑，打底焊接時必須采用φ3.2mm焊條小電流焊接。

（4）每道焊接完畢，應將熔渣及飛濺清理干凈，并作目視檢查，如發現缺陷應及時磨除，嚴格按照焊接工藝修補后再作檢查，不允許帶缺陷進行下一步操作，且每道焊接接頭應錯開30～50mm。

（5）焊接至大坡口大于有效深度的1/2后，用碳弧氣刨進行小坡口側焊縫的清根，清根時保持預熱溫度，清根后必須將1.5mm滲碳層和淬硬層鏟磨干凈， 采用PT/MT檢驗合格后，進行小坡口側焊縫焊接。

（6）禁止在坡口外母材表面引弧、息弧、試電流，應設專用引弧板，若在焊縫外偶然起弧，必須打磨清理干凈，打磨深度不小于1mm，且應采用PT檢測確認無缺陷。

（7）臨時工卡具、吊耳等臨時構件安裝焊接前，須堆焊隔離層以降低冷裂紋產生的風險，隔離層厚度不小于5mm，隔離層邊緣距離角焊縫焊趾至少10mm，焊接過程，按照正式焊縫焊接工藝嚴格控制焊接溫度、線能量等參數。臨時附件選用熱工藝清除時，應采取特殊防護措施，防止損壞母材，且應打磨去除隔離層，打磨區域按照規范要求進行PT或者MT檢測確認無缺陷。

（8）蝸殼縱縫、環縫，蝸殼與過渡段焊縫的正、背縫蓋面層須采用φ3.2mm焊條進行直通焊，且蓋面層焊縫由兩側往中間焊接，以便進行回火焊道焊接，即在蓋面層的最后一條焊道上再焊接一道，同時，需要注意：回火焊道不允許焊在焊縫兩側，焊接完成后，應將超高區域打磨去除。

（9）蝸殼焊縫不同板厚須進行打磨過渡，打磨長度應不小于3倍板厚差，焊縫若咬邊尺寸小于1mm，允許通過鏟磨進行修復。每條焊縫焊接完成后，均應在熱態下立即進行焊后熱處理。

（10）焊接順序：拼裝縱縫焊接—鼻端焊縫焊接—一般管節環縫焊接—湊合節縱縫焊接—湊合節環縫焊接—上下蝶形邊焊縫焊接—進水口直管段環縫焊接—直管段與大舌板對接縫焊接—直管段與壓力鋼管出口湊合節縱縫焊接—直管段湊合節環縫焊接—附件安裝焊縫焊接。整個蝸殼管節的安裝環縫焊接順序與蝸殼掛裝調整順序一致，不得跳躍。

3.3.2普通管節焊接

普通管節焊縫焊接，根據焊縫長度，每班由4～8名焊工均布同時對稱施焊，在整個焊接過程中，應隨時檢查變形情況，并根據變形情況及時調整焊接順序或焊接位置，控制焊接變形。

3.3.3碟形邊焊縫焊接

（1）焊接時應由8～10名焊工同時、對稱、分段、退焊，并保持焊接速度一致，碟形邊焊接應連續進行直至焊完不宜間斷，如無法連續施焊，焊接應完成板厚的2/3以上，中斷過程中須保持預熱溫度。

（2）先焊接下碟形邊，后焊接上碟形邊;結合焊接坡口形式，先焊接坡口的仰（橫）焊位置側，焊接到板厚的1/3以上后，進行坡口平（橫）焊位置側清根焊接。

（3）碟形邊焊接過程中應全程監測，防止座環水平、圓度、方位和中心發生位移或變形。

3.3.4補償節焊接

（1）蝸殼與壓力鋼管連接的VE5補償節環縫，須在過渡段與蝸殼蝶形邊焊縫全部焊接完成后再進行焊接，VE5補償節的縱縫和與VE4連接的第一條環縫焊接方法與蝸殼其他縱縫和環縫焊接工藝要求相同。

（2）VE5補償節第二條與壓力鋼管連接的環縫為合攏環縫，屬于封閉焊接，拘束應力較大，封底焊時宜采用分段、退步、疊型、對稱施焊。疊焊長度為300～400mm，該焊縫焊接期間應連續完成，不得間斷，焊接優先選擇使用φ3.2mm 焊條施焊，以減小焊縫拘束應力。

（3）第二條環縫（或預留環縫）焊接時，應按焊接工藝要求進行120～150℃預熱，焊后立即后熱，焊接接頭后熱溫度應控制在200～250℃范圍內保持4h，然后緩冷。

（4）連接壓力鋼管段的補償節最后一條環縫在管節配割坡口制備時，應保證坡口間隙控制在0～4mm范圍內，當間隙大于4mm時，可按規范要求進行堆焊處理。

3.3.5缺陷處理

（1）焊縫內部或表面發現有裂紋等危險性缺陷時，嚴禁私自返修，應進行分析，找出原因，制訂可靠措施后，方可進行缺陷處理。

（2）焊縫內部缺陷應用碳弧氣刨或砂輪將缺陷清除并用砂輪將缺陷位置修磨成便于焊接的凹槽，焊補前應檢查。若缺陷為裂紋，則應采用MT或PT有關規定檢測，確認裂紋已經消除，方可焊補。

（3）焊補的焊縫須按照正式焊縫焊接工藝進行預熱、后熱，并焊回火焊道，打磨過渡處理。

（4）同一部位的返修次數一般不允許超過一次。如果焊縫返修部位再次發現超標缺陷時，啟動二次返修程序。二次返修必須由參建各方共同進行原因分析和研究制定可靠的返修工藝。二次返修過程中，應詳細記錄二次返修部位的缺陷性質、大小、位置及返修后的無損檢測結果。

（5）蝸殼內、外壁的局部凹坑深度不大于板厚的10%且不大于2mm，可用砂輪打磨，平滑過渡，凹坑深度大于板厚的10%或大于2mm的，應進行焊補處理，焊補前應用碳弧氣刨或砂輪將凹坑修磨成便于焊接的凹槽，再行焊補。如需預熱、后熱，預熱溫度應比正式焊縫預熱溫度高出20～30℃。焊補后進行后熱。焊補后應用砂輪將焊補處磨平，并采用MT或PT進行無損檢測，確認無缺陷。

（6）蝸殼內、外壁鋼板表面不得有電弧擦傷和硬物擊痕，若有擦傷或擊痕應采用砂輪將其打磨清除，并采用PT/MT檢查確認無微裂紋。

3.4質量控制要點

高強鋼蝸殼焊縫及熱影響區多數工況下承受拉伸載荷，其焊縫焊接是影響鋼結構蝸殼質量的關鍵，焊接接頭的韌性是焊接結構蝸殼使用性能的主要指標，關系到蝸殼服役期間的穩定性和安全性。

由于烏東德水電站為地下廠房，施工環境較為惡劣，蝸殼內焊接施工環境溫度高、濕度大，長時間施工，焊工體力消耗較大，對焊接質量影響較大，因此，為高質量完成烏東德水電站800MPa級高強鋼焊接，保證熱影響區的組織狀態不受到破壞，在焊接過程中應嚴格限制焊接線能量（14～25kJ/cm），盡量減少焊條的橫向擺動寬度（不大于3倍焊條直徑），從而有效控制焊接線能量。

焊接線能量過大，易使熱影響區奧氏體晶粒粗大，產生大量粗大魏氏組織，熱影響區沖擊韌性降低，相反，焊接線能量減小，對熱影響區過熱程度較輕，奧氏體晶粒長大不嚴重。對此，線能量作為焊接質量控制的重要指標，在施工過程中，線能量最直接的控制方法是控制焊接速度，通常通過測定每根焊條的施焊時間來進行計算。

線能量計算公式：

L—焊接長度（cm）

t—焊接時間（s）

I—焊接電流（A）

U—焊接電壓（V）

4結語

烏東德工程鋼蝸殼的焊接是國產800MPa高強首次大規模運用的成功案例。為推動了國產800MPa級高強鋼在水利水電工程中大規模推廣應用，提供了有利條件;在保證了蝸殼高強度、高沖擊韌性的前提下，制定了可操作性強的低焊接線能量焊接工藝，其過程控制、質量把控良好，蝸殼焊縫經內部質量探傷檢測，一次檢測合格率達到99.2%，沒有出現二次返修現象，焊接質量評定為優良，其安裝焊接質量得到了建設單位和質量監督部門的認可，取得了很好的應用效果，值得其他工程借鑒和參考。

參考文獻

[1] 申紅俠.高強鋼焊接薄壁箱形截面雙向壓彎構件的穩定承載力[J].建筑鋼結構進展，2020，22（4）：57-67.

[2] 康丹丹，萬天明，王高見，等.水電用1000 MPa級超高強鋼焊接的研究進展[J].熱加工工藝，2018，47（15）：11-13，17.

[3]馬國，黃松，張立平，等.T750GJ高強鋼焊接接頭組織與力學性能研究[J].熱加工工藝，2017，46（23）：239-241，245.

[4]張偉. 第三代高強鋼激光點焊接頭成形機理及斷裂行為研究[D].北京： 中國科學院大學，2021.

[5]陳戀. 800MPa低合金高強鋼激光及激光電弧復合焊接頭組織性能研究[D].上海：上海交通大學，2020.3

[6]黃石，胡春兵，黎錦森.烏東德800MP級低合金高強度蝸殼鋼板焊接工藝[J].人民長江，2018，49（S1）：163-165.