壓力鋼管安裝過程中的焊接變形控制研究

王亞杰

摘 要：大、中型水電站焊接鋼結(jié)構(gòu)主要有壓力鋼管（包括蝸殼）、鋼閘門、啟閉機結(jié)構(gòu)件、水輪機焊接座環(huán)、發(fā)電機圓盤轉(zhuǎn)子支架以及其他大型鋼結(jié)構(gòu)件。這些水工鋼結(jié)構(gòu)大多是設(shè)計水頭高、容量大、構(gòu)件龐大、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜、焊接質(zhì)量要求高的焊接結(jié)構(gòu)，除了上述主要特點外，現(xiàn)場焊接環(huán)境條件比較差也是水工鋼結(jié)構(gòu)焊接的主要特點。

關(guān)鍵詞：壓力鋼管；現(xiàn)場安裝；焊接變形

1 引言

系統(tǒng)概括了壓力鋼管焊接變形的影響因素及控制對策，結(jié)合實例闡述了有效控制壓力鋼管現(xiàn)場安裝時焊接變形的關(guān)鍵在于控制線能量，采用合適的施工工藝。壓力鋼管是水電站重要的組成部分，有壩內(nèi)埋管、地下埋管、明管三種布置形式，壓力鋼管的主要結(jié)構(gòu)通常有主管、彎管、分岔管、錐管。由于壓力鋼管龐大，一般都是在水電站工地上進行焊接（制作、安裝）。隨著水利水電工程漸趨大型化，壓力鋼管的P·D（水頭×管徑）值越來越大。如果采用普通鋼材制作鋼管，必須增加鋼管壁厚，對其制作、運輸和安裝帶來極大困難。因此，鋼管制作使用的材料強度等級也越來越高。

2 鋼管現(xiàn)場安裝焊接的管理

水利水電焊接施工與其它行業(yè)的焊接施工相比有它的特殊性，涉及的材料種類較多，手工焊接占的比例較高，焊接位置變化多樣，野外作業(yè)較多，特別是安裝過程，受施工環(huán)境的影響較大，點多面廣，不容易實現(xiàn)規(guī)范化管理。水利水電焊接施工尤其是水工金屬結(jié)構(gòu)安裝焊接施工管理難度十分大。在開展現(xiàn)場安裝焊接工作前要充分了解設(shè)計及質(zhì)量要求，做好實施計劃、施工準備及施工控制。焊接技術(shù)措施和組織措施都是圍繞如何有效而經(jīng)濟地保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量符合設(shè)計要求，將焊接返修率盡可能地降低。必須做好以下幾個方面：預(yù)防出現(xiàn)質(zhì)量問題，首先必須充分了解焊接產(chǎn)品的設(shè)計及質(zhì)量要求，做好焊接施工的準備。工藝必須處于受控狀態(tài)，嚴肅工藝紀律，加強人員特別是焊工的培訓(xùn)，提高操作水平，改進焊接方法如選用自動焊接，提高焊接設(shè)備的可靠性，使焊接施工生產(chǎn)過程穩(wěn)定。做好焊接記錄和相應(yīng)的技術(shù)文檔工作，便于及時對焊接過程和焊接成果進行有效的評價和控制。

3 壓力鋼管安裝的焊接

3.1 焊接工藝

鋼管施焊前，將對主要部件的組裝進行檢查，有偏差時及時予以校正。各種焊接材料要按規(guī)定進行烘焙和保管，焊接時，將焊條放置在專用的保溫筒內(nèi)，隨用隨取。為了盡量減少變形和收縮應(yīng)力，在施焊前選定定位焊點，和焊接順序，應(yīng)從周圍約束較大的部位開始焊接，向約束較小的部位推進。雙面焊接時，在其單側(cè)焊接后進行清根并打磨干凈，再繼續(xù)焊另一面。對需預(yù)熱后焊接的鋼板，應(yīng)在清根前預(yù)熱。每一條焊縫應(yīng)一次連續(xù)焊完，當(dāng)因故中斷焊接時，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。焊接完畢，焊工將進行自檢。

3.2 焊接要求

焊接工作環(huán)境應(yīng)在洞內(nèi)風(fēng)速不大于8m/s，相對濕度不大于90%，環(huán)境溫度不底于-4度的情況下進行。如遇超過以上不利因素情況，應(yīng)采取有效措施。如無防范措施時，嚴格執(zhí)行停止焊接工作。施焊前對焊口進行組裝工藝檢查，如有超限偏差，應(yīng)及時糾正合格才能進行焊接。嚴格執(zhí)行焊條烘干取出后放在保溫桶內(nèi)，隨取隨用。嚴格執(zhí)行確定的焊接規(guī)范，不得隨意更改工藝參數(shù)。為盡量減少和收縮變形，在施焊前選定焊點和焊接順序，焊接順序應(yīng)從構(gòu)件受周圍約束力較大的部分開始焊接，向約束力小的方向推進。多層焊間接頭應(yīng)錯開，整條焊縫應(yīng)盡量連續(xù)完成，不得中斷，安裝環(huán)縫，多名焊工焊接時，應(yīng)注意從中心位置兩側(cè)對稱位置同時進行。如遇不利條件，影響焊接因素，應(yīng)采取有效防護措施。如遇特殊情況，因故中斷一條焊縫不能一次焊完時，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焊接工藝進行焊接。拆除引、斷弧板時，應(yīng)不傷及母材。焊接完畢，焊工應(yīng)按DL5017—93第6.3.9條規(guī)定自檢。

3.3 焊接的質(zhì)量檢驗

一類焊縫鋼管縱縫100%超聲波檢查。二類焊縫鋼管環(huán)縫30—50%超聲波檢查無損探傷應(yīng)在焊接完成24小時后進行。進行無損探傷應(yīng)嚴格遵守DL5017-93的規(guī)定。焊縫無損探傷的抽查率應(yīng)按施工圖紙規(guī)定采用。若施工圖紙未規(guī)定時，按下表確定。抽查部位應(yīng)按監(jiān)理工程師的指示選擇在容易產(chǎn)生缺陷的部位，并應(yīng)抽查到每個焊工的施焊部位。

4 線能量的控制

（1）減小線能量。減小線能量，能有效防止焊接接頭的橫向收縮、縱向收縮（縱彎）、角變形和波浪變形，其中T形接頭的橫向收縮和角變形的效果最好。對于壓力鋼管而言，由于主要是縱向焊縫和橫向焊縫，在施工過程中，應(yīng)控制橫向收縮、縱向收縮（縱彎）、角變形和波浪變形，其中角變形和波浪變形對于圓度控制有著重要意義。在線能量一定時，板厚δ增大，收縮變形減??；但由于壓力鋼管必須焊透，焊條金屬熔敷量W隨板厚δ增大而增大（或線能量增大），收縮變形量勢必也增大。兩者疊加，后者影響更大，而且在實際施工過程中，焊縫也未必能一次就焊透符合要求，不可避免局部返修，一旦板厚δ增大，不可避免增大收縮變形量。因此，板厚δ在設(shè)計過程中應(yīng)予以充分考慮，盡量優(yōu)化。對于前面提及的根部間隙或坡口的影響，主要在制作時控制好。鋼板畫線、下料尺寸要精確，應(yīng)在專用平臺下料（平臺平面度控制在2mm）開坡口。另外，鋼板卷制時應(yīng)特別控制鋼板寬度中心線與卷板機卷輥軸心線的垂直度。如果不垂直，那么在拼裝單件成圓時，會增加縱縫的修整工作量，容易造成縱縫的間隙大大超標(biāo)。如果縱縫的坡口也事先開好，那很可能就要重新修整，再開坡口，那間隙就大了。實際操作中，如果是薄板，縱縫往往在拼裝單件成圓時先將周長方向多余部分割除，再開坡口。這一方法雖然坡口間隙不大，但是用手工割除多余部分鋼板時，不可能很直，縱縫線性彎彎曲曲，極不規(guī)則，對于焊接變形、焊接質(zhì)量有不利影響。對于厚板結(jié)構(gòu)，當(dāng)圓半徑較小時，還是應(yīng)當(dāng)精確下料（預(yù)留縱向焊縫壓頭長度），開好橫向坡口，卷制成弧后利用半自動切割機切除縱向焊縫多余部分并開好坡口，然后進行裝，這樣對焊接變形、焊接質(zhì)量影響最小。

（2）自由收縮。焊前給予結(jié)構(gòu)反變形與焊接后收縮變形相抵，從而可以減小甚至消除結(jié)構(gòu)因焊接引起的變形。為此，對于縱向焊縫先焊內(nèi)側(cè)，應(yīng)在拼裝時適當(dāng)讓拼裝構(gòu)件的圓半徑應(yīng)略大于基準圓半徑（具體數(shù)據(jù)因管徑、板厚不同各異，可以在施工實踐中由實踐經(jīng)驗得出），焊接收縮后兩圓即基本重合，從而很好地消除了角變形。

5 總結(jié)

通過本文的研究可以得出以下兩條結(jié)論：首先，壓力鋼管焊接變形控制是控制形位尺寸的一個重要因素，只有做好的焊接工作才能對工程的質(zhì)量有所保證。其次，控制焊接變形主要是控制線能量，線能量應(yīng)由焊接工藝評估確定，在線能量的控制上最重要的還是要根據(jù)實際的工程來確定科學(xué)的控制力度。

參考文獻：

[1] 馬善定.水電站建筑物（第二版）[M].北京：水利水電出版社，2008.

[2] 楊元玉.15CrMo耐熱鋼焊接性能與焊接工藝[J].安裝2005（5）.