水電站壓力鋼管用WSD690E高強鋼焊接研究與應用

楊春國

（中國水利水電第六工程局有限公司機電安裝分局，遼寧丹東 180012）

水電站壓力鋼管用WSD690E高強鋼焊接研究與應用

楊春國

（中國水利水電第六工程局有限公司機電安裝分局，遼寧丹東 180012）

通過分析江西洪屏抽水蓄能電站800 MPa級高強鋼應用實例，闡述了國產(chǎn)800 MPa級高強鋼壓力鋼管在制作工程中焊接工藝性能，并通過實際焊接過程中出現(xiàn)的問題，對焊接橫向裂紋的產(chǎn)生原因及原理進行分析，提出解決方案。

800 MPa級高強鋼；焊接工藝；橫向裂紋；原因分析；應對措施

0 引言

江西洪屏抽水蓄能電站裝機容量為1200 MW（4×300 MW），壓力鋼管主要布置在輸水系統(tǒng)，其中800 MPa級高強鋼壓力鋼管布置在引水下豎井、引水下平洞及引水支管，管徑為2.1～4.8 m，壁厚30.0～52.0 mm，總質量為2111.32 t。

800 MPa級高強鋼壓力鋼管采用舞陽鋼鐵有限責任公司生產(chǎn)的牌號為WSD690E的高強鋼板。由于這種鋼材的合金化體系比較復雜，合金元素含量較高，屈強比較大，且為調質狀態(tài)供貨，同時江西洪屏抽水蓄能電站壓力鋼管壁較厚，國內如此大量使用此種鋼材尚屬首例，因此有許多焊接方面的技術問題亟待解決，如鋼材的裂紋傾向、預熱溫度、最佳線能量范圍的確定及其控制。

1 材料成分與性能［1］

1.1 WSD690E鋼板的化學成分

WSD690E鋼板的化學成分見表1。

表1 WSD690E鋼的化學成分（熔煉分析）%

碳當量Ceq＝w（C）＋w（Mn）/6＋w（Si）/24＋w（Ni）/40＋w（Cr）/5＋w（Mo）/4＋w（V）/14；裂紋敏感系數(shù)Pcm＝w（C）＋w（Si）/30＋w（Mn）/20＋w（Cu）/20＋w（Ni）/60＋w（Cr）/20＋w（Mo）/15＋w（V）/10＋5w（B）。

通過表1可知，Ceq≤0.57%，Pcm≤0.30%。

1.2 WSD690E鋼板的力學性能

WSD690E鋼板的力學性能見表2。

表2 WSD690E鋼板的力學性能

2 焊接工藝［2］

2.1 焊接設備及焊接方法

焊接設備、焊接方法及適用范圍見表3。

表3 焊接設備、焊接方法及適用范圍

2.2 焊接材料

2.2.1 焊接材料選擇

埋弧自動焊（SAW）選擇大西洋CHW－S10＋CHF101焊絲，手工電弧焊（SMAW）選擇大西洋CHE807RH焊條。

2.2.2 材料的烘干和儲存

焊接材料在使用前按材料說明規(guī)定的溫度和時間要求進行烘干和儲存。施焊前，焊條和焊劑必須進行烘焙，烘干溫度350℃，烘干時間2h，保溫100℃。

2.3 焊接工藝參數(shù)

根據(jù)舞陽鋼鐵有限責任公司提供的鋼板焊接性試驗報告，制定焊接工藝參數(shù)見表4。

表4 WSD690E焊接工藝參數(shù)

為驗證所編制焊接工藝的適宜性，在正式焊接生產(chǎn)前，組織相關焊工進行了焊接工藝性試驗，按照NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》［3］進行了焊接工藝評定。試驗采用X型坡口對WSD690E高強鋼鋼板對接焊縫、WSD690E與WDB620高強鋼鋼板對接焊縫進行了試驗，試驗的材料、板厚、坡口形式及工藝均涵蓋了實際所有焊縫類型。在環(huán)境溫度和濕度非常理想的狀態(tài)下，焊接試板焊后經(jīng)X射線探傷和超聲波探傷檢查合格，焊接工藝評定結果見表5，經(jīng)試驗檢驗，評定該焊接工藝符合相關標準，可以按此指導施工。

表5 焊接工藝評定結果

3 焊接工藝的實施

800 MPa級壓力鋼管瓦片卷制組對完成后，經(jīng)檢查合格，在焊縫外側進行定位焊。定位焊預熱溫度為120℃，比正常焊接高20℃，預熱采用履帶式紅外加熱裝置進行加熱。定位焊工藝參數(shù)按照焊接工藝評定執(zhí)行。

正式焊接前，在縱縫兩側焊接引弧板和熄弧板（尺寸不得小于100mm×100mm），并用碳弧氣刨在引弧、熄弧板上刨出焊接坡口。焊前預熱溫度為80～120℃。焊接時，由內側焊縫開始施焊，采用多層多道焊，每道焊縫的厚度不大于4 mm，層間焊渣清理采用電動風鏟，層間溫度控制在80～150℃，焊接線能量控制在32 kJ/cm以下。內側焊縫焊接完成后，用碳弧氣刨清根，刨槽前端半徑應在5 mm以上。寬度應稍大于深度，呈V型結構。

4 焊接缺陷分析［4］

在800 MPa級高強鋼壓力鋼管制作過程中，在厚度為52 mm的鋼管縱縫埋弧焊焊接完成48 h后，經(jīng)超聲波探傷檢查，在縱縫兩端0～400 mm范圍內發(fā)現(xiàn)橫向裂紋，如圖1所示，深度為30～35 mm，位置示意如圖2所示。經(jīng)多次返修后仍無法消除裂紋。通過圖1發(fā)現(xiàn)橫向裂紋位于焊縫中央，垂直于焊縫，熱影響區(qū)與母材未發(fā)現(xiàn)橫向裂紋，采用碳弧氣刨清除裂紋焊縫時，裂紋發(fā)展延伸，幾乎貫穿焊縫。

圖1 埋弧焊縱縫橫向裂紋

圖2 橫向裂紋易發(fā)生部位

4.1 橫向裂紋成因分析

在橫向裂紋發(fā)生后，項目部組織施焊人員和相關焊接技術人員，對橫向裂紋的成因進行了分析和討論，橫向裂紋的產(chǎn)生與下列因素有關。

（1）外部環(huán)境。因800 MPa級高強鋼壓力鋼管正式生產(chǎn)時間為12月，正值深冬，白天氣溫5℃，夜間氣溫－2℃，環(huán)境溫度與焊接工藝評定時環(huán)境溫度發(fā)生較大變化。

（2）焊接過程中，焊接層間溫度不均，尤其是橫向裂紋發(fā)生區(qū)域焊縫處的層間溫度較高，如圖3所示。

4.2 橫向裂紋形成機理［5］

焊接橫向裂紋常起源于淬硬傾向較大的合金鋼焊縫邊界而延伸至焊縫和熱影響區(qū)，尺寸不大，但常顯露于表面。在厚板多層焊時則發(fā)生在距焊縫上表面有一小段距離的焊縫內部，其方向大致垂直于焊縫軸線，且往往與氫脆有較大聯(lián)系。

（1）氫脆現(xiàn)象。WSD690E鋼板在焊接時，焊縫的合金成分較高，淬硬性高于母材，可能使熱影響區(qū)的轉變先于焊縫，此時氫相從熱影響區(qū)向焊縫擴散，原來焊縫中較高的含氫量也滯留在焊縫中，產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象。

（2）淬硬現(xiàn)象。WSD690E鋼板Ceq≤0.57%，淬硬傾向較高。在焊接時，近縫區(qū)的加熱溫度很高，達1350～1400℃，使奧氏體晶粒嚴重拉長，快冷時，轉化為粗大馬氏體，性能更為脆硬，且對氫脆更為敏感。

（3）拘束度的影響。WSD690E鋼板在焊接時，焊縫兩端被固定，每道焊縫的焊接完成后，層間溫度過高，在冷卻過程中，因冷卻速度不均，焊縫產(chǎn)生的熱應力集中在溫差變化較大區(qū)域，且垂直于焊縫軸線方向。

綜上所述，WSD690E鋼板產(chǎn)生焊接橫向裂紋的原因在于鋼種淬硬之后受氫的侵襲和誘發(fā)，使之脆化，在拘束力的作用下產(chǎn)生了橫向裂紋。

5 裂紋預防辦法與返修措施

5.1 橫向裂紋的預防辦法

（1）因冬季施工時環(huán)境溫度較低，應適當提高焊前預熱溫度，將預熱溫度從80℃提高至100℃。

（2）嚴格控制層間溫度在100～120℃。

（3）冬季施工，適當降低焊接線能量，選用合理的焊接工藝參數(shù)，埋弧焊現(xiàn)場實測參數(shù)見表6。

表6 WSD690E調整后焊接現(xiàn)場實測參數(shù)（板厚52 mm）

焊接層焊絲直徑/mm焊接電流/A焊接電壓/V焊接速度/（cm·min－1）焊接線能量/（kJ·cm－1）層間溫度/℃4.0530334523.3107外24.0580344526.3105外34.0550334524.2111外44.0550334524.2108外54.0550334524.2109外64.0550334524.2112外7～外外1 114.0550334524.2100～120

5.2 橫向裂紋返修工藝

（1）碳弧氣刨刨除缺陷前，必須進行焊前預熱，預熱溫度比焊條電弧焊焊接預熱溫度高出20℃。

（2）在氣刨完成后，使用磁粉探傷，檢查根部裂紋是否清除干凈，裂紋清除干凈后檢查刨槽尺寸，必須滿足規(guī)定要求，且必須打磨干凈。

（3）焊條電弧焊焊接時，選用合理的焊接方式。經(jīng)多次不同方式焊接試驗，因立焊的焊接線能量較小，采用立焊取得了較好的結果，再次發(fā)生橫向裂紋的幾率較低。

（4）焊前必須控制預熱溫度在100℃左右，焊接過程中嚴格控制層間溫度在100～120℃。

6 結束語

WSD690E高強鋼在目前國內水電建設中應用較少，屬于新的鋼種。隨著國內越來越多的高水頭電站的興建，尤其是抽水蓄能電站發(fā)展高峰期的來臨，國產(chǎn)800 MPa級高強鋼的應用已經(jīng)全面展開，WSD690E高強鋼將會得到大量的應用。針對WSD690E高強鋼壓力鋼管焊接工藝的研究，為同類電站提供借鑒，促進800 MPa級高強鋼鋼板的推廣和應用。

［1］低合金高強度結構鋼：GB 1591—2008［S］.

［2］水利水電工程壓力鋼管制作安裝及驗收規(guī)范：GB 50766—2012［S］.

［3］承壓設備焊接工藝評定：NB/T 47014—2011［S］.

［4］焊縫無損檢測超聲檢測技術、檢測等級和評定：GB/T 11345—2013［S］.

［5］中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊－第2卷材料的焊接［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2001：126－146，265－285.

（本文責編：劉炳鋒）

TG 47

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1674－1951（2016）10－0013－04

楊春國（1974—），男，遼寧新賓人，中國水利水電第六工程局有限公司機電安裝分局副局長，一級建造師，高級工程師，從事金屬結構制作安裝方面的工作（E-mail：ycgtyx＠126.com）。

2016－05－30；

2016－08－10