埋弧自動焊技術(shù)在高強鋼超大型鋼管環(huán)縫上的應(yīng)用研究

張遠(yuǎn)望

(中國葛洲壩集團(tuán)機電建設(shè)有限公司，四川 成都 610091)

向家壩水電站右岸壩后廠房電站共設(shè)3條大型壓力鋼管，內(nèi)徑φ9.2 m、水頭84.365 m。斜管段高程301.80 m以上采用Q345R鋼材，厚度為24～32 mm，斜管段中部以下管節(jié)選用600 MPa級別07MnMoVR高強鋼材，厚度為32～46 mm，總工程量為5 296.2 t，由于現(xiàn)場環(huán)境的影響，壓力鋼管制作安裝工期任務(wù)緊、技術(shù)要求高、施工難度很大。

1 問題的提出

水電站壓力鋼管的焊接，長期以來一直以傳統(tǒng)的手工電弧焊技術(shù)為主。三峽一期工程我公司成功研究了600 MPa級高強鋼超大型壓力鋼管縱縫全位置氣保焊接技術(shù)，但由于該項焊接技術(shù)對坡口加工、坡口組裝、焊接環(huán)境、保護(hù)氣體、焊接位置等諸多環(huán)節(jié)要求較高，對仰焊縫而言焊縫成形不好，質(zhì)量不太穩(wěn)定[1]，故全位置氣保焊在環(huán)縫上一直受到制約難以推廣應(yīng)用。近年來，焊劑埋弧自動焊接技術(shù)逐步由壓力容器行業(yè)應(yīng)用到水電站壓力鋼管的制造焊接上，但受到壓力鋼管直徑影響，一般在直徑6 m以內(nèi)應(yīng)用比較成熟，但像向家壩工程這樣超大型壓力鋼管直徑在9.2 m及以上的，采用焊劑埋弧自動焊的尚無先例。同時600 MPa級高強鋼在采用焊劑埋弧自動焊焊接技術(shù)在實際使用時，仍存在相應(yīng)的一些關(guān)鍵技術(shù)難題。

隨著水電建設(shè)的高速發(fā)展和機組參數(shù)的不斷增大，大直徑厚壁壓力鋼管的焊接必須采用先進(jìn)的全位置自動化焊接技術(shù)才能適應(yīng)施工生產(chǎn)及科技發(fā)展的需要。

2 確定壓力鋼管環(huán)縫自動焊焊接方法

水電站高強鋼壓力鋼管自動焊可采用的焊接方式有氣體保護(hù)焊或埋弧自動焊。一般氣體保護(hù)焊受環(huán)境風(fēng)力影響較大，對環(huán)境要求高。埋弧自動焊對施工環(huán)境要求相對較低，焊接質(zhì)量穩(wěn)定。對于長直焊縫及板厚較厚的焊縫，其效率可達(dá)到手工電弧焊的5～10倍。超大型壓力鋼管本體壁厚厚，直徑大，環(huán)縫長度長，填充量大，采用埋弧自動焊更能有效提高焊接效率[2]。其缺點為只能在平焊位進(jìn)行焊接，而一般壓力鋼管環(huán)縫為全位置焊縫(臥拼)或者橫焊縫(立拼)，解決埋弧自動焊對壓力鋼管環(huán)縫工位的需求是埋弧自動焊實施的關(guān)鍵。

3 解決埋弧自動焊對環(huán)縫焊接工位的要求

壓力鋼管制作時兩節(jié)立拼成摞節(jié)后，環(huán)縫為橫焊位，如果采用臥拼方式組對，壓力鋼管環(huán)縫為全位置焊縫，而埋弧自動焊適用于平焊位置的焊接。對于超大型壓力鋼管，其直徑大，管壁厚，重量中，結(jié)合鋼管制作廠龍門吊的起吊高度，為此我們設(shè)計摞節(jié)鋼管翻身工位、埋弧自動焊焊接工位，通過增設(shè)埋弧焊坑和管節(jié)翻身坑，使得制作廠內(nèi)龍門吊起吊高度不足難題得到解決，同時減小壓力鋼管外露高度，降低了操作安全風(fēng)險。埋弧自動焊工位低于地面2 m，摞節(jié)翻轉(zhuǎn)90°立放于滾焊臺車上。埋弧自動焊焊接位置內(nèi)縫設(shè)在底部，外縫設(shè)在最頂部，埋弧自動焊機相對壓力鋼管底部、頂部不動，通過滾焊臺車帶動鋼管旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行摞節(jié)環(huán)縫的焊接，見圖1。

圖1 環(huán)縫埋弧自動焊工位設(shè)置圖

為了使壓力鋼管摞節(jié)能圍繞管節(jié)中心勻速平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，根據(jù)壓力鋼管摞節(jié)重量，我們選用了80 t級別滾焊臺車，滾輪間距4 700 mm，兩組臺車之間距離可根據(jù)壓力鋼管管節(jié)長度進(jìn)行調(diào)整。同時設(shè)計制造兩套移動焊接龍門架平臺用于鋼管外壁環(huán)縫的焊接。

4 研究解決600 MPa級高強鋼環(huán)縫加熱問題

壓力鋼管焊縫加熱采用遠(yuǎn)紅外陶瓷加熱板進(jìn)行加熱。傳統(tǒng)的方式是將加熱板鋪設(shè)在焊縫兩側(cè)，采用磁扁擔(dān)固定。在焊接中存在易脫落、加熱線打絞等缺點。

我們根據(jù)壓力鋼管圍繞中心轉(zhuǎn)動的特點，設(shè)計制作了弧形胎架，將加熱板固定在胎架上，在中心進(jìn)行加熱，使加熱板把外環(huán)縫包裹起來，頂上露出焊接區(qū)域，見圖2。在加熱過程中，弧形胎架固定不動，鋼管轉(zhuǎn)動進(jìn)行加熱。解決了傳統(tǒng)加熱方式的缺點，同時減少了加熱板的使用數(shù)量，既節(jié)約鋪設(shè)時間又便于焊接正常進(jìn)行，降低了施工成本。

圖2 高強鋼環(huán)縫加熱裝置圖

5 研究設(shè)計壓力鋼管防竄動裝置

為防止鋼管摞節(jié)在轉(zhuǎn)動過程中發(fā)生軸向擺動，環(huán)縫位置相對于埋弧自動焊機變化，在滾焊臺車側(cè)向設(shè)計導(dǎo)向輪，同時使?jié)L焊臺車兩側(cè)輪子不在一個平面，形成一個高程差，使鋼管轉(zhuǎn)動時向高度低的一側(cè)傾斜，這樣導(dǎo)向輪緊貼在鋼管加勁環(huán)上，起到定位的作用，防止了環(huán)縫的竄動，有效的保證了埋弧自動焊焊接質(zhì)量，見圖3。

圖3 環(huán)縫埋弧自動焊防竄動裝置圖

6 應(yīng)用意義

埋弧自動焊技術(shù)在600 MPa級高強鋼超大型壓力鋼管上的應(yīng)用研究，解決埋弧自動焊在600 MPa高強鋼且直徑在9 m及以上焊接時的有關(guān)技術(shù)問題，已成功指導(dǎo)了向家壩水電站擴機壓力鋼管的埋弧自動焊接，各項指標(biāo)、各種性能檢測全部達(dá)到國家行業(yè)技術(shù)規(guī)程規(guī)范及設(shè)計要求。壓力鋼管制造摞節(jié)環(huán)縫埋弧自動焊接技術(shù)，加快了制造安裝進(jìn)度。半年時間完成4 538 t壓力鋼管制作安裝任務(wù)，進(jìn)度、質(zhì)量均達(dá)到全年生產(chǎn)任務(wù)要求。同時壓力鋼管摞節(jié)環(huán)縫焊接效率大幅提高，焊接一次合格率達(dá)到99.8%以上，為壓力鋼管安裝進(jìn)度提供了可靠的保證。

同時該技術(shù)研究創(chuàng)新性的解決了埋弧自動焊技術(shù)應(yīng)用在600 MPa級高強鋼超大型壓力鋼管上的有關(guān)技術(shù)難題，填補了超大直徑壓力鋼管的環(huán)縫埋弧自動焊技術(shù)的空白。對后續(xù)高強鋼超大型壓力鋼管制造、安裝縮短工期、降低成本、提高質(zhì)量等方面有著重大參考、示范意義。