國產(chǎn)800MPa級高強(qiáng)鋼及焊接技術(shù)在電站中應(yīng)用淺析

焦雄 鄧朝 董團(tuán)偉

摘要：隨著國產(chǎn)高強(qiáng)鋼生產(chǎn)和高強(qiáng)鋼焊接等關(guān)鍵技術(shù)的突破，并在國內(nèi)大型水電工程成功應(yīng)用，顯示出了高強(qiáng)鋼蝸殼管壁厚度薄，具有良好的低溫沖擊韌性的優(yōu)點(diǎn)，但是高強(qiáng)鋼碳當(dāng)量大，對延遲裂紋敏感性較強(qiáng)，選擇與其母材化學(xué)成分、力學(xué)性能相匹配的焊材和操作性強(qiáng)的焊接工藝參數(shù)尤為關(guān)鍵，在現(xiàn)場焊接過程中焊接質(zhì)量很難控制，在高溫、高濕的地下電站廠房中施工具有很大的挑戰(zhàn)。該文以烏東德右岸地下電站800MPa級高強(qiáng)鋼蝸殼焊接為例，分別從高強(qiáng)鋼材料選用、焊接工藝選定、焊接過程控制3個(gè)方面進(jìn)行分析論述，實(shí)踐證明：國產(chǎn)800MPa級鋼材質(zhì)量可靠，制定焊接工藝可操作性強(qiáng)，焊縫焊接質(zhì)量優(yōu)良，保證了蝸殼高強(qiáng)度、良好的沖擊韌性?？蔀槠渌笮退娬靖邚?qiáng)鋼蝸殼施工提供了重要的參考和借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：烏東德 高強(qiáng)鋼 焊接技術(shù) 工藝參數(shù) 質(zhì)量優(yōu)良

Application of Domestic 800mpa High Strength Steel and Welding Technology in Power Station

JIAO Xiong1DENG Zhao2DONG Tuanwei1

（1. Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project Construction Co.， Ltd.， Xi’an， Shanxi Province， 710010 China; 2.China Three Gorges Construction Management Co.， Ltd，Chengdu， Sichuan Province， 610094 China）

Abstract： With the breakthrough of key technologies such as domestic high-strength steel production and high-strength steel welding， and the successful application in domestic large-scale hydropower projects， it shows that the wall thickness of high-strength steel spiral case is thin and has the advantages of good low-temperature impact toughness.But the carbon equivalent of high strength steel is large and the sensitivity to delayed crack is strong. It is particularly critical to select welding materials that match the chemical composition and mechanical properties of the base metal and welding process parameters with strong operability. It is difficult to control the welding quality in the on-site welding process， and it is a great challenge in the construction of underground power plant under high temperature and humidity. Taking the welding of 800MPa high strength steel volute of Wudongde right bank underground power station as an example， this paper analyzes and discusses the selection of high strength steel materials， welding process selection and welding process control respectively. The practice shows that the quality of domestic 800MPa steel is reliable， the welding process is operable， and the welding quality is excellent， which ensures the high strength and good impact toughness of spiral case. It can provide important reference and reference value for the construction of high-strength steel spiral case in other large hydropower stations.

Key Words： Wudongde power station; High strength steel; Welding technology;Processing parameters; Good quality

1工程概況

金沙江烏東德水電站是金沙江下游河段四座水電站（烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩）中最上游的梯級電站，左右岸地下電站各安裝6臺單機(jī)容量85萬kW水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1020萬kW，多年平均發(fā)電量389.1億kW·h，正常蓄水位975.0m，總庫容74.3億m。

烏東德水電站右岸地下電站安裝的6臺單機(jī)容量為85萬kW的水輪機(jī)蝸殼由30個(gè)管節(jié)組成，總重約685t，通過補(bǔ)償節(jié)與對應(yīng)的6條壓力鋼管相連接，蝸殼進(jìn)口直徑為11.5m，除過渡段采用600MPa級高強(qiáng)度鋼板制造外，其余部位全部采用國產(chǎn)800MPa級低碳高強(qiáng)度調(diào)制鋼板制造，鋼板厚度為25～68mm不等，蝸殼管節(jié)的裝配編號從+X軸線起沿水流方向依次為V1～V25節(jié)，進(jìn)口管段沿水流方向依次為VE5～VE1其中，V1、V10、V20為定位節(jié)，V5、V15、VE5為補(bǔ)償節(jié)，補(bǔ)償節(jié)以瓦片供貨，VE4～V14、V24、V25分兩瓣，V16～V23以“C”形管節(jié)整節(jié)到貨。

2材料特性及焊接工藝

2.1鋼材選用

隨著我國鋼鐵工業(yè)技術(shù)發(fā)展，國產(chǎn)800MPa級高強(qiáng)鋼已在江蘇溧陽、內(nèi)蒙古呼蓄、江西洪屏等抽水蓄能電站壓力鋼管岔管中得到了應(yīng)用，且質(zhì)量可靠，應(yīng)用效果良好。

為進(jìn)一步推進(jìn)800MPa級高強(qiáng)鋼在水利水電工程中大規(guī)模推廣應(yīng)用，通過對首鋼、寶鋼、舞鋼等國內(nèi)知名大型鋼鐵公司調(diào)研，并分別對其生產(chǎn)的800MPa級高強(qiáng)鋼材料特性、力學(xué)性能、化學(xué)成分等指標(biāo)進(jìn)行對比篩選，通過招投標(biāo)，最終選定烏東德水電站蝸殼800MPa級高強(qiáng)鋼板由寶山鋼鐵股份有限公司提供。此鋼材屬于低碳高強(qiáng)度調(diào)制鋼，對延遲裂紋敏感性較強(qiáng)，且板材厚，按照《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T1591-2008）的和招標(biāo)文件要求，其力學(xué)性能和化學(xué)成分應(yīng)滿足表1、表2要求。

2.2焊接材料選用

鑒于焊縫焊接質(zhì)量對蝸殼整體質(zhì)量至關(guān)重要，故焊材選擇除滿足與母材等強(qiáng)、等韌性、等成分的原則外，還應(yīng)能全位置焊接，且滿足焊接接頭綜合力學(xué)性能又有較好工藝性能的超低氫焊條。通過對大西洋、昆山京群、中冶寶鋼、奧鋼聯(lián)等國內(nèi)外焊材生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的焊條進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，并經(jīng)過對其焊接接頭力學(xué)性能和化學(xué)成分檢測，以及可操作性綜合分析，滿足《高強(qiáng)鋼焊條》（GB/T 32533-2015）要求，為確保其焊接質(zhì)量達(dá)到精品工程要求，最終確定采用奧鋼聯(lián)生產(chǎn)的E11018-G H4焊條作為蝸殼焊接材料。

2.3焊接工藝參數(shù)選定

該機(jī)組蝸殼現(xiàn)場焊接主要工作包括：管節(jié)安裝縱縫、環(huán)縫;與壓力鋼管的補(bǔ)償節(jié)縱縫、環(huán)縫;大舌板安裝焊縫;蝶形邊焊縫及附件安裝焊縫，單臺蝸殼安裝焊縫熔敷金屬總量約為15t。具有焊接工程量大，焊接材料特殊，焊接質(zhì)量控制要求高等特點(diǎn)。

為高質(zhì)量完成800MPa級高強(qiáng)鋼蝸殼的安裝焊接工作，結(jié)合以往工程高強(qiáng)鋼焊接成功經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)新出一套高強(qiáng)鋼焊接成熟、高效的施工工藝和方法。分別對具有代表性平焊位、立焊位，非對稱“X”型坡口、“K”型坡口（檢查熔合線沖擊韌性）和14～25kJ/cm、25～35kJ/cm焊接線能量進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)。經(jīng)過對焊接工藝試板焊縫無損檢測、力學(xué)性能和化學(xué)成分檢測，檢測結(jié)果顯示：14～25kJ/cm的線能量輸入焊接接頭力學(xué)性能和化學(xué)成分滿足《水輪機(jī)金屬蝸殼現(xiàn)場制造安裝及焊接工藝導(dǎo)則》（DL/T 5070-2012）要求，且現(xiàn)場可操作性強(qiáng)。結(jié)合施工現(xiàn)場實(shí)際情況，并經(jīng)過組織專家評審，最終選擇制定了滿足焊接質(zhì)量控制要求且便于操作的焊接工藝參數(shù)和焊接工藝規(guī)程，焊接過程中根據(jù)不同板厚調(diào)整焊道和層數(shù)，其焊接工藝參數(shù)見表3。

3焊接過程質(zhì)量控制

3.1定位焊

為確保其有足夠的強(qiáng)度，防止在后續(xù)加熱或焊接過程中定位焊縫開裂損傷母材或引起管節(jié)變形，定位焊縫焊接工藝和對焊工要求與正式焊縫相同，原則上先焊焊縫中間部位，再焊焊縫兩端，每段定位焊縫長度為80～120mm且至少焊兩層，間距為300～400mm，厚度不宜大于正式焊縫厚度的1/2，厚度控制在8～12mm范圍內(nèi)。

定位焊預(yù)熱沿焊縫中心每側(cè)不小于3倍板厚，且大于150mm區(qū)域內(nèi)采用電加熱片進(jìn)行加熱，預(yù)熱溫度控制在140～170℃范圍內(nèi)，并嚴(yán)格控制焊接線能量、層間溫度。

3.2焊前預(yù)熱

對準(zhǔn)備施焊的焊縫，采用電加熱片進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱區(qū)的寬度應(yīng)為焊縫中心線兩側(cè)各3倍板厚，且不小于100mm。

溫度測量在距焊縫中心各50mm處對稱測量，而當(dāng)板厚大于70mm時(shí)，應(yīng)在距離焊縫中心各70mm處對稱測量溫度。每條焊縫測量點(diǎn)間距不大于500mm，溫度應(yīng)控制在120～150℃范圍內(nèi)。

3.3焊接施工

3.3.1基本要求

（1）焊條使用前，須經(jīng)350～400℃烘烤1～2h，然后放入經(jīng)提前通電加熱至80～150℃的保溫筒內(nèi)，隨用隨取，烘干的焊條在保溫筒內(nèi)存放時(shí)間不得超過4h，超過后，應(yīng)重新烘烤，焊條重復(fù)烘烤次數(shù)不允許超過2次，否則，報(bào)廢處理，啟封后的焊條，應(yīng)及時(shí)用完。

（2）焊縫應(yīng)連續(xù)焊接完成，若中途停止焊接，應(yīng)采取保溫措施，且不得低于預(yù)熱溫度，或者進(jìn)行后熱處理緩慢冷卻至室溫后，焊接前再加熱至預(yù)熱溫度。

（3）焊接時(shí)，為減少管節(jié)變形，應(yīng)采用多層多道、分段、退步、上下對稱、均勻焊接，擺寬不大于3倍焊條直徑，打底焊接時(shí)必須采用φ3.2mm焊條小電流焊接。

（4）每道焊接完畢，應(yīng)將熔渣及飛濺清理干凈，并作目視檢查，如發(fā)現(xiàn)缺陷應(yīng)及時(shí)磨除，嚴(yán)格按照焊接工藝修補(bǔ)后再作檢查，不允許帶缺陷進(jìn)行下一步操作，且每道焊接接頭應(yīng)錯開30～50mm。

（5）焊接至大坡口大于有效深度的1/2后，用碳弧氣刨進(jìn)行小坡口側(cè)焊縫的清根，清根時(shí)保持預(yù)熱溫度，清根后必須將1.5mm滲碳層和淬硬層鏟磨干凈， 采用PT/MT檢驗(yàn)合格后，進(jìn)行小坡口側(cè)焊縫焊接。

（6）禁止在坡口外母材表面引弧、息弧、試電流，應(yīng)設(shè)專用引弧板，若在焊縫外偶然起弧，必須打磨清理干凈，打磨深度不小于1mm，且應(yīng)采用PT檢測確認(rèn)無缺陷。

（7）臨時(shí)工卡具、吊耳等臨時(shí)構(gòu)件安裝焊接前，須堆焊隔離層以降低冷裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，隔離層厚度不小于5mm，隔離層邊緣距離角焊縫焊趾至少10mm，焊接過程，按照正式焊縫焊接工藝嚴(yán)格控制焊接溫度、線能量等參數(shù)。臨時(shí)附件選用熱工藝清除時(shí)，應(yīng)采取特殊防護(hù)措施，防止損壞母材，且應(yīng)打磨去除隔離層，打磨區(qū)域按照規(guī)范要求進(jìn)行PT或者M(jìn)T檢測確認(rèn)無缺陷。

（8）蝸殼縱縫、環(huán)縫，蝸殼與過渡段焊縫的正、背縫蓋面層須采用φ3.2mm焊條進(jìn)行直通焊，且蓋面層焊縫由兩側(cè)往中間焊接，以便進(jìn)行回火焊道焊接，即在蓋面層的最后一條焊道上再焊接一道，同時(shí)，需要注意：回火焊道不允許焊在焊縫兩側(cè)，焊接完成后，應(yīng)將超高區(qū)域打磨去除。

（9）蝸殼焊縫不同板厚須進(jìn)行打磨過渡，打磨長度應(yīng)不小于3倍板厚差，焊縫若咬邊尺寸小于1mm，允許通過鏟磨進(jìn)行修復(fù)。每條焊縫焊接完成后，均應(yīng)在熱態(tài)下立即進(jìn)行焊后熱處理。

（10）焊接順序：拼裝縱縫焊接—鼻端焊縫焊接—一般管節(jié)環(huán)縫焊接—湊合節(jié)縱縫焊接—湊合節(jié)環(huán)縫焊接—上下蝶形邊焊縫焊接—進(jìn)水口直管段環(huán)縫焊接—直管段與大舌板對接縫焊接—直管段與壓力鋼管出口湊合節(jié)縱縫焊接—直管段湊合節(jié)環(huán)縫焊接—附件安裝焊縫焊接。整個(gè)蝸殼管節(jié)的安裝環(huán)縫焊接順序與蝸殼掛裝調(diào)整順序一致，不得跳躍。

3.3.2普通管節(jié)焊接

普通管節(jié)焊縫焊接，根據(jù)焊縫長度，每班由4～8名焊工均布同時(shí)對稱施焊，在整個(gè)焊接過程中，應(yīng)隨時(shí)檢查變形情況，并根據(jù)變形情況及時(shí)調(diào)整焊接順序或焊接位置，控制焊接變形。

3.3.3碟形邊焊縫焊接

（1）焊接時(shí)應(yīng)由8～10名焊工同時(shí)、對稱、分段、退焊，并保持焊接速度一致，碟形邊焊接應(yīng)連續(xù)進(jìn)行直至焊完不宜間斷，如無法連續(xù)施焊，焊接應(yīng)完成板厚的2/3以上，中斷過程中須保持預(yù)熱溫度。

（2）先焊接下碟形邊，后焊接上碟形邊;結(jié)合焊接坡口形式，先焊接坡口的仰（橫）焊位置側(cè)，焊接到板厚的1/3以上后，進(jìn)行坡口平（橫）焊位置側(cè)清根焊接。

（3）碟形邊焊接過程中應(yīng)全程監(jiān)測，防止座環(huán)水平、圓度、方位和中心發(fā)生位移或變形。

3.3.4補(bǔ)償節(jié)焊接

（1）蝸殼與壓力鋼管連接的VE5補(bǔ)償節(jié)環(huán)縫，須在過渡段與蝸殼蝶形邊焊縫全部焊接完成后再進(jìn)行焊接，VE5補(bǔ)償節(jié)的縱縫和與VE4連接的第一條環(huán)縫焊接方法與蝸殼其他縱縫和環(huán)縫焊接工藝要求相同。

（2）VE5補(bǔ)償節(jié)第二條與壓力鋼管連接的環(huán)縫為合攏環(huán)縫，屬于封閉焊接，拘束應(yīng)力較大，封底焊時(shí)宜采用分段、退步、疊型、對稱施焊。疊焊長度為300～400mm，該焊縫焊接期間應(yīng)連續(xù)完成，不得間斷，焊接優(yōu)先選擇使用φ3.2mm 焊條施焊，以減小焊縫拘束應(yīng)力。

（3）第二條環(huán)縫（或預(yù)留環(huán)縫）焊接時(shí)，應(yīng)按焊接工藝要求進(jìn)行120～150℃預(yù)熱，焊后立即后熱，焊接接頭后熱溫度應(yīng)控制在200～250℃范圍內(nèi)保持4h，然后緩冷。

（4）連接壓力鋼管段的補(bǔ)償節(jié)最后一條環(huán)縫在管節(jié)配割坡口制備時(shí)，應(yīng)保證坡口間隙控制在0～4mm范圍內(nèi)，當(dāng)間隙大于4mm時(shí)，可按規(guī)范要求進(jìn)行堆焊處理。

3.3.5缺陷處理

（1）焊縫內(nèi)部或表面發(fā)現(xiàn)有裂紋等危險(xiǎn)性缺陷時(shí)，嚴(yán)禁私自返修，應(yīng)進(jìn)行分析，找出原因，制訂可靠措施后，方可進(jìn)行缺陷處理。

（2）焊縫內(nèi)部缺陷應(yīng)用碳弧氣刨或砂輪將缺陷清除并用砂輪將缺陷位置修磨成便于焊接的凹槽，焊補(bǔ)前應(yīng)檢查。若缺陷為裂紋，則應(yīng)采用MT或PT有關(guān)規(guī)定檢測，確認(rèn)裂紋已經(jīng)消除，方可焊補(bǔ)。

（3）焊補(bǔ)的焊縫須按照正式焊縫焊接工藝進(jìn)行預(yù)熱、后熱，并焊回火焊道，打磨過渡處理。

（4）同一部位的返修次數(shù)一般不允許超過一次。如果焊縫返修部位再次發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷時(shí)，啟動二次返修程序。二次返修必須由參建各方共同進(jìn)行原因分析和研究制定可靠的返修工藝。二次返修過程中，應(yīng)詳細(xì)記錄二次返修部位的缺陷性質(zhì)、大小、位置及返修后的無損檢測結(jié)果。

（5）蝸殼內(nèi)、外壁的局部凹坑深度不大于板厚的10%且不大于2mm，可用砂輪打磨，平滑過渡，凹坑深度大于板厚的10%或大于2mm的，應(yīng)進(jìn)行焊補(bǔ)處理，焊補(bǔ)前應(yīng)用碳弧氣刨或砂輪將凹坑修磨成便于焊接的凹槽，再行焊補(bǔ)。如需預(yù)熱、后熱，預(yù)熱溫度應(yīng)比正式焊縫預(yù)熱溫度高出20～30℃。焊補(bǔ)后進(jìn)行后熱。焊補(bǔ)后應(yīng)用砂輪將焊補(bǔ)處磨平，并采用MT或PT進(jìn)行無損檢測，確認(rèn)無缺陷。

（6）蝸殼內(nèi)、外壁鋼板表面不得有電弧擦傷和硬物擊痕，若有擦傷或擊痕應(yīng)采用砂輪將其打磨清除，并采用PT/MT檢查確認(rèn)無微裂紋。

3.4質(zhì)量控制要點(diǎn)

高強(qiáng)鋼蝸殼焊縫及熱影響區(qū)多數(shù)工況下承受拉伸載荷，其焊縫焊接是影響鋼結(jié)構(gòu)蝸殼質(zhì)量的關(guān)鍵，焊接接頭的韌性是焊接結(jié)構(gòu)蝸殼使用性能的主要指標(biāo)，關(guān)系到蝸殼服役期間的穩(wěn)定性和安全性。

由于烏東德水電站為地下廠房，施工環(huán)境較為惡劣，蝸殼內(nèi)焊接施工環(huán)境溫度高、濕度大，長時(shí)間施工，焊工體力消耗較大，對焊接質(zhì)量影響較大，因此，為高質(zhì)量完成烏東德水電站800MPa級高強(qiáng)鋼焊接，保證熱影響區(qū)的組織狀態(tài)不受到破壞，在焊接過程中應(yīng)嚴(yán)格限制焊接線能量（14～25kJ/cm），盡量減少焊條的橫向擺動寬度（不大于3倍焊條直徑），從而有效控制焊接線能量。

焊接線能量過大，易使熱影響區(qū)奧氏體晶粒粗大，產(chǎn)生大量粗大魏氏組織，熱影響區(qū)沖擊韌性降低，相反，焊接線能量減小，對熱影響區(qū)過熱程度較輕，奧氏體晶粒長大不嚴(yán)重。對此，線能量作為焊接質(zhì)量控制的重要指標(biāo)，在施工過程中，線能量最直接的控制方法是控制焊接速度，通常通過測定每根焊條的施焊時(shí)間來進(jìn)行計(jì)算。

線能量計(jì)算公式：

L—焊接長度（cm）

t—焊接時(shí)間（s）

I—焊接電流（A）

U—焊接電壓（V）

4結(jié)語

烏東德工程鋼蝸殼的焊接是國產(chǎn)800MPa高強(qiáng)首次大規(guī)模運(yùn)用的成功案例。為推動了國產(chǎn)800MPa級高強(qiáng)鋼在水利水電工程中大規(guī)模推廣應(yīng)用，提供了有利條件;在保證了蝸殼高強(qiáng)度、高沖擊韌性的前提下，制定了可操作性強(qiáng)的低焊接線能量焊接工藝，其過程控制、質(zhì)量把控良好，蝸殼焊縫經(jīng)內(nèi)部質(zhì)量探傷檢測，一次檢測合格率達(dá)到99.2%，沒有出現(xiàn)二次返修現(xiàn)象，焊接質(zhì)量評定為優(yōu)良，其安裝焊接質(zhì)量得到了建設(shè)單位和質(zhì)量監(jiān)督部門的認(rèn)可，取得了很好的應(yīng)用效果，值得其他工程借鑒和參考。

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