積石峽水電站壓力鋼管焊接質(zhì)量控制

李曉剛，趙延智

（1.黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司工程建設(shè)分公司，青海 西寧 810000；2.青海禹天監(jiān)理咨詢有限公司，青海 西寧 810008）

積石峽水電站位于青海省循化縣境內(nèi)積石峽出口處，海拔1 830 m，冬寒夏涼，日溫差較大，施工條件較差。電站引水壓力鋼管直徑11.5 m，是目前國內(nèi)第4大壓力鋼管。由于1號機鋼管道完工節(jié)點調(diào)整，施工強度較大，冬季必須正常施工，年安裝工程量達到3 000 t，且建設(shè)單位提出了高于規(guī)范規(guī)定的質(zhì)量和檢測要求。為此, 施工單位對壓力鋼管的安裝進行了全過程控制,成功地解決了質(zhì)量、安全和工期的矛盾,使水電建設(shè)壓力鋼管的安裝焊接技術(shù)上了一個新的臺階。

1 Q345C焊接性能

Q345C低合金結(jié)構(gòu)鋼是在碳素結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，加入多種合金元素，提高鋼材的機械性能和焊接性能，使鋼材具有較高的強度和足夠的韌性。

Q345C低合金結(jié)構(gòu)鋼含碳量以及其他各種合金元素的含量對鋼材的強度與可焊性有較大的影響，為便于表達這些材料的強度性能和焊接性能以碳當(dāng)量Cd來表示。經(jīng)計算Cd為0.54%?？梢?，Q345C低合金鋼焊接性能并不很好，需要在焊接時制定嚴格的工藝措施。為保證積石峽壓力鋼管的焊接質(zhì)量，通過焊接工藝試驗，確定了合理的焊接工藝參數(shù)，并嚴格按工藝執(zhí)行。

2 壓力鋼管焊接質(zhì)量控制

2.1 焊接工藝控制

根據(jù)現(xiàn)場施工的特點并本著經(jīng)濟適用的原則，選用手工電弧焊進行焊接作業(yè)。結(jié)合積石峽水電站壓力鋼管鋼材特性，制定合適的工藝試驗參數(shù)（見表1）。焊接工藝評定后，編寫焊接工藝評定報告并做出綜合評定，并在此基礎(chǔ)上編制焊接工藝規(guī)程，用于指導(dǎo)實際施工。

2.2 焊接材料設(shè)備控制

焊接設(shè)備采用ZX7—400型手工直流弧焊機，具有陡降的外特性，適于手工電弧焊操作特點。該設(shè)備設(shè)有數(shù)顯電流表，可精確預(yù)置焊接電流，可調(diào)節(jié)推力電流，保證最佳電弧性能，可調(diào)節(jié)引弧電流，保證最佳引弧性能。

表1 焊接工藝參數(shù)（非對稱X形坡上）

焊接材料采用大西洋CHE507（相當(dāng)E5015）低氫鈉型藥皮碳鋼焊條。采用直流反接，電弧挺度好，不易產(chǎn)生磁偏吹，焊縫成形細潔美觀，飛濺少，脫渣容易，電弧穩(wěn)定，可進行全方位焊接。焊縫金屬具有優(yōu)良的塑性和韌性，熔敷金屬的力學(xué)性能見表2。

表2 熔敷金屬的力學(xué)性能

焊條在使用前應(yīng)嚴格按焊條烘烤說明、烘干溫度及時間進行烘烤。防止過高的烘干溫度使藥皮脆化或過低的烘干溫度達不到烘干效果。領(lǐng)用時要求焊工必須使用保溫桶，隨用隨取。焊條從恒溫箱中取出后超過4 h，必須重新烘干。在整個施工過程，對烘干、發(fā)放、領(lǐng)用及回收進行詳細的記錄，嚴格控制整個過程。

2.3 坡口控制

原設(shè)計圖紙鋼管環(huán)縫坡口為X形對稱坡口（見圖1），為改善焊接條件，根據(jù)焊接工藝試驗，將坡口變更為非對稱X形坡口。外坡口深約1/3δ（δ為鋼板厚），保證清根后坡口深度約為1/2δ，同時使變形量內(nèi)外一致。內(nèi)坡口深約2/3δ，有利于提高效率。

圖1 非對稱X形坡口（尺寸單位：mm）

鋼管坡口錯邊及間隙應(yīng)嚴格控制。坡口錯邊量過大，焊縫外觀成形不易控制，且容易產(chǎn)生應(yīng)力集中；間隙過小，不易焊透，造成背縫清根時過深，易產(chǎn)生末熔合、夾渣等缺陷；間隙過大，底層焊接難度增加，且使熔敷金屬增加。

2.4 焊工資格控制

從事壓力鋼管一、二類焊縫焊接的焊工，必須持有能源部、水利部等部委頒布的有效合格證書，方能上崗施焊。焊工焊接的鋼材種類、焊接方法和焊接位置等，均應(yīng)與焊工本人考試所取得的合格項目相符，且在開工前對所有焊工及手工碳弧氣刨作業(yè)人員進行理論和實踐培訓(xùn)考試合格方可上崗。

2.5 施焊環(huán)境控制

環(huán)境因素對壓力鋼管的焊接質(zhì)量有很大的影響。壓力鋼管焊接時指定專人對天氣情況進行監(jiān)測和記錄，對環(huán)境溫度，空氣相對濕度和風(fēng)速進行測定，測定地點在距焊接處1 m以內(nèi)。

在風(fēng)速大于8 m/s、相對濕度大于90%、雨雪環(huán)境及-10℃以下的環(huán)境，焊接部位應(yīng)有可靠的防護屏障和保溫措施，否則嚴禁開焊。

根據(jù)DL/T 5017—2007規(guī)范要求，低合金結(jié)構(gòu)鋼當(dāng)環(huán)境相對濕度大于90%或環(huán)境溫度低于-5℃時，需預(yù)熱至20℃以上時才能施焊。

由于積石峽水電站壓力鋼管低合金結(jié)構(gòu)鋼板材厚度小于30 mm，冷裂紋敏感性不大，故未進行后熱處理。

2.6 焊前準備

為了保證焊縫焊接質(zhì)量，防止焊接缺陷的產(chǎn)生，要求施焊前必須用角磨機將焊縫坡口及兩側(cè)100 mm范圍內(nèi)的鐵銹、熔渣、油垢、水跡等清除干凈。坡口局部間隙大于6 mm小于20 mm時，允許在坡口兩側(cè)作堆焊處理后用砂輪修整出坡口形狀。堆焊過程中每道焊縫金屬必須熔化上1條焊道的1/3～1/2寬度，使各焊道緊密連接，防止產(chǎn)生夾渣和未熔合等缺陷。

雙面焊縫單側(cè)焊接后用碳弧氣刨進行清根，清根后使用砂輪機磨除滲碳層和刨槽表面缺陷。

由于積石峽水電站壓力鋼管安裝與右壩肩開挖同時進行，為防止開挖揚塵對焊接質(zhì)量造成影響，開焊前使用篷布對施焊焊縫四周進行封閉防護。

焊接完畢，用鋼絲輪將焊縫兩側(cè)150 mm范圍內(nèi)清理干凈，便于檢查外觀缺陷，同時為以后的無損檢測做好準備。

2.7 焊接順序

焊接過程中隨時檢測變形情況，調(diào)整焊接順序，以便控制焊接變形。為盡可能減小壓力鋼管的焊接變形并使應(yīng)力分布均勻，合理安排焊接順序，10位焊工對稱施焊，并使焊接參數(shù)、焊接順序等保持基本一致。在施焊前選定定位焊焊點和焊接順序，從構(gòu)件受周圍約束較大的部位開始焊接，向約束較小的部位推進。

每條焊縫應(yīng)一次連續(xù)焊完，當(dāng)因故中斷焊接時，應(yīng)采取防裂措施。在重新焊接前，應(yīng)將表面清理干凈，確認無裂紋后，方可按原工藝繼續(xù)施焊。

2.8 焊接工藝要求

（1）定位焊位置距離焊縫端部30 mm以上，其長度在50 mm以上，間距為100～400 mm，厚度不超過正式焊縫高度的1/2，最厚不超過8 mm。

（2）只能在焊接坡口或焊道內(nèi)引弧和熄弧，防止母材淬火導(dǎo)致母材的金相組織被破壞和出現(xiàn)裂紋。收弧應(yīng)填滿弧坑，以免產(chǎn)生弧坑裂紋。必須短弧直線運條，以減少合金元素的燒損，減少熱影響區(qū)的寬度，有利于提高焊縫的抗晶尖腐蝕能力和減少裂紋產(chǎn)生的傾向。

（3）碳弧氣刨清根后一定要磨除滲碳層，否則殘留的滲碳層將會在隨后的焊縫熔合線上形成脆硬的高碳馬氏體組織，甚至導(dǎo)致熔合線開裂。

（4）多層焊時，仔細清理每層的飛濺物，自檢合格后進行下層焊接，層間接頭錯開30 mm以上。

（5）焊接完畢，焊工應(yīng)進行自檢，并做好焊接記錄。

3 焊接檢驗及缺陷處理

（1）所有焊縫焊接完成后，按DL 5017—2007《壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定進行焊縫外觀檢查，合格后方可轉(zhuǎn)入無損探傷工序。

（2）按照設(shè)計技術(shù)要求及建設(shè)單位精細化標(biāo)準要求，所有壓力鋼管安裝環(huán)縫100%超聲波探傷，探傷應(yīng)包含全部T形焊縫及每個焊工所焊焊縫的一部分。湊合節(jié)一類焊縫100%超聲波探傷后進行10%射線探傷復(fù)檢。

（3）施工單位內(nèi)部探傷合格后，由建設(shè)單位委托黃河電力檢測公司進行50%抽檢。

（4）焊縫內(nèi)部或表面發(fā)現(xiàn)有裂紋等危險性缺陷時，應(yīng)進行分析，找出原因，制定措施后，方可焊補。

（5）焊縫內(nèi)部缺陷應(yīng)用碳弧氣刨或砂輪將缺陷清除干凈并修磨成便于焊接的凹槽，焊補前應(yīng)檢查。如缺陷為裂紋，則應(yīng)采用表面探傷檢查，確認裂紋已經(jīng)消除后方可焊補。

（6）返工后的焊縫，應(yīng)用射線或超聲波探傷復(fù)查，同一部位的返工次數(shù)不能大于兩次。否則，應(yīng)制定可靠的措施，并經(jīng)專門研究后使用熟練技能較高的焊工焊補處理。

4 結(jié)語

積石峽水電站壓力鋼管安裝施工環(huán)境較差，鋼管管徑大，施工工期緊張，經(jīng)嚴格執(zhí)行控制措施，目前已安裝完成的壓力鋼管環(huán)縫焊接一次合格率達99.7%以上，達到了建設(shè)單位精細化施工的高標(biāo)準要求。實踐證明，積石峽水電站壓力鋼管焊接措施有效，焊接質(zhì)量滿足工程要求。