蘇洼龍水電站壓力鋼管雙絲埋弧焊探析

杜 洪 斌

(華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司蘇洼龍分公司，四川 成都 610041)

1 概 述

蘇洼龍水電站引水系統(tǒng)布置在金沙江左岸，采用一管一機(jī)供水方式，4條引水隧洞平行布置，壓力鋼管安裝位于引水隧洞下平段。壓力鋼管采用600 MPa級(jí)鋼板制造，鋼管直徑Φ10 m/Φ8.4 m，鋼板厚度30 mm/32 mm/36 mm/40 mm，加勁環(huán)、阻水環(huán)、止推環(huán)采用500 MPa級(jí)鋼板，鋼板厚度20 mm。其中1～4號(hào)引水隧洞壓力鋼管長(zhǎng)度分別為121.894 m、123.623 m、94.354 m和124.08 m，共計(jì)463.951 m，共有161節(jié)鋼管，其中125節(jié)帶加勁環(huán)，36節(jié)為光面管。壓力鋼管制造安裝工程量約4 100 t。因在洞內(nèi)采用智能化組焊技術(shù)，配套選擇了埋弧自動(dòng)焊接工藝焊接壓力鋼管的縱縫和環(huán)縫。在一般的壓力鋼管制造過程中，采用單絲埋弧焊進(jìn)行焊接。而根據(jù)相關(guān)研究，雙絲埋弧焊能夠在不增加人工、確保焊接質(zhì)量的同時(shí)，將焊接效率提高2～3倍，顯然有利于壓力鋼管制造進(jìn)度[1]。為了驗(yàn)證雙絲埋弧焊焊接工藝的可行性，結(jié)合2 400 m高海拔地區(qū)600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼的應(yīng)用特點(diǎn)，依據(jù)先進(jìn)技術(shù)和工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件，在雙絲埋弧焊焊接工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開展了蘇洼龍水電站壓力鋼管新技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用工作。

2 焊接工藝試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用材料為厚度δ=30 mm的N610CF鋼板，外形尺寸為800×200 mm矩形。試板采用X型不對(duì)稱坡口，鈍邊厚度為4 mm，坡口比例為2∶1，大坡口22.5°，小坡口30°，對(duì)接間隙4 mm。坡口加工方式采用火焰切割+角磨機(jī)打磨；襯墊采用10 mm圓柱陶瓷襯墊；對(duì)接焊縫為30 mm≤δ≤ 40 mm，接頭形式、坡口形式與尺寸、焊層、焊道布置及順序見圖1。雙絲自動(dòng)埋弧焊時(shí)采用焊絲牌號(hào)CHW-S7；焊絲規(guī)格φ4.0；型號(hào)H08Mn2MoA；焊縫(焊絲)金屬化學(xué)成分見表1。焊接試件焊前仔細(xì)地進(jìn)行清理后,采用雙絲自動(dòng)埋弧焊方法進(jìn)行焊接。

圖1 接頭形式、坡口形式與尺寸、焊層、焊道布置及順序

表1 焊縫(焊絲)金屬化學(xué)成分 /%

2.2 焊接工藝條件

本次試驗(yàn)分別采用預(yù)熱和不預(yù)熱兩種方式對(duì)焊件進(jìn)行焊接。資料顯示[2-3]，雙絲自動(dòng)埋弧焊時(shí)，前絲采用直流反接，焊絲直徑4 mm；后絲采用交流,焊絲直徑4 mm。前、后焊絲之間夾角為10°，兩絲之間距離為70 mm。

(1)預(yù)熱、層間溫度：預(yù)熱溫度(允許最低值)80 ℃；層間溫度(允許最高值)180 ℃ ； 道間溫度控制80 ℃～180 ℃；加熱方式：陶瓷電加熱器。

(2)后熱處理：溫度范圍150 ℃～200 ℃；保溫時(shí)間1 h。

(3)電特性：電流種類是直流+交流；極性為反接 ；焊接電流范圍在500～750 A ；電弧電壓為28～36 V。

(4)背縫清根方式: 采用碳弧氣刨清根、角磨機(jī)打磨滲碳層。

2.3 焊接設(shè)備配置

壓力鋼管制造縱縫、環(huán)縫及加勁環(huán)角焊縫焊接采用埋弧自動(dòng)焊，安裝環(huán)縫、加勁環(huán)對(duì)接縫采用焊條電弧焊，焊接設(shè)備配置表見表2。

表2 焊接設(shè)備配置表

2.4 焊接工藝參數(shù)

2.4.1 焊接層次

(1)打底層。焊接方法SAW，焊條(絲)采用CHW-S7，焊條(絲)直徑φ4.0，前絲焊接電流DC500 A，電弧電壓26 V；后絲焊接AC500 A，電弧電壓28 V；焊接速度44～52 m/H, 焊接熱輸入18.69～22.09 kJ/cm。

(2)填充層。焊接方法SAW，焊條(絲)采用CHW-S7，焊條(絲)直徑φ4.0，前絲焊接電流DC500 A，電弧電壓26 V；后絲焊接AC500 A，電弧電壓28 V；焊接速度44～52 m/H, 焊接熱輸入18.69～22.09 kJ/cm。

(3)蓋面層。焊接方法SAW，焊條(絲)采用CHW-S7，焊條(絲)直徑φ4.0，前絲焊接電流DC650 A，電弧電壓30 V；后絲焊接AC700 A，電弧電壓34 V；焊接速度40～46 m/H, 焊接熱輸入33.89～38.97 kJ/cm。

2.4.2 N610CF鋼雙絲埋弧自動(dòng)焊焊接工藝試驗(yàn)

該試驗(yàn)嚴(yán)格按照焊接工藝參數(shù)和焊接方法進(jìn)行，N610CF鋼雙絲埋弧自動(dòng)焊焊接工藝試驗(yàn)記錄表見表3。

表3 N610CF鋼雙絲埋弧自動(dòng)焊焊接工藝試驗(yàn)記錄表

2.5 試驗(yàn)成果對(duì)比

試驗(yàn)方法參考: GB/T2651-2008，GB/T2653-2008，GB/T2650-2008，GB/T2654-2008。

判定標(biāo)準(zhǔn):GB/T50766-2012，蘇洼龍水電站引水壓力鋼管制造、安裝施工技術(shù)要求。

2.5.1 未預(yù)熱雙絲埋弧焊

試件抗拉強(qiáng)度為637 MPa；彎曲性能無大于3 mm裂紋或缺欠；沖擊功(J)在焊縫區(qū)為140/147/146,熱影響區(qū)為238/228/230硬度(HV)：母材為196，焊縫區(qū)為203，熱影響區(qū)為165。相關(guān)指標(biāo)均合格。拉伸試件均斷裂于熱影響區(qū)。經(jīng)超聲波探傷均合格。

2.5.2 預(yù)熱雙絲埋弧焊

試件抗拉強(qiáng)度為661 MPa；彎曲性能無大于3 mm裂紋或缺欠；沖擊功(J)在焊縫區(qū)為140/142/140，熱影響區(qū)為243/233/225；硬度(HV)：母材為207，焊縫區(qū)為201，熱影響區(qū)為168。相關(guān)指標(biāo)均合格。拉伸試件均斷裂于熱影響區(qū)。經(jīng)超聲波探傷均合格。

經(jīng)過多次的焊接工藝試驗(yàn)和力學(xué)性能檢測(cè)，雙絲埋弧焊在預(yù)熱和不預(yù)熱兩種條件下，焊接工藝均滿足要求。因此，在蘇洼龍水電站壓力鋼管焊接中，采用不預(yù)熱的雙絲埋弧焊接工藝。

3 工程實(shí)施

3.1 編制壓力鋼管焊接工藝規(guī)程

根據(jù)焊接工評(píng)定報(bào)告和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]，編制了《壓力鋼管制造安裝焊接工藝規(guī)程》。

(1)焊接設(shè)備。雙絲埋弧焊選用2臺(tái)MZS-3雙絲埋弧自動(dòng)焊機(jī)。

(2)N610CF鋼雙絲埋弧自動(dòng)焊焊接工藝參數(shù)見表4。

表4 N610CF鋼雙絲埋弧自動(dòng)焊焊接工藝參數(shù)表

(3)焊接過程控制。

①焊前現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備。焊縫坡口兩側(cè)各10～20 mm范圍內(nèi)的鐵銹、融渣、油垢、水劑等清除干凈；碳弧氣刨后必須將坡口及兩側(cè)打磨干凈。對(duì)氣刨槽打磨面積約99%。埋弧焊刨槽底部圓角半徑為5 mm[5]。

②對(duì)接縫定位焊接。定位焊縫位置應(yīng)距焊縫端部30 mm以上，對(duì)于 600 MPa 級(jí)高強(qiáng)鋼其長(zhǎng)度應(yīng)在 80 mm 以上且至少焊兩層，通常定位焊縫間距為 100～400 mm，厚度不宜大于正式焊縫厚度的二分之一，最厚不宜大于8 mm。

③正式焊接 。a.縱縫焊接設(shè)引弧和斷弧用的助焊板，嚴(yán)禁在母材上引弧和斷弧，引弧和斷弧應(yīng)在坡口內(nèi)進(jìn)行；去除引弧板和熄弧板時(shí)應(yīng)用氧-乙炔火焰或碳弧氣刨切除，并用砂輪機(jī)修磨成原坡口形式。b.焊縫采取多層焊接方法，埋弧焊焊接時(shí)層間焊接接頭錯(cuò)開100 mm以上；每層焊道焊接完畢后及時(shí)將每層道的熔渣、飛濺、焊瘤清除干凈，檢查合格后方可再進(jìn)行下層(道)焊接。c.焊接過程中嚴(yán)格控制焊接熱輸入，用相應(yīng)的弧度樣板監(jiān)測(cè)焊縫的變形情況，根據(jù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)偏差，相應(yīng)的改變焊接順序和進(jìn)行焊接位置的調(diào)整，確保焊接變形在允許范圍內(nèi)。

④后熱消氫。根據(jù)焊接工藝評(píng)定及相關(guān)規(guī)范要求，N610CF高強(qiáng)鋼在焊接完成后立即進(jìn)行后熱消氫，后熱溫度150 ℃～200 ℃，時(shí)間1 h。

3.2 焊接設(shè)備升級(jí)改造

在前期使用了通用型的雙絲埋弧焊小車進(jìn)行鋼管焊接，因通用埋弧焊小車在焊接過程中，需要人員仔細(xì)觀察調(diào)整才能保證焊接時(shí)焊縫不焊偏和保持焊道不變，在直徑10 m的鋼管自動(dòng)環(huán)縫焊接工藝中，焊縫長(zhǎng)度31 m、焊道數(shù)量8～10條，由于現(xiàn)場(chǎng)要長(zhǎng)時(shí)間的人工焊接操作，勞動(dòng)強(qiáng)度高，不僅生產(chǎn)效率受到限制，而且需要克服焊接質(zhì)量受人工疲勞影響和常規(guī)的設(shè)備得不到解決等問題。為了實(shí)現(xiàn)壓力鋼管埋弧全自動(dòng)化焊接操作全自動(dòng)化，對(duì)埋弧焊小車設(shè)備做了以下幾個(gè)方面的改進(jìn)：

(1)焊縫檢測(cè)部分：焊縫檢測(cè)部分主要硬件由工業(yè)相機(jī)、一字激光器、工業(yè)計(jì)算機(jī)組成。利用激光三角測(cè)量原理對(duì)焊縫信息進(jìn)行測(cè)量檢測(cè)，為焊接小車調(diào)整提供依據(jù)，激光三角測(cè)量原理見圖2。

圖2 激光三角測(cè)量原理圖

(2)轉(zhuǎn)向機(jī)械部分：轉(zhuǎn)向機(jī)械硬件由直線模組、連桿機(jī)構(gòu)、原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)等構(gòu)成。通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)直線模組滑塊前后移動(dòng)，滑塊通過連桿機(jī)構(gòu)和原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)連接把直線移動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。

(3)行走機(jī)構(gòu)部分：行走機(jī)構(gòu)由直流減速電機(jī)、傳動(dòng)齒輪、傳動(dòng)軸、離合器等組成。直流減速電機(jī)帶動(dòng)齒輪，通過傳動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)小車行走功能，離合器完成動(dòng)力部分和傳動(dòng)部分的分離。

(4)控制及輔助部分：控制及輔助部分由PLC控制器、電源、閉環(huán)步進(jìn)控制器、無線數(shù)傳電臺(tái)、傾斜角度傳感器、氣動(dòng)電磁閥、焊劑回收機(jī)等組成。PLC處理接收焊縫位置信息控制轉(zhuǎn)向和行走機(jī)構(gòu)完成自動(dòng)行走跟蹤功能。通過傾斜角度傳感器檢測(cè)控制焊接小車一直處在平焊狀態(tài)，同時(shí)通過無線數(shù)傳電臺(tái)控制外部轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)速度，實(shí)現(xiàn)小車與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)速度同步。通過無線數(shù)傳電臺(tái)可在外部控制和顯示小車當(dāng)前工作狀態(tài)。氣動(dòng)電磁閥對(duì)即將焊接的表面進(jìn)行氣體吹掃保障焊接質(zhì)量。焊劑回收機(jī)對(duì)已焊部分表面焊劑進(jìn)行回收處理降低焊接工作量。

設(shè)備通過反復(fù)改進(jìn)，將焊接階段的頻繁調(diào)整等人工操作變?yōu)樽詣?dòng)檢測(cè)和糾偏，焊道始終處于正常的焊接位置，解決了焊接人員長(zhǎng)時(shí)間操作問題。2020年3～6月在蘇洼龍水電站3號(hào)和4號(hào)壓力鋼管雙節(jié)組對(duì)環(huán)縫焊接中，成功應(yīng)用了新設(shè)備進(jìn)行焊接。

3.3 實(shí)施效果

經(jīng)由第三方機(jī)構(gòu)對(duì)壓力鋼管焊接質(zhì)量進(jìn)行了無損檢測(cè)，壓力鋼管制造環(huán)縫UT探傷按100%比例檢測(cè)，1～4號(hào)鋼管一次檢測(cè)合格率分別為99.96%、99.61%、99.03%、99.85%；TOFD探傷按20%比例抽查，一次檢測(cè)合格率分別為99.59%、100%、99.67%、100%，達(dá)到優(yōu)質(zhì)工程標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 語

(1)在壓力鋼管施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用雙絲埋弧焊的焊接工藝，穩(wěn)定性好，焊縫成形美觀，預(yù)熱和不預(yù)熱不同工藝下得到的焊接接頭性能均能滿足實(shí)際需要。在蘇洼龍水電站直徑10 m、管壁材質(zhì)為600 MPa級(jí)的壓力鋼管中，采用了不預(yù)熱的雙絲埋弧焊工藝，經(jīng)長(zhǎng)期研究、工藝試驗(yàn)、第三方檢測(cè)和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行驗(yàn)證，達(dá)到了工程設(shè)計(jì)要求，對(duì)于高海拔地區(qū)的水電工程建設(shè)具有重要的參考價(jià)值。

(2)基于激光傳感自動(dòng)識(shí)別的雙絲埋弧焊小車，相對(duì)于傳統(tǒng)的雙絲埋弧焊小車，能夠進(jìn)一步改善作業(yè)條件、提高焊接工效，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了水電站壓力鋼管焊接工藝水平，在蘇洼龍水電站壓力鋼管工程中實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化應(yīng)用，具備設(shè)備模塊化和大面積應(yīng)用的技術(shù)條件。

(3)結(jié)合水電工程智能化和網(wǎng)絡(luò)通訊的技術(shù)進(jìn)步，壓力鋼管高效焊接智能化技術(shù)具有更大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。