高強(qiáng)度小直徑壓力鋼管焊接技術(shù)

■ 陳愛國(guó)，賀振

1.概述

我國(guó)抽水蓄能電站裝機(jī)容量2303萬(wàn)kW，占全國(guó)電力總裝機(jī)容量的1.5%。“十三五”將加快抽水蓄能電站建設(shè)，以適應(yīng)新能源大規(guī)模開發(fā)需要，保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。而壓力鋼管作為電站引水系統(tǒng)中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，工程量往往是上萬(wàn)噸，并且管線較長(zhǎng)，施工非常集中。電站水頭越來(lái)越高，用于鋼管制造的材料也由強(qiáng)度級(jí)別較低的普通材料發(fā)展到大量采用強(qiáng)度級(jí)別為600MPa、800MPa的高強(qiáng)度鋼，并逐步往1000MPa級(jí)方向發(fā)展。該類型電站的特點(diǎn)是水頭高、壓力大，鋼管直徑相對(duì)不大。

高強(qiáng)度小直徑壓力鋼管在組裝、焊接等方面難度超過(guò)了普通壓力鋼管，制造難度較大。本文從壓力鋼管制造流程著手，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，提高了高強(qiáng)度小直徑壓力鋼管制造質(zhì)量、施工功效，進(jìn)一步降低施工成本，有利于節(jié)能環(huán)保。

2.技術(shù)準(zhǔn)備

鋼管制造前，技術(shù)人員充分熟悉設(shè)計(jì)圖樣、技術(shù)規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為材料采購(gòu)、下料、組裝、焊接、消應(yīng)、防腐及產(chǎn)品交付等提供技術(shù)支持。鋼管制造所需技術(shù)文件包括：施工組織設(shè)計(jì)、鋼板采購(gòu)清單、工藝圖、技術(shù)工藝文件、質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)計(jì)劃、質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)表、發(fā)貨清單及鋼管安裝說(shuō)明等。

3.鋼管下料及坡口開制

（1）鋼管下料 小直徑壓力鋼管排料時(shí)應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的鋼板運(yùn)輸條件，盡可能選擇使用一張鋼板卷制成形，減少吊裝和焊接工作量，從而提高鋼管制造質(zhì)量。安徽績(jī)溪抽水蓄能電站φ4.4m壓力鋼管選用一張鋼板卷制成形，制造質(zhì)量?jī)?yōu)良。

鋼板切割下料可采用自動(dòng)、半自動(dòng)切割或刨邊機(jī)、銑邊機(jī)加工。鋼板采用半自動(dòng)切割機(jī)下料，應(yīng)劃出預(yù)留焊接收縮量的切割線，劃線檢查合格后，用紅或白鉛油標(biāo)出鋼管分段、分節(jié)、分塊的編號(hào)和水流方向、水平和垂直中心線、灌漿孔位置，以及坡口加工角度、切割線等符號(hào)。不得在鋼板表面打深度＞0.5mm的沖眼。

在壓力鋼管工程量較大的項(xiàng)目上，可建設(shè)集中供氣系統(tǒng)進(jìn)行切割下料。集中供氣系統(tǒng)操作安全簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)不間斷連續(xù)供氣，保持氣體純度，氣體壓力穩(wěn)定，便于安全風(fēng)險(xiǎn)管理，提高生產(chǎn)效率，是一種便捷、安全、節(jié)省成本的方式。

（2）坡口開制 600MPa和800MPa級(jí)別優(yōu)先采用坡口機(jī)、銑邊機(jī)加工，當(dāng)采用熱切割方法須將割口表面淬硬層、過(guò)熱組織等用砂輪磨掉，磨削層厚≥1mm。

下料完成后，按工藝圖進(jìn)行坡口制備。鋼管本體的焊縫要求高，焊接坡口的形式應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖樣、規(guī)范、焊接工藝評(píng)定等執(zhí)行，一般為V形、X形，厚板焊接可采用U形坡口。

4.縱縫焊接

壓力鋼管縱縫焊接，采用氣體保護(hù)焊打底、氣刨清根、雙面埋弧焊方法，埋弧焊的縱縫內(nèi)側(cè)焊可直接鋪設(shè)軌道，為埋弧焊內(nèi)側(cè)平焊；但外側(cè)平焊需要將焊縫轉(zhuǎn)動(dòng)到頂部位置，由于鋼管屬于弧面，2m以上施工屬于高空作業(yè)，存在施工安全風(fēng)險(xiǎn)。采用一種可翻轉(zhuǎn)的縱縫焊接平臺(tái)，解決了施工安全問(wèn)題，并提供了一個(gè)平穩(wěn)的施工工作面，如圖1所示。

圖1 可翻轉(zhuǎn)縱縫焊接平臺(tái)

5.加勁環(huán)焊接

小管徑壓力鋼管，尤其是抽水蓄能電站的壓力鋼管，加勁環(huán)數(shù)量多、分布密，焊接工作量很大。推薦采用一種新型的壓力鋼管加勁環(huán)自動(dòng)化焊接設(shè)備，如圖2所示。其原理如下：鋼管臥放在滾輪架上面，在焊接操作機(jī)的橫臂上裝配特制的連桿，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)全自動(dòng)CO2保護(hù)焊機(jī)在一道加勁環(huán)兩側(cè)同步起弧焊接，連桿可以上下左右方向粗調(diào)，焊槍也可以在上下左右方向微調(diào)，通過(guò)滾輪架滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)和氣保焊機(jī)同時(shí)起弧的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)加勁環(huán)整條角焊縫的焊接。這種方法只需要移動(dòng)焊接操作機(jī)橫臂，即可焊接不同位置的加勁環(huán)，鋼管也不需要翻面，是一種安全高效的方法。這個(gè)新型的焊接裝置，不但提高了焊縫外觀質(zhì)量，有利于焊縫質(zhì)量控制，而且有效節(jié)省了人工成本，提高了生產(chǎn)效率，實(shí)用性強(qiáng)。

圖2 加勁環(huán)自動(dòng)化焊接

6.鋼管大節(jié)組對(duì)

小直徑壓力鋼管根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸和起吊條件，在制造廠內(nèi)盡可能完成多的焊接工作，一般將設(shè)計(jì)單節(jié)組對(duì)成大節(jié)后出廠，減少安裝現(xiàn)場(chǎng)的工作量。使用自動(dòng)組對(duì)設(shè)備進(jìn)行鋼管環(huán)縫的組裝，從而實(shí)現(xiàn)大節(jié)組對(duì)。拼裝時(shí)將已焊好的單節(jié)壓力鋼管吊裝到滾輪架上，通過(guò)操控一側(cè)的帶驅(qū)動(dòng)滾輪架，使兩節(jié)壓力鋼管靠攏。之后轉(zhuǎn)動(dòng)一側(cè)的滾輪架調(diào)節(jié)焊縫間隙，待間隙初步符合要求后，通過(guò)調(diào)節(jié)滾輪高度使兩節(jié)鋼管一段范圍內(nèi)的間隙及錯(cuò)位達(dá)到規(guī)范要求，并進(jìn)行定位焊接，如圖3所示。

圖3 鋼管環(huán)縫自動(dòng)組對(duì)

7.鋼管環(huán)縫焊接

環(huán)縫焊接采用埋弧焊方法，施工難度比縱縫施工難度大很多，特別是高強(qiáng)度鋼壓力鋼管環(huán)縫焊接的影響因素較多。傳統(tǒng)制約因素主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：將全位置焊接轉(zhuǎn)化為平焊位置；鋼管筒體在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的竄動(dòng)；鋼管筒體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)焊劑回收難；高強(qiáng)鋼環(huán)縫受熱面不均勻，傳統(tǒng)的磁鐵吸附式加熱方式在筒體轉(zhuǎn)動(dòng)后，線纜容易纏繞在一起。采取以下措施能有效解決壓力鋼管焊接技術(shù)難題。

（1）十字焊接操作機(jī)配合滾輪架的焊接方式 選用滾輪托架配合十字焊接操作機(jī)，同時(shí)在焊接操作機(jī)配備焊劑自動(dòng)回收裝置，有效地解決了焊接位置轉(zhuǎn)化和焊劑回收難的問(wèn)題。埋弧焊自動(dòng)回收裝置減少了人工清理和篩選焊劑的工作量，同時(shí)具有除塵功能，提高了焊劑的利用率，如圖4所示。

圖4 焊接十字操作機(jī)配合滾輪架進(jìn)行埋弧焊焊接

（2）鋼管防竄動(dòng)裝置 鋼管在滾輪架上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)左右竄動(dòng)，如果竄動(dòng)量超過(guò)了埋弧焊槍頭的調(diào)節(jié)范圍，會(huì)影響焊接質(zhì)量。防竄裝置是控制鋼管在滾輪架上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)竄動(dòng)范圍，有效減少竄動(dòng)量，保障焊機(jī)槍頭和環(huán)縫中心線處于共面狀態(tài)。

防竄裝置有兩種：一種是裝配在管口處控制鋼管竄動(dòng)，另一種是裝配在加勁環(huán)處控制鋼管竄動(dòng)，防竄裝置是由支座、轉(zhuǎn)輪、軸及軸承組成。

（3）使用弧形加熱裝置進(jìn)行高強(qiáng)鋼環(huán)縫預(yù)熱 高強(qiáng)鋼和較厚的低合金鋼環(huán)焊接縫焊前應(yīng)均需要進(jìn)行預(yù)熱，目前使用較多的是履帶式電加熱板，加熱板長(zhǎng)度為800～1000mm不等。以績(jī)溪抽水蓄能電站為例，總長(zhǎng)14m的焊縫需要覆蓋14塊加熱板，加熱板利用磁塊吸附在焊縫上。當(dāng)壓力鋼管轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，加熱板隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，由于每塊加熱板都有獨(dú)立的一組連接線接在自動(dòng)溫控箱上，隨著壓力鋼管的轉(zhuǎn)動(dòng)，連接線會(huì)繞亂甚至扯斷，給焊接帶來(lái)了極大的困擾。采用了一種便捷式環(huán)焊縫預(yù)熱及后熱裝置（見圖5、圖6），使焊縫受熱均勻，可操作性和實(shí)用性強(qiáng)，有效保障了高強(qiáng)鋼的焊接質(zhì)量。

8.焊接工藝要點(diǎn)

（1）焊接工藝評(píng)定 壓力鋼管制造前，根據(jù)母材的焊接性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用條件、設(shè)計(jì)要求、設(shè)備能力、施工環(huán)境和工藝要求擬定焊接工藝方案，并經(jīng)工藝評(píng)定合格后，考慮到質(zhì)量穩(wěn)定、施工工效、成本和焊縫外觀等幾個(gè)方面的因素，編制適宜焊接工藝規(guī)程并進(jìn)行推廣應(yīng)用。

（2）焊接工藝 第一，坡口形式：板厚＜30mm鋼板采用V形坡口，角度為47°±2°，鈍邊5m m，對(duì)口間隙2m m。板厚＞30m m鋼板開設(shè)不對(duì)稱X形坡口，大坡口側(cè)角度為42°±2°，小坡口側(cè)角度為50°±2°，鈍邊2mm，對(duì)口間隙2mm。背縫采取碳弧氣刨清根，使用磨光機(jī)打磨。

第二，焊接方法。縱縫和環(huán)縫均采用埋弧焊，加勁環(huán)連續(xù)角焊縫采用雙槍氣體保護(hù)焊。

圖5 加熱裝置立體結(jié)構(gòu)

圖6 加熱裝置工作示意

第三，焊接材料。600MPa高強(qiáng)鋼焊接材料，埋弧焊焊絲（S AW）：H08M n2M o A（?4.0mm）；焊劑CHF113，焊劑使用前300～350℃烘焙2h；氣體保護(hù)焊（GMAW）：HTW—60(?1.2mm)，保護(hù)氣體Ar+CO2。800MPa高強(qiáng)鋼焊接材料，埋弧焊（SAW）：SG—80（?4.0mm），焊劑OKFLUX—SG80，使用前350～400℃烘焙2h。氣體保護(hù)焊（GMAW）：HTW—80（?1.2mm)，保護(hù)氣體Ar+CO2。

第四，焊接過(guò)程溫度控制。600MPa高強(qiáng)鋼焊前預(yù)熱溫度為80～100℃；800MPa高強(qiáng)鋼焊前預(yù)熱溫度為100～120℃。焊縫兩側(cè)受熱均勻，當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時(shí)，采取預(yù)熱溫度的上限。層（道）間溫度：焊接時(shí)，不低于預(yù)熱溫度，不超過(guò)180℃。 后熱溫度：高強(qiáng)鋼后熱溫度控制在200～250℃，保溫時(shí)間視板厚定約為1.5～2h，后熱在焊后立即進(jìn)行，后熱完成后斷電，使用石棉被覆蓋焊縫緩冷。

第五，焊接參數(shù)。不同級(jí)別的母材采用不同的焊接參數(shù)，推薦焊接參數(shù)如附表所示。

第六，焊接過(guò)程注意事項(xiàng)，焊接時(shí)的熄弧和引弧都在坡口內(nèi)進(jìn)行，嚴(yán)禁在坡口以外的母材表面任意引弧和熄弧。

正常情況下，每條焊縫連續(xù)完成，不得中斷焊接。因故中斷焊接，再次施焊前按要求重新預(yù)熱并對(duì)焊縫進(jìn)行清理檢查，確認(rèn)已焊焊道的缺陷已經(jīng)處理合格后方可繼續(xù)施焊。

每層、每道焊縫在焊接過(guò)程中發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，要及時(shí)用磨光機(jī)對(duì)缺陷進(jìn)行打磨處理，確認(rèn)缺陷消除后方可繼續(xù)施焊。

異種鋼材焊接按照低級(jí)別母材選擇焊接材料，按照高級(jí)別母材選擇焊接工藝。

（3）焊接變形控制 高強(qiáng)度厚板的焊接變形后期矯正很困難，因此采取合理的焊接工藝是控制小直徑鋼管焊接變形的關(guān)鍵。

焊接參數(shù)

縱縫焊接變形的控制，尤其是單面V形坡口，如果等內(nèi)縫焊接完成后再清根焊接外焊縫，那么縱縫焊接變形量很大，縱縫處會(huì)成形明顯桃心狀。制作一套弦長(zhǎng)500mm的樣板，內(nèi)焊縫焊接完成三層以后，每焊接一層就使用樣板測(cè)量縱縫處瓦片與樣板的間隙，超過(guò)3mm就要進(jìn)行背縫清根，焊接完成背縫后再完成內(nèi)焊縫剩余的焊接量。

9.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在安徽績(jī)溪壓力鋼管制造的實(shí)踐，鋼管圓度和焊接質(zhì)量是小直徑高強(qiáng)度壓力鋼管制造的關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)。通過(guò)增加新型設(shè)備和新工藝的投入，不僅僅可以保證鋼管的制造質(zhì)量，而且施工效率得到大幅提升，符合現(xiàn)階段節(jié)能環(huán)保的要求，施工成本也得到了有效的控制。