國產(chǎn)800 MPa 級超大型壓力鋼管縱縫定位焊裂紋缺陷原因分析及處理

趙 爽，王永華，程 惠，孫 文，宋慧濤

（1.中國長江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處 四川 涼山615400； 2.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都610081）

白鶴灘左、右岸各布置8 條壓力鋼管，直徑10.2～8.6 m，為超大型壓力鋼管。鋼管下彎段和下平段采用國產(chǎn)800 MPa 級高強鋼材料，其為國內(nèi)水電領(lǐng)域國產(chǎn)800 MPa 級高強鋼規(guī)模性應(yīng)用的首例。白鶴灘壓力鋼管制造前期，800 MPa 定位焊過程中，出現(xiàn)多處裂紋。

為避免裂紋缺陷，確保800 MPa 級壓力鋼管管節(jié)制造質(zhì)量，并為壓力鋼管安裝環(huán)縫焊接提供技術(shù)準(zhǔn)備，工程參建方組織成立“國產(chǎn)800 MPa 級超大型壓力鋼管制造縱縫定位焊裂紋缺陷攻關(guān)”小組，對壓力鋼管制造縱縫定位焊裂紋缺陷進(jìn)行QC攻關(guān)。

1 實施過程

1.1 現(xiàn)狀調(diào)查

1.1.1 歷史數(shù)據(jù)調(diào)查

小組成員對白鶴灘右岸首批800 MPa 級壓力鋼管（壓力鋼管編號10號-09、09號-09）縱縫定位焊的裂紋情況進(jìn)行了調(diào)查和統(tǒng)計，具有以下特征：

（1）定位焊出現(xiàn)裂紋的位置點呈離散分布，缺陷率14.6%，缺陷具體分布見表1 和表2。

（2）定位焊裂紋位置均在焊縫中心，母材及熱影響區(qū)無焊接缺陷。

表1 09號-09 管節(jié)制作縱縫定位焊裂紋統(tǒng)計

表2 10號-09 管節(jié)制作縱縫定位焊裂紋統(tǒng)計

1.1.2 壓力鋼管制造概況

白鶴灘水電站引水壓力鋼管全部在工地制造，每節(jié)壓力鋼管3 條縱縫，縱縫正式焊接前，需進(jìn)行定位焊。

2016 年7 月9 日開始首批右岸電站首批800 MPa 級管節(jié)焊接，管節(jié)編號為09號-09、10號-09。

1.2 目標(biāo)設(shè)定

目標(biāo)設(shè)定為：徹底消除800 MPa 級超大型壓力鋼管制造縱縫定位焊裂紋缺陷，使缺陷率由14.6%降為0。

1.3 原因分析及要因確認(rèn)

1.3.1 原因分析

目標(biāo)明確以后，QC 小組針對出現(xiàn)的焊縫缺陷進(jìn)行了細(xì)致分析和解剖，按照“人，機，料，法，環(huán)，測”類別逐個分析找末端原因。

表3 縱縫定位焊裂紋缺陷原因分析

1.3.2 要因確認(rèn)

（1）定位焊預(yù)熱方法不合理

1）在定位焊長度100 mm、焊縫兩側(cè)各50 mm范圍內(nèi)，選取9 個點進(jìn)行溫度實時監(jiān)測，對比預(yù)熱溫度離散性，如圖1 所示。

2）達(dá)到預(yù)熱溫度后，對以上9 個點進(jìn)行實時監(jiān)測，監(jiān)測時間分別為5 min、10 min，如圖2、圖3所示。

3）按以上方法，任意選取3 組定位焊，監(jiān)測3 組數(shù)據(jù)。

圖1 烤槍預(yù)熱的溫度在同一區(qū)域的不均勻性

圖2 烤槍預(yù)熱的同一檢測區(qū)域5 min 的溫度下降曲線

圖3 烤槍預(yù)熱的同一檢測區(qū)域10 min 的溫度下降曲線

從以上試驗數(shù)據(jù)結(jié)果看，若采用烤槍預(yù)熱方式，預(yù)熱時間較長，而且溫度不均勻，10 min 以后溫度下降較快，不利于保溫；確認(rèn)結(jié)果為要因。

（2）定位焊長度、厚度及間距參數(shù)選擇不合理

通過對2 節(jié)鋼管分別采用定位焊工藝規(guī)定的上、下限工藝參數(shù)進(jìn)行效果檢查。統(tǒng)計見表4、表5。

表4 下限工藝參數(shù)焊接質(zhì)量檢查統(tǒng)計表 單位：mm

表5 上限工藝參數(shù)焊接質(zhì)量檢查統(tǒng)計表 單位：mm

通過兩組定位焊上、下限工藝參數(shù)的對比試驗，可以明顯看出，實際施工中，未結(jié)合工程特點，直接選取下限定位焊工藝參數(shù)，是造成定位焊裂紋的又一要因。

1.4 制定對策

對策優(yōu)化之后，小組按照5W1H 原則制定了對策表（見表6）。

表6 對策計劃表

1.5 對策實施

根據(jù)制定的對策表，QC 小組在施工全過程中按對策組織實施。

1.5.1 對策1：采用紅外線加熱墊預(yù)熱

小組成員選取采用紅外線加熱板預(yù)熱的方式，通過試驗證明采用紅外線加熱墊預(yù)熱，溫度均勻，溫差小于20 ℃，如圖4 所示；溫度下降緩慢，1 h 內(nèi)溫度降幅小于20 ℃；定位焊預(yù)熱溫度始終保持120～150 ℃范圍內(nèi)，縱縫正式開焊前溫度控制在100～120 ℃范圍內(nèi)，如圖5 和圖6 所示。

圖4 紅外線加熱板預(yù)熱溫度在同一區(qū)域的不均勻性

圖5 紅外線加熱板預(yù)熱的同一檢測區(qū)域5 min 的溫度 下降曲線

圖6 紅外線加熱板預(yù)熱的同一檢測區(qū)域10 min 的溫度 下降曲線

并在實際預(yù)熱過程中，采取多項試驗，反復(fù)論證，最終得出預(yù)熱區(qū)的寬度為焊縫中心線兩側(cè)各3倍板厚且不應(yīng)小于100 mm。

1.5.2 對策2：縱縫定位焊間距減少至200 mm

針對定位焊間距的問題，QC 小組制作了專用測量劃線工裝，在縱縫定位焊焊接前，利用工裝在母材坡口處進(jìn)行劃線標(biāo)識。定位焊接過程中，嚴(yán)格按照劃線標(biāo)識的區(qū)域進(jìn)行定位焊接，保證定位焊間距控制在200 mm。

實施結(jié)果表明，輔助使用測量工裝，能嚴(yán)格保證定位焊間距200 mm。

2 效果檢查與鞏固措施

2.1 效果檢查

通過QC 活動制定對策并實施后，截止2017 年6 月底，共制造102 個管節(jié)，未發(fā)生定位焊裂紋。

因此，小組得出結(jié)論：白鶴灘電站800 MPa 壓力鋼管縱縫定位焊裂紋缺陷已由14.6%降為0，達(dá)到設(shè)定目標(biāo)。

2.2 制定鞏固措施

我們將QC 活動中所采取的各項措施編入壓力鋼管制造焊接培訓(xùn)課件中，用以對相關(guān)管理人員及現(xiàn)場工人進(jìn)行系統(tǒng)的培訓(xùn)指導(dǎo)，并于2016 年10 月制定了《800 MPa 級高強鋼壓力鋼管定位焊作業(yè)指導(dǎo)書》、《焊接質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)及獎懲細(xì)則》，以保證這些措施能夠真正落實到位。

3 總結(jié)

通過本次QC 小組活動，根據(jù)PDCA 的程序，運用各種質(zhì)量管理工具、統(tǒng)計手段和專用工器具，經(jīng)過多次集中討論和現(xiàn)場試驗，擬定技術(shù)方案，改進(jìn)了壓力鋼管縱縫定位焊的焊接工藝，解決了800 MPa 級高強鋼定位焊裂紋的問題，保證了白鶴灘電站壓力鋼管制造質(zhì)量，為白鶴灘電站建成世界精品工程打下堅實的基礎(chǔ)，也為今后國內(nèi)外水電領(lǐng)域高強鋼的焊接提供了重要參考和借鑒。