大直徑高壓鋼管瓦片整張卷制技術(shù)及應(yīng)用

謝亮，石春，李世斌，陳昌文

（1.中電建建筑集團(tuán)有限公司，北京 100120；2.華電吉林能源有限公司，吉林 長春 130028）

0 引言

傳統(tǒng)的大口徑鋼管生產(chǎn)工藝，就是借助卷板設(shè)備將鋼板卷曲成弧形瓦片，然后通過起重設(shè)備將卷制后的鋼板立于組裝焊接鋼模上，運(yùn)用多次縱向焊接實現(xiàn)組合和修正，以此完成鋼管段的制作。雖然整張鋼板一次卷圓成型技術(shù)已基本成熟，然而對于大直徑耐高壓的高強(qiáng)鋼管，卷板難度較大，容易發(fā)生過卷現(xiàn)象[1]。過卷后再反向矯正對鋼板損傷較大，不符合高水頭電站的高壓管道鋼管的要求。因此，可以通過研究輔助設(shè)備，將高強(qiáng)鋼板整體卷制成鋼管瓦片，并將縱縫立焊改為平焊，以提高管口的平整性，有助于更為精確地控制鋼管的接合直線性，并有效地提高鋼管制造的質(zhì)量和效率。此外，這種創(chuàng)新的卷制技術(shù)的研究和使用，是建立在電站壓力鋼管整體卷制工藝的基礎(chǔ)之上，使得大型鋼管能夠在電站實現(xiàn)整體的機(jī)械流水線操作[2]。

1 工程概況

某抽水蓄能電站壓力鋼管制作包括引水系統(tǒng)壓力鋼管和尾水系統(tǒng)壓力鋼管，分為直管、彎管、漸變管、人孔、加勁環(huán)、止推環(huán)、阻水環(huán)及其他部件。壓力鋼管采用材質(zhì)為Q345R，JH610CFD，WSD690E等高強(qiáng)鋼鋼板制造，圖紙設(shè)計工程量為24 804 t。

引水壓力鋼管上平段及上斜井?dāng)M進(jìn)行板厚為18.0～22.0 mm 的整張瓦片卷制，內(nèi)徑5.6 m，共58節(jié)。尾水支管鋼管板厚18.0～20.0 mm，內(nèi)徑4.6 m，每條支管管節(jié)數(shù)37 節(jié)，其中合攏節(jié)1 節(jié)，方變圓管節(jié)8 節(jié)；4 條管道共計148 節(jié)，擬進(jìn)行板厚18 mm 整張瓦片卷制116 節(jié)；相對于大直徑壓力鋼管，18.0～22.0 mm 的壁厚顯得較薄，瓦片卷制時兩端翹起，中部易發(fā)生反向鼓包或過卷，整體卷制難度大。

2 難點(diǎn)分析

2.1 大直徑高壓鋼管整張卷制安全控制難點(diǎn)

1）門機(jī)輔助吊裝存在安全隱患

由于鋼板直徑大、曲率大，相對剛度差，瓦片卷制過程中，鋼板剛度難以支撐自身重量。因此，需要門機(jī)輔助增加外力才能卷制，外力方向為沿門機(jī)起升機(jī)構(gòu)卷筒的軸向，而門機(jī)起升系統(tǒng)鋼絲繩垂直于卷筒軸向，卷制過程中鋼板在不斷移動。在這種情況下，外力垂直于起降拉力，容易引起鋼絲繩滑槽，受力失衡，出現(xiàn)安全事故；另外，鋼絲繩起升時由于傾斜與小車底梁存在摩擦，長時間運(yùn)行對鋼絲繩磨損嚴(yán)重，安全隱患較大[3]。

2）成品瓦片吊裝安全風(fēng)險大

瓦片卷制完成后，若將縱縫旋轉(zhuǎn)至上方，端頭因自重下塌，出現(xiàn)交叉，無法吊裝；若將縱縫旋轉(zhuǎn)到下方，工人站立在鋼管上方進(jìn)行掛鉤、吊裝，安全風(fēng)險較大。

2.2 瓦片卷制質(zhì)量控制

1）瓦片卷制弧度問題

大直徑高壓鋼管瓦片卷制過程中，鋼板在自身重量作用下發(fā)生下塌或外仰，使用樣板模具檢查弧度時，難以判定是否符合要求，過卷將會導(dǎo)致整張鋼板報廢。

2）瓦片卷制出現(xiàn)折彎質(zhì)量問題

瓦片卷制時，卷曲部分的重心外移，若重量超出自身剛度，會出現(xiàn)鋼板折彎現(xiàn)象，高強(qiáng)鋼板折彎后的瓦片不能矯正再用，導(dǎo)致鋼板報廢。

3 大直徑壓力鋼管整張卷制試驗方案

大直徑壓力鋼管整張卷制試驗方案分兩部分進(jìn)行卷制：常規(guī)部分指瓦片壓頭、端頭3.0 m范圍內(nèi)直接利用卷板機(jī)進(jìn)行卷制；非常規(guī)部分指端頭3.0 m外的中間部分，借助外力和工裝進(jìn)行卷制。

3.1 常規(guī)部分瓦片壓卷工藝方法

3.1.1 施工準(zhǔn)備

1）熟悉并檢查工藝設(shè)計圖，熟知需卷制瓦片的鋼板材質(zhì)、規(guī)格尺寸、水流路徑方向、鋼管內(nèi)徑及質(zhì)量管控要求。

2）復(fù)檢待卷制鋼板，包括外形尺寸、坡口尺寸和外觀檢查，避免將上道工序有缺欠的瓦片投入卷制。

3）檢查鋼板的頂部和底部，以避免存在可能對壓頭和卷制造成干擾的氧化鐵皮、鐵銹等雜質(zhì)和熔渣，從而影響卷制質(zhì)量，或者對機(jī)器的工作輥造成損壞。

4）檢查清理卷制設(shè)備、工器具及檢測工具，如卷板機(jī)上下輥的平行度、檢測樣板的完好性等。

5）將待壓卷的鋼板吊至卷板機(jī)作業(yè)平臺。

3.1.2 板料對正與瓦片壓頭

1）卷板應(yīng)和鋼板的壓延方向保持一致。在進(jìn)行卷板工作時，利用門式起重機(jī)將鋼板平穩(wěn)地起吊到卷板機(jī)的下輥一側(cè)，啟動送板，操控下輥讓鋼板進(jìn)入上下輥中間，期間利用卷板機(jī)頂部的對中設(shè)備調(diào)整鋼板居中，啟動工作輥，分別對鋼板的兩個端頭進(jìn)行壓頭。在整個壓卷過程中，應(yīng)盡可能使用較小進(jìn)輥量進(jìn)行反復(fù)滾制，從而使鋼板的兩端壓卷部分達(dá)到規(guī)定的弧度需求。在壓頭環(huán)節(jié)中，應(yīng)注意盡可能地縮短直邊的長度。瓦片卷制過程見圖1。

圖1 瓦片卷制過程示意圖

2）壓卷中嚴(yán)格監(jiān)控鋼板兩個端部的壓頭弧度，以防止部分地方內(nèi)收或者外翹，同時保持鋼板中心與輥板機(jī)軸心的垂直度，從而防止瓦片發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

3）通過移動下滾輪來配合上滾輪進(jìn)行三輥彎板機(jī)的壓頭操作，同時使用弧形檢測樣板對壓頭時的彎曲度進(jìn)行檢測，直至達(dá)到預(yù)設(shè)要求。

3.1.3 瓦片卷制與修弧要點(diǎn)

1）鋼板卷制前，采用石板筆畫出平行于短邊的等距素線，根據(jù)素線調(diào)整滾壓線，反復(fù)卷制成形。操作過程是先從板材的兩個端部開始壓卷，然后是中間部分。在整個壓卷過程中，必須不斷地借助檢測樣板進(jìn)行核查和矯正，壓卷盡可能地采用較小的卷入量進(jìn)行操作。

2）卷制過程中每一次素線出現(xiàn)時，都要檢查素線與卷輥的平行性，并采取措施來控制卷板機(jī)軸輥中心與鋼板中心的垂直度，以免卷制的瓦片出現(xiàn)扭曲狀況。

3）鋼板卷板過程中，嚴(yán)禁對鋼板進(jìn)行敲打，以免錘擊引起鋼板表面出現(xiàn)瑕疵。

4）在制作過程中，需定時檢查并清理鋼板的氧化物、鐵銹及其他雜質(zhì)。若壓卷過程中發(fā)現(xiàn)鋼板出現(xiàn)毛刺或劃痕，應(yīng)立即停止壓卷作業(yè)。后續(xù)利用研磨拋光設(shè)備將其研磨至平滑后再重新開機(jī)繼續(xù)壓卷，如出現(xiàn)的劃痕較深，應(yīng)采取補(bǔ)焊措施，并對該區(qū)域進(jìn)行探傷檢測。

5）瓦片卷制完成后，應(yīng)采用2 個或4 個對稱吊點(diǎn)來吊裝，保持力度均勻，以避免應(yīng)力不均衡導(dǎo)致瓦片變形。瓦片應(yīng)存放在平坦地面上或穩(wěn)固的組焊平臺上。

3.2 非常規(guī)部分瓦片壓卷工藝方法

非常規(guī)部分瓦片卷制，主要克服上文所分析的大直徑壓力鋼管整張卷制的安全和質(zhì)量控制難點(diǎn)問題。

3.2.1 卷制自動平衡法

瓦片卷制過程中，由于兩端高度不一致，且受力不均勻，為防止直接將鋼絲繩掛在30 t 門機(jī)上而導(dǎo)致不平衡。擬通過在30 t門機(jī)主鉤上掛設(shè)1個10 t 滑輪和1 根長9.0 m、直徑18.0 mm 鋼絲繩，兩端與穿過灌漿孔的鋼絲繩繩頭連接，在門機(jī)向上的外力作用下，鋼絲繩自動滑動上升或下降到達(dá)自動吊裝平衡。在瓦片兩側(cè)，距端頭0.5～1.2 m處掛2 個鋼板卡，通過1 根長4.0 m、直徑18.0 mm鋼絲繩與滑輪上的鋼絲繩相連，見圖2。

圖2 非常規(guī)部分卷制外力輔助圖

3.2.2 瓦片吊裝

瓦片卷制完成后，將縱縫轉(zhuǎn)至底部與垂直方向成15°角的位置，在鋼管頂部4 個吊點(diǎn)設(shè)卡扣進(jìn)行瓦片吊裝，見圖3。瓦片掛鉤時，從門機(jī)上方掛1 根安全繩至瓦片頂部，掛鉤人員系好安全帶，并系在安全繩上。在鋼絲繩受力后，起升卷板機(jī)上輥，放置于卷板機(jī)倒頭機(jī)架，緩慢將鋼管瓦片吊出卷板機(jī)。

圖3 瓦片吊裝示意圖

3.3 卷板質(zhì)量控制

所用鋼尺在使用前要進(jìn)行檢定，且卷制過程中常用弧形樣板檢測壓卷弧度，樣板應(yīng)與瓦片曲率半徑相配套。使用弧形樣板檢查瓦片時，每一塊瓦片均應(yīng)檢查上、中、下三部位，質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)見表1。樣板采用厚度δ=1.0～2.0 mm 鐵皮制作，弦長根據(jù)鋼管不同直徑分別為1.0，1.5 m。

表1 瓦片卷制的偏差控制標(biāo)準(zhǔn)

4 鋼管焊接技術(shù)

將卷制完成的鋼管置于組裝平臺進(jìn)行調(diào)整，調(diào)準(zhǔn)鋼管管口的平整度、實際與設(shè)計周長差值、鄰接管節(jié)周長差異，以及縱向和環(huán)向焊點(diǎn)的間隙等。在制造壓力鋼管的流程中，焊接質(zhì)量十分重要，直接關(guān)系到整個工程的安全，因此，在生產(chǎn)過程中，需要重點(diǎn)把控和嚴(yán)格把控[4]。

4.1 焊接試驗及工藝評定

在進(jìn)行焊接試驗及工藝評定前，根據(jù)類似工程或焊接手冊初步選用鋼板配套焊材。焊接操作規(guī)范選用時主要規(guī)定焊接電壓、焊接電流及焊接速度，最終反映到熱輸入線能量。對于電焊機(jī)，其焊接電壓和電流的參數(shù)都應(yīng)有數(shù)字顯示，便于焊工操作控制。焊接速度通過規(guī)定每條焊材的焊接長度來進(jìn)行調(diào)整。

通過焊接試驗（斜“Y”形抗裂試驗），用以復(fù)驗?zāi)覆呐c焊材選用的匹配性，并確定鋼板焊接預(yù)熱溫度。通過工藝評定，用以確定焊接作業(yè)操作規(guī)范及規(guī)程指導(dǎo)實際焊接作業(yè)。其中，焊接試驗是工藝評定的前提，即在焊接試驗成功以后進(jìn)行工藝評定才有意義。

進(jìn)行焊接試驗及工藝評定時，選用有豐富焊接經(jīng)驗的焊工嚴(yán)格按照技術(shù)部門編制的焊接試驗及工藝評定規(guī)程進(jìn)行操作。焊接工藝評定時，按照給定的線能量范圍進(jìn)行施焊，應(yīng)選取線能量的上限值、中值、下限值分別進(jìn)行，使給定的焊接規(guī)范具有實際操作性。在通過焊接測試后，將外觀檢查和內(nèi)部檢驗合格的焊接技術(shù)評估樣品進(jìn)行拉力、彎曲、沖擊韌性等機(jī)械性質(zhì)的測試，并將測試結(jié)果提交給監(jiān)管部門進(jìn)行記錄備案。

4.2 焊前清理

為防止焊接過程中出現(xiàn)不良現(xiàn)象（例如氣孔等），預(yù)焊接區(qū)域及坡口兩邊各10.0 ～20.0 mm 內(nèi)的氧化層、銹跡、油脂和其他異物應(yīng)被徹底清除，每次焊接結(jié)束后都需及時進(jìn)行清理。

4.3 預(yù)熱

預(yù)熱是保證焊縫質(zhì)量的重要措施，通過預(yù)熱，去除坡口位置水汽，減少氣孔的形成；增加溶解氫析出時間，可有效防止冷裂；平緩焊接接頭部位溫度梯度，可防止裂紋和減少變形。預(yù)熱的具體要求：1）經(jīng)焊接試驗評定，焊件必須經(jīng)過預(yù)熱流程方可焊接時，該焊件的定位焊縫和正式焊縫都需要進(jìn)行預(yù)熱處理，其中，定位焊縫的預(yù)熱溫度應(yīng)比正式焊縫的預(yù)熱溫度高出20～30 ℃，并且在整個焊接過程中始終維持這一預(yù)熱溫度；另外，焊接間隙的層間溫度不應(yīng)低于預(yù)熱溫度，也不應(yīng)超過200 ℃。2）焊接部位一般采用遠(yuǎn)紅外履帶式加熱板預(yù)熱，該設(shè)備裝設(shè)位置為沿焊縫長度方向距離鋼管焊縫兩側(cè)30.0 ～50.0 mm 布置。遠(yuǎn)紅外線履帶式加熱板加熱方式如圖4所示。預(yù)熱區(qū)的范圍為焊縫中心線兩邊各延伸100 mm，定位焊則延伸至150 mm。

圖4 焊縫焊接示意圖

4.4 縱縫焊接

4.4.1 縱縫分段及分層焊接

首先，采用非對稱的“X”形（2/3+1/3）坡口方式對縱縫進(jìn)行焊接，焊接過程中要求保證對稱性，同時進(jìn)行多層、多級、多道焊接。這樣的焊接方法能夠形成更細(xì)膩的顯微結(jié)構(gòu)，熱影響區(qū)較窄，從而使焊口展示出良好的延展性和韌性。對于高強(qiáng)鋼來說，后焊道在前焊道中能產(chǎn)生退火影響，從而提升焊口的結(jié)構(gòu)和功能。焊接工作應(yīng)從中部向兩側(cè)同時開始，并保持焊接速度始終一致。為了防止鋼管在焊接縱縫過程中生成錐度，底部焊縫的焊接應(yīng)分為3 段，第一段為焊縫兩側(cè)2/3 處向兩側(cè)施焊，第二段為焊縫兩側(cè)2/3 處向中心施焊，第三段為焊縫兩側(cè)1/3 處向兩端部施焊。同一段焊縫，為了減少每一層焊口的數(shù)量，后續(xù)的每一層焊接工作都應(yīng)從下向上進(jìn)行施焊，中間每一層焊道的厚度都應(yīng)控制在4～5 mm。在焊接縱縫的過程中，應(yīng)由兩名焊工同時進(jìn)行對稱操作?？v縫分段及同段焊縫層間焊道的標(biāo)準(zhǔn)順序，見圖5。

圖5 縱縫分段及同道焊縫層間焊接順序示意圖

4.4.2 焊接線能控制

焊接線能的大小直接影響焊件接頭的沖擊韌性，進(jìn)而影響到鋼管的安全使用。如果線能量太大，焊縫熱影響區(qū)會形成魏氏組織，使得接頭的性質(zhì)（比如沖擊韌性等）不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)；如果線能量過小，焊縫熱影響區(qū)可能出現(xiàn)淬硬組織，可能導(dǎo)致焊縫裂開，或者產(chǎn)生未熔合和未焊穿等焊接缺陷。因此，焊接過程中切不可忽視對線能的嚴(yán)格控制，依據(jù)手工電弧焊的標(biāo)準(zhǔn)，線能量的大小不能超越40 kJ/m，實際操作中應(yīng)基于現(xiàn)場情況控制在35 kJ/m 左右。在生產(chǎn)實踐中，應(yīng)當(dāng)盡量縮小焊條橫向擺動的范圍，根據(jù)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，擺動幅度不能超過焊條直徑的4 倍。實際上，為了確保線能的指標(biāo)，焊條的擺動幅度應(yīng)控制在2.5～3.5 倍焊條直徑之間。同時，對于?3.2 mm的焊條，每根焊條的焊接長度應(yīng)不小于70 mm，對于?4.0 mm的焊條，焊接長度應(yīng)達(dá)到100 mm。

4.4.3 焊接角變形控制

在具體的施焊過程中，通過調(diào)節(jié)焊接的順序來管理焊接角度的變形。當(dāng)鋼管組圓結(jié)束，假如縱向接縫位置出現(xiàn)了微小的直邊凸出，但仍在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)允許范圍之內(nèi)，應(yīng)優(yōu)先在鋼管的外部進(jìn)行焊接以使其內(nèi)陷，然后利用碳弧氣刨在后焊縫進(jìn)行清根和焊接工作。與此同時，定期采用弧度檢測樣板對其弧度進(jìn)行檢測，如果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，將按照常規(guī)的正反方向交替進(jìn)行焊接；若未達(dá)標(biāo)，則繼續(xù)在后縫進(jìn)行焊接，直至其弧度符合要求。

5 結(jié)語

經(jīng)過對厚度為18.0 mm 的高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行大直徑整張瓦片卷制和焊接試驗后，所有試驗檢測項目均達(dá)到了鋼管制作技術(shù)指標(biāo)。大直徑高壓力鋼管整張瓦片卷制和焊接等過程施工工藝試驗成功，并在該抽蓄電站實現(xiàn)批量生產(chǎn)。自2016 年5月至2019 年7 月，所有大型壓力鋼管制作完成并經(jīng)過第三方檢測機(jī)構(gòu)和現(xiàn)場專業(yè)監(jiān)理工程師的全面檢測，一次性檢驗通過率達(dá)到了100%，優(yōu)良率高達(dá)99.4%，為大型壓力鋼管在工區(qū)現(xiàn)場生產(chǎn)積累了豐富的經(jīng)驗。