水電站XXXXXX 6565655管線用高強鋼岔管的焊接

熊江華

（江西省水電工程局，江西南昌 330096）

0 前言

在一些大容量、高水頭水電站的建設(shè)中，引水壓力鋼管逐漸采用高強度、高韌性管線用鋼板，該應(yīng)用將減小板厚，減輕工程量，縮短施工工期。我單位制作加工的某2×20 MW水電站的壓力鋼管道上采用了>600 MPa級管線用高強鋼板（X65），X65鋼屬于低碳或超低碳的微合金化鋼，板材的碳當(dāng)量Ceq≤0.45%，具有高強度、低包申格效應(yīng)、高韌性和抗脆斷、低焊接碳素量和良好焊接性、以及抗HIC和抗H2S腐蝕。（X65管線鋼化學(xué)成分及機械性能見表1和表2）。

該水電站壓力鋼管、鋼岔管最厚鋼板為80 mm，采用的X65管線鋼為寶鋼生產(chǎn)，如此厚的高強度國產(chǎn)管線鋼用于岔管的制作，在國內(nèi)比較少見。岔管采用月牙形內(nèi)加強肋形式，主管內(nèi)徑1 796 mm，支管內(nèi)徑1 140 mm，最大公切球內(nèi)徑2 213 mm，水壓實驗承受內(nèi)水壓7.53 MPa。根據(jù)設(shè)計要求，岔管需做整體水壓試驗。在水壓試驗壓力7.53 MPa下，岔管壁測得最大應(yīng)力為320 MPa，月牙肋最大應(yīng)力為110 MPa，經(jīng)超聲波、射線無損檢測，焊縫未發(fā)現(xiàn)任何缺陷。所有檢測項目均合格并符合規(guī)范設(shè)計要求，證實了本次采取的焊接工藝是正確和可靠的。

表1 X65鋼的化學(xué)成分

注：（1）Ceq（%）=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14

（2）Pcm（%）=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B

（3）碳當(dāng)量Ceq（%）≤0.48，焊接裂紋敏感指數(shù)Pcm（%）≤0.25

表2 X65鋼的機械性能

1 焊接工藝

1.1 焊接工藝方案的編制

根據(jù)會審的施工圖編制焊接施工工藝方案，焊接工藝方案編制的主要內(nèi)容包括：（1）材料的預(yù)處理方法；（2）毛坯的下料工藝；（3）坡口的加工方法；（4）焊接方法的選定；（5）焊接材料與焊接參數(shù)的選定；（6）焊接順序；（7）焊接預(yù)熱及焊后熱處理方法與參數(shù)的選定；（8）焊接接頭質(zhì)量檢驗方法、數(shù)量及合格標(biāo)準(zhǔn)；（9）焊接接頭表面處理要求。

1.2 焊接工藝評定

焊接工藝評定按下列程序進(jìn)行：（1）由技術(shù)人員提出工藝評定任務(wù)書；（2）焊接工程師審核任務(wù)書并擬定焊接工藝評定指導(dǎo)書；（3）焊接工程師監(jiān)督試件的施焊、檢驗及試樣的制備等工作；（4）焊試室責(zé)任人負(fù)責(zé)評定試樣的送檢工作，并匯總評定檢驗結(jié)果，提出焊接工藝評定報告；（5）評定報告經(jīng)焊接工程師審核，企業(yè)技術(shù)總負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)后，作為編制指導(dǎo)生產(chǎn)的焊接工藝的可靠依據(jù)。

焊接檢測委托第三方檢測機構(gòu)負(fù)責(zé)，焊后外觀檢查及無損檢測合格，結(jié)果見表3。

表3 焊接工藝評定結(jié)果

1.3 焊接作業(yè)指導(dǎo)書

依據(jù)工藝評定綜合報告有關(guān)參數(shù)制定焊接作業(yè)指導(dǎo)書，焊接作業(yè)指導(dǎo)書是產(chǎn)品施焊過程的技術(shù)文件，是指導(dǎo)焊工從事產(chǎn)品焊接的依據(jù)，它是克服焊接過程隨意性、嚴(yán)格貫徹工藝質(zhì)量要求的重要手段，是提高焊接工程質(zhì)量的可靠保證，并在工程施焊前以技術(shù)交底方式向焊工講述清楚，確保了焊接人員順利執(zhí)行。

2 焊前準(zhǔn)備

2.1 焊工管理

1）組建焊工隊伍。

2）焊工培訓(xùn)。在正式焊接前，對先前未接觸到高強鋼焊接的焊工進(jìn)行培訓(xùn)，使焊工了解高強鋼的焊接特點，明確高強鋼的焊接工藝，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)即發(fā)焊工合格證。

3）焊工技術(shù)檔案的管理。技術(shù)檔案包含：（1）焊工基本狀況；（2）焊工身體狀況；（3）培訓(xùn)資料；（4）焊接質(zhì)量狀況記錄；（5）合格焊工技能檔案等幾方面內(nèi)容。

2.2 坡口清理

采用半自動火焰切割機開坡口，坡口形式采用（1/3+2/3）不對稱“X”形坡口。所有擬焊面的坡口兩側(cè)各50 mm范圍內(nèi)的氧化皮、鐵銹、油污及其它雜物應(yīng)清除干凈，每一焊道焊接完畢之后也應(yīng)及時清理，檢查合格后再進(jìn)行施焊。

2.3 預(yù)熱

根據(jù)板厚40 mm試板焊接工藝，應(yīng)采取焊前預(yù)熱（見圖1），焊后熱處理工藝焊接才可達(dá)到要求。岔管焊接時，采用遠(yuǎn)紅外線自動控溫加熱器進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為120～180℃，加熱范圍為焊縫兩側(cè)100 mm以上。采用自動溫控裝置和手動紅外線測溫儀進(jìn)行溫度監(jiān)控，溫度測點位于焊縫左右50 mm，對稱測量。

圖1 岔管焊接前采取預(yù)熱、焊后做保溫措施

2.4 焊接材料烘焙保管

依據(jù)等強原則首先考慮母材中的合金元素向焊縫的擴散和元素間相互作用的影響，還必須注意盡量選擇強度級別及化學(xué)成分與母材相同或相近的材料，同時根據(jù)以往施工經(jīng)驗及廠家提供相關(guān)資料，手工電弧采用天津金橋J607RH超低氫焊條。

焊條使用前必須在350～400℃烘烤2 h，烘焙后的焊條應(yīng)保存在100～150℃的恒溫箱內(nèi)，藥皮有脫落和明顯的裂紋、焊絲有銹跡和油污的焊條嚴(yán)禁使用。

現(xiàn)場使用的焊條應(yīng)裝在保溫筒內(nèi)，隨用隨取，焊條在保溫筒內(nèi)的時間不宜超過4 h，超過時間后，應(yīng)重新烘焙，重復(fù)烘焙的次數(shù)不宜超過2次。

3 焊接

3.1 管節(jié)間焊縫焊接

岔管制作所有焊縫采用手工電弧焊，焊機采用直流焊機YD-400SS，直流反接，焊接工藝參數(shù)見表4。在焊接過程中，為減小焊接變形及收縮應(yīng)力，應(yīng)選用合適的焊接順序，盡量保證焊縫在各個不同側(cè)面受到的焊接預(yù)熱量達(dá)到平衡。由于鋼管制作所采用的板材比較厚，焊接過程中有些焊縫部位拘束度比較大，應(yīng)力比較集中，對于整條焊縫而言，可采取分段退焊及多層多道焊、窄焊道焊接，如圖2，以降低焊接線能量的輸入，同時可改善焊接接頭的組織和性能，從而達(dá)到控制焊接變形及應(yīng)力集中的目的。

表4 手工電弧焊焊接工藝參數(shù)

圖2 岔管分道焊接順序和多層多道焊接示意

焊接過程中應(yīng)注意保持層間溫度，從焊接開始到焊接完成始終不能中斷。如果有特殊情況中斷焊接，應(yīng)如同焊接完畢一樣進(jìn)行焊后保溫消氫處理。

氣刨清根應(yīng)在焊接后立刻進(jìn)行，確保氣刨清根時的溫度150℃之上，氣刨操作應(yīng)連續(xù)完成，氣刨后刨槽應(yīng)進(jìn)行100%的打磨，鏟除滲碳層，直至露出金屬光澤。清根后仔細(xì)檢查根部有無缺陷，開始焊接前，應(yīng)對清根后焊縫表面進(jìn)行磁粉探傷。

為了減小焊接應(yīng)力和變形，整條焊縫的焊接順序控制尤為重要，可將每條環(huán)縫分成3等份，由4名電焊工從每一等份的起始位置按同一時針方向，同時施焊，如圖3所示。另外，電焊工應(yīng)盡量保證一致的焊接速度。焊接第一層和第二層分段長度短些，第三層以后分段可慢慢加長，每層的接頭都應(yīng)該相互錯開，為了減少接頭使焊縫表面美觀，蓋面層不分段。

圖3 焊接順序

3.2 月牙肋和管殼之間的焊縫焊接

月牙肋和管殼之間的焊縫坡口形式如圖4所示，由于接頭在不同截面的夾角也不同，隨著月牙肋和管殼之間的夾角變化，坡口尺寸也均勻的改變。岔管月牙肋厚度為80 mm，材質(zhì)為X65，月牙肋和管殼之間的焊縫為高強度鋼和高強度鋼的焊接。焊接過程中同樣采用多層多道焊，嚴(yán)格控制好線能量的輸入，采用退焊法和對稱焊，以改善焊縫組織和減少應(yīng)力，焊接詳情同管節(jié)間焊縫焊接一樣。

對于岔管和月牙板對接焊縫，首先焊接岔管內(nèi)兩條焊縫，加熱塊安裝如圖4所示，月牙板厚度厚，散熱面積大，且材質(zhì)為X65，預(yù)熱溫度應(yīng)適當(dāng)?shù)奶岣?，預(yù)熱溫度為180～200℃，用紅外線測溫儀測量岔管內(nèi)兩條焊縫的溫度，溫度達(dá)到后方可焊接。

岔管內(nèi)環(huán)焊接5層后，進(jìn)行岔管外焊縫清根，清根時溫度需保持層間溫度120～150℃，清根后仔細(xì)檢查焊道根部，如出現(xiàn)過裂紋的缺陷，應(yīng)用磁粉探傷對焊縫進(jìn)行表面檢測。焊接岔管外焊縫時，岔管外清根焊接前首先應(yīng)在岔管內(nèi)安裝加熱塊，加熱塊安裝如圖5所示。

為了避免應(yīng)力集中，焊縫焊接好后，應(yīng)再焊接一定厚度的角焊縫，使管殼和月牙肋之間圓滑過渡。

圖4 月牙肋和管殼間焊縫坡口形式及外環(huán)縫加熱塊安裝

圖5 月牙肋內(nèi)環(huán)縫加熱塊安裝

4 焊接施工現(xiàn)場管理

水工鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量控制的現(xiàn)場管理，主要包括產(chǎn)品施焊、焊縫返修和焊接環(huán)境確認(rèn)等。

對超標(biāo)缺陷嚴(yán)格按照SL36《水工金屬結(jié)構(gòu)焊接通用技術(shù)條件》及DL5017、DL/T5018等規(guī)定進(jìn)行焊縫返修。焊縫返修時依據(jù)材料、設(shè)備技術(shù)參數(shù)、缺陷性質(zhì)、位置、大小和產(chǎn)生的原因及焊縫受力特點來制定返修工藝并做好返修記錄。

在施工時必須保證焊接環(huán)境條件符合GB/T14173-2008、DL/T5018-2004等規(guī)定的焊接技術(shù)要求，從而為保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量創(chuàng)造良好條件。當(dāng)施焊環(huán)境出現(xiàn)下列任—情況，禁止焊接施工，否則，需采取有效防護(hù)措施：（1）雨天和雪天的露天施焊；（2）施焊場地風(fēng)速大于五級（8 m/s）；（3）環(huán)境溫度低于-10 ℃；（4）相對濕度大于90%。

5 焊后處理

岔管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫處剛度較大，X65鋼對氫敏感，焊后為了進(jìn)一步消除焊縫中的氫，防止產(chǎn)生冷裂紋，應(yīng)進(jìn)行消氫處理。用沿焊縫采用石棉包裹，加熱溫度150～200℃，保溫1 h。

6 焊后檢查

焊接完畢后，DL/T5017-2007規(guī)程，對所有焊縫進(jìn)行外觀檢查，外觀檢查合格后，按焊縫類別及合同要求進(jìn)行100%無損檢測，必要時還要進(jìn)行表面磁粉探傷。無損檢查在焊后24 h進(jìn)行。

7 水壓試驗

7.1 試驗前的準(zhǔn)備工作

水壓試驗采取整體水壓試驗方案，并委托具有資質(zhì)的第三方來做。水壓試驗前，根據(jù)第三方提供的水壓試驗方案圖，加工好臨時用的悶頭及其它附件，安裝好悶頭、法蘭、注水管、排氣管、壓力表、閘閥等（如圖6）。正式做水壓試驗前，壓力鋼管幾何尺寸及焊縫質(zhì)量檢驗報告已提交。

充水前，對壓力鋼管上的臨時支撐件、支托、工卡具、起重設(shè)備等進(jìn)行解除拘束處理，并對管壁上的焊疤、劃痕等進(jìn)行打磨修補。檢查合格后及對壓力鋼管進(jìn)行充水。

圖6 壓力鋼管整體組裝

7.2 正式水壓試驗

進(jìn)行水壓試驗時，加壓前必須排氣。并應(yīng)逐步緩慢分級加載升壓，加壓速度不宜大于0.05 MPa/min。先緩慢升至工作壓力并保持30 min以上，此時壓力表指針應(yīng)保持穩(wěn)定，沒有顫動現(xiàn)象，對鋼管進(jìn)行檢查，情況正常可繼續(xù)加壓。再升壓至試驗壓力，達(dá)到試驗壓力后，再穩(wěn)壓30 min，此時壓力表指示的壓力應(yīng)無變動。然后下降至工作壓力穩(wěn)壓30 min以上，以便有足夠時間觀測和檢查，整個試驗過程中應(yīng)隨時檢查鋼管的滲水和其他異常情況。水壓試驗過程中，出現(xiàn)問題需要處理時，先將管內(nèi)壓力卸至零壓力，再將鋼管內(nèi)水排空后，再進(jìn)行焊接、熱切割、碳弧氣刨或矯型等作業(yè)。

7.3 水壓試驗完成

水壓試驗完成后，應(yīng)緩慢將管內(nèi)壓力卸至鋼管內(nèi)水自重壓力，在確認(rèn)管段上端的排氣管閥門打開后，再進(jìn)行鋼管內(nèi)水排放作業(yè)。

水壓試驗完成后，第三方根據(jù)試驗過程數(shù)據(jù)提交合格的水壓試驗成果報告。

8 結(jié)束語

雖然X65管線鋼具有良好的焊接性能，但其焊接與低碳鋼焊接有很大的不同。如果不針對其焊接性能制定專項焊接工藝，會導(dǎo)致焊縫裂紋、未融合等焊接缺陷。因此，為保證焊縫質(zhì)量，X65管線鋼焊接應(yīng)采取多層多道和線能量輸入控制，以達(dá)到改善熱影響區(qū)的微觀金相組織；厚度在20 mm以上的X65鋼管焊接必須進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理；對未接觸高強鋼焊接的焊工應(yīng)事先進(jìn)行培訓(xùn)，注意轉(zhuǎn)變焊工的焊接習(xí)慣，加強生產(chǎn)過程的管理監(jiān)控。