浙江仙居抽水蓄能電站780MPa級鋼岔管制造質量控制

何少云，付 強

（浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江省仙居市 317300）

浙江仙居抽水蓄能電站780MPa級鋼岔管制造質量控制

何少云，付 強

（浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江省仙居市 317300）

鋼岔管的制造質量控制對保證岔管較好的性能起著至關重要的作用，本文概要介紹仙居抽水蓄能電站780MPa級鋼岔管焊接工藝評定試驗、坡口設計、瓦片成形、整體與裝配、部件焊接、組合焊縫焊接殘余應力測試與消除、整體正式裝配、水壓試驗等環節的關鍵技術措施和質量控制要點，并根據相應的規范標準對各工程環節得到的質量進行了評價。

制造質量控制；780MPa級鋼；月牙肋岔管；仙居抽水蓄能電站

0 引言

分岔管是一種由薄殼和剛度較大的加強梁組成的復雜的空間組合結構，主要應用于供水方式為集中供水或分組供水的電站。基于其復雜的受力狀態及自身的特點，岔管一般都為鋼岔管。岔管的水頭損失較大，在整個引水系統的水頭損失中占重要地位，因此，為了降低水頭損失，對岔管的設計、制造與安裝工藝的研究至關重要[1]。

目前，國內對鋼岔管的研究正在不斷發展。主要的研究包括：鋼岔管體形優化與結構設計[2-3]、鋼岔管材料的選擇、鋼岔管的制造安裝技術研究[4-5]，以上的研究都對減少水頭損失和保證鋼岔管強度要求起到了重要的作用，但對如何控制鋼岔管制造中的質量研究不多，對鋼岔管性能的保證不利。近年，對鋼岔管質量控制的研究開始增多，但主要都是針對制造過程中的某一工序的質量控制研究[6-7]，整體性不強。

本文以浙江仙居抽水蓄能電站為例，針對電站對鋼岔管的制造質量要求，研究鋼岔管制造工程的整體，通過實地施工、試驗與測試，總結出相關工序對鋼岔管質量的影響，并采取相應施工技術和措施，以達到對鋼岔管制造質量的控制。

1 仙居抽水蓄能電站岔管制造概況

仙居抽水蓄能電站位于浙江省仙居縣湫山鄉境內，地處浙南電網臺、溫、麗、金、衢用電負荷中心，距仙居縣城、臺州、金華的公路里程分別為50km、136km、138km，是一座日調節純抽水蓄能電站，主要服務于浙江電網，承擔系統調峰、填谷、調頻、調相及事故備用等任務。

工程樞紐由上水庫、輸水系統、地下廠房、地面開關站及下水庫等建筑物組成，屬一等大（1）型工程，總裝機容量1500MW，共安裝 4 臺單機容量375MW的混流可逆式水輪發電機組，設計年發電量25.125億kW·h，年平均抽水耗電量32.63億kW·h，綜合效率77%。

輸水系統按兩洞四機布置，引水隧洞（除上平洞外）均采用鋼板襯砌，鋼管內徑6.2m。下平洞布置兩個鋼岔管。

國內首次采用780MPa級鋼岔管是在20世紀80年代的云南魯布革水電站，其采用日本產鋼材和焊材，由日本制造。此后至今，日本為我國陸續制造多個780MPa級鋼岔管。21世紀初，吉林臺水電站采用日本鋼材和焊材，自主制造了國內首臺780MPa級鋼岔管，從此國內出現了自主制造的趨勢。仙居抽水蓄能電站引水系統鋼岔管系采用國產鋼材，部分采用國產焊材，部分采用日本焊材，為國內自主制造的最大徑780MPa級鋼岔管。

仙居抽水蓄能電站有鋼岔管共2只，每只凈重52t，型號均為對稱Y形內加強月牙肋型。鋼岔管的主管直徑為5m，支管直徑為3.5m，壁厚60mm，肋板厚120mm，HD值為3920m.m，設計內水頭（含水錘壓力）784m。鋼岔管所用的鋼材類型為寶鋼B780CF。

鋼岔管的主體工作包括岔管瓦片下料、成形、部件拼裝、整體預裝配、部件焊接等，其中，部件焊接采用富氬氣體保護焊，焊絲系哈爾濱焊接研究所的產品。

岔管制造的其余后續工作（如：整體正式裝配、剩余縱縫和所有環縫焊接、水壓試驗等）為在工地鋼管廠進行，工地焊縫采用手工電弧焊。

為確保工地裝焊質量，成立了QC小組，既抓工藝要點，又不放過工藝細節。除此以外，現場還設立了“質量曝光板”，及時糾正錯誤的工藝行為，使實施結果完全達到了QC小組預定的質量指標。

2 鋼岔管制作工藝的質量控制

2.1 焊接工藝評定試驗

一般地，決定焊接工藝評定試驗成敗的關鍵是焊接接頭中的焊縫區沖擊試驗是否合格，換言之，取決于焊材的質量。并且，須首先確定恰當的合格標準。

關于接頭韌性的合格指標，現行相關規范規定不具體。若按GB 50766—2012《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗收規范》的規定之一，“試樣吸收能量平均值不應小于母材標準值下限”的話，那么對于780MPa級鋼，使焊縫區達到-40℃、47J以上是困難的，原因是焊材的供貨指標就達不到，除非熱輸入小到不適于實際生產的程度。因此，現行日本《閘門壓力鋼管技術規范》已將780MPa級鋼焊接接頭韌性指標下限由原來的-40℃、47J降至0℃、47J。這樣仍能保證結構安全服役，且熱輸入不至于過小。

本工程為使接頭韌性有更大裕度，仍沿用≥-40℃、47J的高指標。工廠焊接用富氬氣體保護焊的方法和采用型號為HS-80A（GB/T 8110 ER76-G）的焊絲，工地焊接用手工電弧焊和型號為LB116（AWS A E 11016-G）的焊條。

以上兩種焊接方法工藝評定試驗結果全部一次合格。

2.2 坡口設計

根據設計或工藝需要，在焊件的待焊部位加工并裝配成的一定幾何形狀的溝槽，就叫坡口。坡口是主要為了焊接工件，保證焊接度。

坡口設計須注意以下幾點：

（1） 注意肋板與殼板的交角為變量；

（2） 注意坡口角度和坡口面角度的關系；

（3） 坡口角度不宜過小。本工程坡口按常規設計為不對稱X形。大坡口端角度不宜小于50°，否則焊條不能觸及到坡口根部，從而增加了氣刨量和刨槽打磨量；小坡口端不宜小于60°，否則會形成窄而深的氣刨槽，不利于打磨和焊接操作。

2.3 瓦片成形

如果瓦片成形差，則會引起岔管裝配間隙大、錯邊大和縱縫圓度不合適，從而導致強行組裝和裝配應力大，進而使焊接應力和焊接殘余應力大。焊接應力過大往往引發焊接裂紋；裝配應力大、殘余應力大、錯邊產生的彎曲應力和縱縫折曲引起的應力集中等，皆影響水壓試驗結果和威脅設備未來安全服役。

目前國內錐管瓦片成型方法有兩種：卷板機壓制和壓力機壓制，后者對成形較易控制，應優先采用。

直管段可卷制成形，但當管徑小、壁厚大時，為避免兩端出現過長的直邊，引起圓度超差，應預先用壓頭機壓頭，以減少殘留直邊。須提及，所謂上輥可前后移動的卷板機，仍有為板厚1.5～2倍的直邊，這對管徑在5m以下（尚與板厚和強度等級有關）時不適用。

本工程岔管各段全部為錐管，皆采用3000t油壓機壓形，用行程控制下壓量。因受液壓機尺寸限制，每個錐管各由3個或4個瓦片組成。由于已壓制成形的瓦片在組裝前擱置一段時間會產生回彈變形，故在預裝配前往往需再次壓制。

2.4 整體預裝配和部件焊接

由于運輸限制，每只岔管分解為13個部件（見圖1）。

圖1 岔管部件分解

在整體預裝配前，需完成月牙肋本體三塊對接拼焊、各錐管段組圓和工廠縱縫焊接。月牙肋最后裝配，其中關鍵是殼板與肋板相貫的工藝余量配割。本工程由于仔細配割和修磨，兩只岔管殼板與肋板裝配間隙全部小至0～2mm。這對減少裝配應力、防止裂紋和減少焊接殘余應力是十分有效的。

整體預裝配尺寸檢查合格后，原封不動，焊接與月牙肋毗連的兩個瓦片間的環縫以及月牙肋組合焊縫。

為便于后續整體正式裝配，再現預裝配狀態，本工程采用了套鉆孔的對合板卡具（見圖2）和舌口定位板。對合板卡具上孔的數量視鋼板厚度和部位可設4個或6個。

圖2 對合板卡具示意

對合板卡具數量不宜過少，其中每條縱縫宜設兩組對合板。否則，在后續的工地正式整體裝配時很難復原預裝配狀態，需另補加撘板，以致影響裝配質量和進度。其次，孔與螺釘的配合不宜過松。

本工程兩只岔管整體裝配尺寸均符合規范要求，各項指標基本處于允差的下限。

2.5 工廠焊接

焊縫內部無損探傷一次合格率是衡量焊接質量的重要指標。返修焊除浪費時間和費用外，還使殘余應力增大，惡化組織和性能，以及增加產生裂紋的可能性，所以本工程以零返修為目標。為此，除把焊工資質關外，還采取了如下措施：

（1）氣刨槽打磨面積近于100%，底部圓角半徑為4mm。

（2）對各焊層表面進行磨修。

這樣實施的結果是，兩只岔管工廠部件焊縫內部探傷一次合格率達100%。

2.6 組合焊縫焊接殘余應力測試與消除

原合同規定對月牙肋組合焊縫用振動時效進行消應處理。

組合焊縫焊后殘余應力測試采用盲孔法，對焊縫中心的測試點共6個。對兩只岔管測試得到的數據為：橫向平均應力為397.2N/mm2，拉應力峰值為584.4N/mm2；縱向平均應力為237.1N/mm2，拉應力峰值為375.7N/mm2。可以看出，測得的平均應力和拉應力峰值均遠小于月牙肋和管殼的實際屈服強度，對后續水壓試驗過程不會構成威脅。另一方面，振動時效消應對屈強比大于0.8的鋼材可能有風險，而B780CF鋼實際屈強比已高達0.85～0.94。其次，為防振動消應后變形，需加拘束，這樣會影響消應效果。

綜上，決定取消對月牙肋組合焊縫單獨進行消應處理。

2.7 整體正式裝配

預裝配解體后，宜盡快運至工地和及時進入整體正式裝配工序，以免產生變形導致裝配困難。

整體正式裝配應從容、仔細地進行，避免將尺寸誤差集中到一處，尤其是要避開對應力集中敏感的月牙肋兩端區域，應使其幾何偏差按下限控制，避免強行組裝，不隨意補加撘板。

在整體裝配時發現，因月牙肋組合焊縫部件已變形，造成裝配困難。那么，對于未來工程，假如不考慮該部件在工廠單獨進行消應處理，不如將該組合焊縫挪至整體正式裝配后再焊接。

本工程兩只岔管整體正式裝配尺寸全部在規范允許范圍內，沒有出現超差的情況。

2.8 工地拼焊

工地焊縫拼焊嚴格按工藝評定試驗結果確定的工藝參數，對各焊道進行了各種工藝參數測試和記錄。為確保焊縫零返修，與工廠焊接一樣，需控制氣刨槽質量和對各焊層表面進行磨修。這樣實施的結果是：兩只岔管包括悶頭在內工地焊縫探傷（UT：100%；TOFD：40%；MT：100%）一次合格率仍達100%，甚至“記錄缺欠”都極少。

其次，在拼焊過程中對預熱、道間溫度、后熱溫度環節等進行嚴格控制，所以兩只岔管無論是附件焊接、定位焊還是主縫焊接，制造全過程從未發現焊接裂紋。

2.9 臨時附件處理

岔管外部臨時附件清除量較大。一般的處理辦法是：先割除附件，然后氣刨，保留3mm高的茬，再磨除茬。但這種方法不但費工，且若氣刨操作不當，使留茬小于3mm，甚至傷及母材的話，則使母材表面形成脆硬組織或凹坑。根據日本數十年經驗，只要將角焊縫保留、沿焊趾將附件割除即能達到要求。若按現行壓力鋼管規范將附件完全保留的話，則其可能與混凝土聯合受力，產生應力集中。

因岔管內支撐在水壓試驗前必須斷開，水壓試驗后再恢復，故內支撐一端宜采用可拆卸的螺紋連接形式。此外，內支撐不宜采用管結構，因其可能給水壓試驗過程帶來影響，故需在水壓試驗前進行免費的切割處理。這兩點是本工程考慮不周之處。

2.10 水壓試驗

本工程將兩只岔管主管對接，對四支管設置臨時悶頭，以形成密閉容器，并將作為一個整體進行水壓試驗，其中設計技術要求最大試驗壓力為岔管分擔的設計壓力的1.25倍，即6.75MPa。試驗的重復次數為一次。

本次水壓試驗監測內容有：水壓試驗前后用X射線衍射法測試焊接殘余應力、水壓試驗應力測試、鋼岔管變形測試、水量—壓力曲線測試、水溫測試和聲發射技術安全測試等。

水壓試驗自2014年6月12日9時30分開始預壓，至次日3時42分卸壓完成。得到的結果為：兩次水壓試驗皆順利達到預定最大試驗壓力6.8MPa，整個試驗過程未發生任何異常現象。

兩次水壓試驗應力測試發生的最大拉應力分別為431.61MPa和485.86MPa，遠小于鋼板原始屈服強度711～774MPa。在聲發射監控中，第一次水壓試驗未發現有意義聲發射，第二次水壓試驗發現有意義聲發射，但隨后進行了超聲波復測，未發現缺欠。

兩次水壓試驗對岔管腰線、頂部和悶頭進行變形測試發現，各測點在各級試驗壓力下以及各測點變形量皆較均勻，且泄壓后各測點的殘余變形為0.5～1.1mm。其中第一次水壓試驗達最大壓力6.8MPa時的最大變形點在腰線位置，為6.7mm，而第二次水壓試驗在各級壓力下的各測點變形皆較第一次有所減小。

通過水壓試驗，殘余應力峰值由653MPa降至453MPa，即降低了31.7%，可認為消應效果顯著。該應力峰值出現在2號岔管底部月牙肋末端與殼板間工地環縫的熔合區，應力方向為環向原因是在裝配中錯誤地將裝配誤差集中在該區，造成裝配應力大和錯邊。

3 結束語

仙居抽水蓄能電站780MPa級鋼岔管制造遵從科學試驗，嚴格按照國家標準所規范的技術要求施工，抓住鋼岔管制造過程中的重點環節，并采取相應的工程措施，對其制造質量進行了嚴格的控制，使得焊縫檢測和水壓試驗等質量檢測均滿足或超過設計要求，制造技術達到了日本的制造質量水平，為國內自主制造780MPa級鋼岔管和岔管制造質量控制積累了經驗。

[1] 劉啟釗，胡明.水電站（第四版）[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[2] 陳觀福，伍鶴皋，王金龍.內加強月牙肋鋼岔管新型結構[J].長江科學院報，2001（1）： 23-26.

[3] 杜芳琴，伍鶴皋，石長征.月牙肋鋼岔管設計中若干問題的探討[J].水電能源科學，2012（8）：129-131,219.

[4] 趙云德，姚秀全.吉林臺一級水電站大型高強鋼月牙肋岔管制造安裝技術[J].水力發電，2006（6）：52-54.

[5] 莫建文.公格爾水電站B780CF高強鋼岔管制造與焊接[J].廣西水利水電，2014（2）：72-75.

[6] 譚金龍，段利明，曾壘，李彥勛，張寬寶.恰甫其海工程大型鋼岔管制造、安裝質量控制[J].云南水力發電，2007（2）：108-117.

[7] 張健，李作孝，李剛.淺析黔中水利平寨水電站鋼岔管質量控制[J].中國水能及電氣化，2014（5）：29-33.

何少云（1975—），男，高級工程師，主要研究方向：水電工程及技術管理。E-mail: sunny_he@sohu.com

付 強（1986—），男，助理工程師，主要研究方向：水電工程及安全管理。E-mail: fuqiang5fu@sina.com

Manufacturing Quality Control of 780MPa Grade Steel Bifurcation Pipes in Zhejiang Xianju Pumped-storage Power Station

HE Shaoyun，FU Qiang
（Zhejiang Xianju Pumped-Storage Power Co. Ltd.，Xianju 317300，China）

Manufacturing quality control of steel bifurcation pipes plays a vital role in ensuring that the steel bifurcation pipes performance better. This paper provides a overview of the key technical measures and mian points of quality contol of welding procedure qualification test，bevel design，tile molding，overall preassembled，parts welding，combination weld residual stress testing and elimination，overall formal assembly and hydrostatic test of 780MPa grade steel bifurcation pipes in Xianju pumped-storage power station. Moreover，each engineering process has been evaluated according to the corresponding quality standards.

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