國產(chǎn)S690QL鋼在水電站壓力鋼管的應(yīng)用

李儉

摘要：老撾色邊色納姆水電站采用國內(nèi)生產(chǎn)的S690QL低合金調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼板，這種高強(qiáng)鋼在焊接過程容易出現(xiàn)冷裂紋、熱影響區(qū)（HAZ）軟化和脆化的問題，對焊接技術(shù)要求高，焊接難度大。為確保壓力鋼管的制作、安裝質(zhì)量，編制了詳細(xì)的焊接工藝，通過焊接性能試驗(yàn)和配套焊材研究，探索出了線能量可靠的、適用于大批量高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品制造的焊接工藝技術(shù)，形成了一套具有極高實(shí)際操作價(jià)值的焊接工藝評定方案。對國內(nèi)外同類型高強(qiáng)度壓力鋼管的制作和安裝有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：S690QL高強(qiáng)鋼，焊接工藝，水電站，壓力鋼管

Application of Domestic S690QL Steel in Penstock of Hydropower Station

LI Jian

（Sinohydro Jiajiang Hydraulic Machinery Co.， Ltd.， Leshan， Sichuan Province， 614100 China）

Abstract： The low alloy S690QL steel plate is used for the Xe Pian-Xe Namnoy hydropower station in Laos. The high strength steel is easy to appear cold crack， HAZ softening and embrittlement in the welding process， which requires high welding technology and is difficult to weld. In order to ensure the fabrication and installation quality of penstock， a detailed welding process is developed. Through the welding performance test and the research of supporting welding materials， the welding technology which is reliable in line energy and suitable for large quantities of high-strength steel structure products manufacturing is explored， and a set of welding process evaluation scheme with extremely high practical value is formed. It is of great significance for the manufacture and installation of the same type of high-strength Penstock at home and abroad.

Key Words： High strength steel of the S690QL; Welding procedure; Hydropower station; Penstock

1.概述

老撾色邊色納姆水電站位于老撾南部占巴色省和阿速坡省境內(nèi)，工程總裝機(jī)410MW，共4臺機(jī)組。工程由水庫、輸引水系統(tǒng)、廠房等建筑物組成。引水系統(tǒng)由調(diào)壓井、引水隧洞、壓力管道、尾水渠組成，采用四管四機(jī)布置形式，壓力管道包括高壓主管、岔管和高壓支管，其中連接引水隧洞和水輪機(jī)的戶外壓力鋼管及支管、岔管均采用S690QL鋼材，設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為7.25MPa，壓力鋼管管徑3.6m，壁厚34～56mm，軸線長度約769米，岔管管壁厚度46～64mm，月牙肋厚度120mm，單個(gè)岔管最重達(dá)53.81噸，總質(zhì)量約3095噸。本工程800MPa級鋼材采用首鋼集團(tuán)秦皇島首秦金屬材料有限公司生產(chǎn)的牌號為S690QL的高強(qiáng)鋼板。這是國產(chǎn)800MPa級S690QL鋼首次在大型高水頭電站上進(jìn)行應(yīng)用，無論是制造，還是安裝，均有一定難度。

2.材料性能

根據(jù)合同要求，該項(xiàng)目用壓力鋼管材料的選擇須根據(jù)歐洲EN10025-6標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選取，歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN10025-6屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度滿足該工程要求的鋼材為S690QL，該規(guī)范要求的S690QL鋼板的化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2，沖擊韌性值見表3。

注：表列數(shù)值為 3 個(gè)試樣的平均值，同時(shí)規(guī)定其中一個(gè)試樣的最小值不應(yīng)低于平均值的 30%。

S690QL的最小屈服強(qiáng)度可達(dá)到690MPa，屬于低合金高強(qiáng)鋼，具有足夠高的強(qiáng)度、低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度和一定的延伸率，機(jī)械性能優(yōu)良^[1]。然而高強(qiáng)鋼的缺點(diǎn)就在于其較差的焊接性和局限性^[1]。S690QL交貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)狀態(tài)（淬火+回火），在低碳的基礎(chǔ)上加入了可以提高淬硬性的合金元素，焊后組織為馬氏體，其轉(zhuǎn)變溫度Ms較高，若在Ms點(diǎn)附近冷卻速度過快，來不及“自回火”，冷裂傾向較大。加入Cr，V，Nb，V等合金元素提高了淬硬性，這些元素會引起再熱裂紋。焊接過程中如果線能量過大或冷卻速度較慢，則在焊接熱影響區(qū)極易發(fā)生軟化或脆化現(xiàn)象。因此在制定焊接工藝時(shí)應(yīng)著重注意焊接熱輸入、預(yù)熱溫度、層間溫度的控制，為避免冷裂紋的產(chǎn)生，盡量降低焊接接頭的含氫量。并且采用合適的線能量進(jìn)行焊接，減少高溫停留時(shí)間，降低熱影響區(qū)脆化程度^[3]。

3.焊接工藝

本工程設(shè)計(jì)水頭高，且采用800MPa級的S690QL鋼制造壓力鋼管、岔管和支管，無論制造還是安裝均有一定的難度，經(jīng)從800MPa級材料的比選、下料、拼裝、焊接、安裝、檢測、試驗(yàn)等多方面全面綜合考慮，認(rèn)為保證壓力鋼管制造和安裝質(zhì)量的關(guān)鍵在于制定合理的焊接工藝措施，并且對焊接工藝參數(shù)及生產(chǎn)過程進(jìn)行嚴(yán)格的控制^[4]。S690QL鋼在我國水電站上應(yīng)用較少，可以獲得的技術(shù)資料有限，因此有必要通過焊接工藝評定試驗(yàn)來評價(jià)鋼材及其配套焊材的焊接性，為焊接施工提供可靠的依據(jù)。

3.1焊接方案的制定

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場施工情況，針對19mm×40mm的鋼板對接，本項(xiàng)目制定了兩套試驗(yàn)方案，方案一是采用埋弧焊方法，方案二是采用焊條電弧焊方法。若試件評定合格，則此工藝可支持采用埋弧焊或手工電弧焊的所有對接及角接接頭。焊接工藝評定試驗(yàn)嚴(yán)格按照DL/T5017-2007《水電水利工程壓力鋼管制造及安裝驗(yàn)收規(guī)范》及ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第IX卷《焊接及釬焊評定》等國內(nèi)外權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，全面考察試板接頭的力學(xué)性能、致密性及連續(xù)性。

3.1.1試驗(yàn)鋼板

試驗(yàn)鋼板的化學(xué)成分見表4，機(jī)械性能見表5.

3.1.2試驗(yàn)焊材

試驗(yàn)用焊材是由天津大橋有限公司為S690QL焊接研制的專用配套焊材，其相關(guān)內(nèi)容見表6.

3.2坡口準(zhǔn)備

準(zhǔn)備尺寸為為19mm×40mm的S690QL鋼板4件，開X型坡口，坡口角度、根部鈍邊、根部間隙見圖1所示，埋弧焊采用平焊位置，手工電弧焊采用立焊位置。

3.3焊接前預(yù)熱溫度及層間溫度的控制

預(yù)熱主要是為了降低焊接接頭的冷卻速度，防止裂紋的產(chǎn)生，提高抗裂性能。焊接過程中要嚴(yán)格控制層間溫度，避免層間溫度過高，使熱影響區(qū)的溫度下降。本試驗(yàn)中，焊前預(yù)熱溫度控制在100～150℃，焊接過程中最大層間溫度不超過200℃。

3.4焊接工藝參數(shù)

要開發(fā)出適用于高強(qiáng)鋼焊接的焊接工藝技術(shù)是非常復(fù)雜的工作，需要同時(shí)考慮很多因素。其中最重要的一個(gè)因素就是焊接熱輸入，需要將焊接熱輸入限制在一定合理范圍內(nèi)，因此焊接過程中應(yīng)選用合適的電流、電壓、焊接速度等工藝參數(shù)，以獲得最佳熱輸入^[5]，焊接過程中采用的焊接工藝參數(shù)見表7，表8所示。

3.5焊接過程控制措施

（1）焊前預(yù)熱溫度為100℃～120℃，預(yù)熱范圍在點(diǎn)焊位置大于3倍板厚范圍。焊接結(jié)束前應(yīng)確保焊縫溫度維持在合理的溫度區(qū)間范圍之內(nèi)。

（2）引弧或者息弧要在坡口內(nèi)或引弧、息弧板上進(jìn)行，禁止在坡口以外的母材表面引弧，注意接頭處、道間、層間的清理^[6]。

（3）焊接過程中，焊道要控制好厚度，不要太厚或者太薄，不要使焊道過寬，盡量采取窄焊道，使焊道成型良好。

（4）焊接過程中不能隨意停止焊接。開始施焊后要連續(xù)焊接完成，若由于各種原因?qū)е峦Ｖ故┖福瑧?yīng)對加熱部位進(jìn)行保溫直至再次施焊或立即進(jìn)行后熱處理。

（5）若出現(xiàn)焊接中止的情況，重新開始焊接作業(yè)前，須先確認(rèn)已焊部位無裂紋，重新按要求預(yù)熱后方可繼續(xù)施焊。

3.6 焊接結(jié)果及分析

3.6.1 無損檢測

根據(jù)合同技術(shù)條款及相關(guān)規(guī)范要求，焊接完成后48小時(shí)對試件進(jìn)行無損檢測，包括焊縫外觀檢查、射線檢測，檢測結(jié)果表明未出現(xiàn)任何缺陷，滿足AWSD1.1標(biāo)準(zhǔn)和合同要求。

3.6.2宏觀金相檢驗(yàn)

焊縫金屬宏觀金相照片表明焊縫融合良好，無裂紋、未熔合、未焊透、氣孔、夾雜等缺陷。

3.6.3彎曲試驗(yàn)

根據(jù)合同技術(shù)規(guī)范和ASME標(biāo)準(zhǔn)要求，將加工好的4件側(cè)彎試樣進(jìn)行彎曲，彎曲時(shí)壓頭直徑d為60mm，彎曲角度為180°，對彎曲后的試樣進(jìn)行檢查，試驗(yàn)結(jié)果滿足GB/T2653-2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

3.6.4拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)執(zhí)行GB/T2651-2008標(biāo)準(zhǔn)，將加工好的4件拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，檢測拉伸強(qiáng)度，實(shí)測抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率均大于標(biāo)準(zhǔn)值。

3.6.5沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)執(zhí)行GB/T2650-2008標(biāo)準(zhǔn)，將準(zhǔn)備好的沖擊試樣（取樣位置位于上、下表面，缺口位置分別位于焊縫中心、熱影響區(qū)，每組3件試樣，規(guī)格尺寸10mm×10mm×55mm）放在沖擊試驗(yàn)機(jī)上，在-20℃下進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，其吸收能量滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3.6.6硬度檢測

對焊接結(jié)構(gòu)的上、中、下表面各一排進(jìn)行布氏硬度檢測，每排包含焊縫、兩側(cè)的熱影響區(qū)、兩側(cè)的母材，每個(gè)區(qū)域各三個(gè)單獨(dú)的壓痕，硬度均沒有超過標(biāo)準(zhǔn)值，滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T231.1-2009規(guī)范要求。

兩個(gè)試驗(yàn)方案的實(shí)施過程及檢測結(jié)果表明，試件的無損檢測及機(jī)械性能均滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，具備可行性，可以指導(dǎo)施工。在施工現(xiàn)場可以根據(jù)操作空間、焊接工件的結(jié)構(gòu)尺寸和環(huán)境條件等進(jìn)行靈活選擇。

4.壓力鋼管制造與安裝過程質(zhì)量控制

為了保證施工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，所有800MPa級鋼管縱縫焊接、加筋環(huán)、止推環(huán)焊接均采用埋弧焊，定位焊、焊接缺陷返修、安裝環(huán)縫焊接均采用手工電弧焊。焊接過程嚴(yán)格按照制定的焊接工藝規(guī)程執(zhí)行，同時(shí)鑒于本項(xiàng)目所采用S690QL鋼材的特殊性，除嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程進(jìn)行作業(yè)外，在以下方面也必須予以特別控制：

4.1 焊接質(zhì)量控制要點(diǎn)

（1）所有焊接作業(yè)，必須由持有焊工資格證，且通過現(xiàn)場考核，具有類似鋼結(jié)構(gòu)焊接經(jīng)驗(yàn)的合格焊工完成。

（2）建立焊縫追溯制度，每條焊縫必須標(biāo)識相應(yīng)的焊工編號，以方便出現(xiàn)焊接缺陷進(jìn)行倒查，并對每條焊縫的編號、焊工編號、焊接時(shí)間、探傷結(jié)果進(jìn)行記錄，每月底對當(dāng)月焊接質(zhì)量進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)措施。

（3）定期組織質(zhì)量工程師、焊工進(jìn)行學(xué)習(xí)，貫徹相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、工藝要求，分析質(zhì)量問題的原因，并及時(shí)進(jìn)行改正，不斷提升質(zhì)量管理水平。

（4）焊材的儲存、烘焙和使用嚴(yán)格按照相關(guān)制度執(zhí)行。

（5）焊接過程，必須嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程進(jìn)行操作，不得隨意改變焊接工藝參數(shù)。

（6）根據(jù)工藝評定報(bào)告，對需要預(yù)熱的焊縫必須按照要求進(jìn)行焊前預(yù)熱，其定位焊縫和主縫均應(yīng)預(yù)熱，且定位焊預(yù)熱溫度較主焊縫預(yù)熱溫度提高20～30℃，并在焊接過程中保持預(yù)熱溫度;層間溫度不應(yīng)低于預(yù)熱溫度，且不高于200℃。

（7）每次焊接作業(yè)前，應(yīng)將所有擬焊面及坡口兩側(cè)各50mm～100mm范圍內(nèi)的銹污、氧化皮、油污、水及其他雜物清理干凈;每道焊縫焊完后都要及時(shí)將雜物清理干凈，并經(jīng)檢查合格后才可繼續(xù)進(jìn)行焊接作業(yè)^[7]。

（8）焊接過程中注意檢查層間溫度和層間清理。層間溫度檢查應(yīng)在每層開焊前測量，層間溫度最低不能低于最低預(yù)熱溫度100℃，最高溫度不超過200℃。層間清理應(yīng)保證下道焊接時(shí)能熔合良好。

（9）每條焊縫應(yīng)連續(xù)焊完，當(dāng)因故中斷焊接時(shí)，應(yīng)立即采取后熱處理（按溫度控制流程），防止產(chǎn)生裂紋。在重新焊接前，應(yīng)將表面清理干凈，確認(rèn)無裂紋后，開始預(yù)熱，方可按原工藝?yán)^續(xù)施焊。

5.結(jié)論

（1）國產(chǎn)800MPa級高強(qiáng)鋼S690QL在老撾色邊色納姆水電站得到了成功應(yīng)用，該項(xiàng)目從2019年并網(wǎng)發(fā)電投入運(yùn)行以來，一直運(yùn)行良好，壓力鋼管的制作安裝質(zhì)量經(jīng)受住了考驗(yàn)，可以為國內(nèi)外同類型電站壓力鋼管的制作、安裝提供一定的借鑒和指導(dǎo)。

（2）近年來，隨著水電行業(yè)的不斷發(fā)展，水電站設(shè)計(jì)水頭和裝機(jī)容量不斷提高，對水電站壓力鋼管用鋼的強(qiáng)度、韌性、可焊性等方面的要求也越來越高?？估瓘?qiáng)度800MPa級別的易焊接高強(qiáng)度鋼板在大型水電站和抽水蓄能電站應(yīng)用愈加廣泛。通過對800MPa級高強(qiáng)鋼進(jìn)行研究、推廣應(yīng)用，解決高強(qiáng)、特厚水電鋼制造、應(yīng)用難題，可以為工程施工提供借鑒和指導(dǎo)，滿足水電發(fā)展需要，推動水電升級和高效制造，取得較好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

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