國產(chǎn)800 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼壓力鋼管焊接工藝研究

陳 博，陳招明

(中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧沈陽110000)

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國產(chǎn)800 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼壓力鋼管焊接工藝研究

陳 博，陳招明

(中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧沈陽110000)

洪屏抽水蓄能電站壓力鋼管采用國內(nèi)鋼廠生產(chǎn)的WSD690E高強(qiáng)鋼板，這種鋼材的合金化體系比較復(fù)雜，且本工程壓力鋼管壁厚較大，有許多焊接方面的技術(shù)問題亟待解決。編制了詳細(xì)的焊接工藝，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了焊接工藝的適宜性。介紹了800 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼壓力鋼管焊接工藝控制，分析了焊接橫向裂紋的產(chǎn)生機(jī)理，并提出了解決方案和處理措施。

800 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼；焊接工藝；橫向裂紋；洪屏抽水蓄能電站

0 引 言

江西洪屏抽水蓄能電站壓力鋼管主要布置在輸水系統(tǒng)。其中，800 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼壓力鋼管布置在引水下豎井、引水下平洞及引水支管。壓力鋼管管徑4.8～2.1 m，壁厚30～52 mm，總質(zhì)量2 111.32 t。800 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼壓力鋼管采用國內(nèi)舞陽鋼廠生產(chǎn)的牌號(hào)為WSD690E高強(qiáng)鋼板，這種鋼材的合金化體系比較復(fù)雜，合金元素含量較高，屈服比較大，且為調(diào)制狀態(tài)供貨。同時(shí)，本工程壓力鋼管壁厚較大，國內(nèi)如此大量使用此種鋼材尚數(shù)首例，無應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，有許多焊接方面諸如鋼材的裂紋傾向及預(yù)熱溫度、最佳線能量范圍的確定及其控制等技術(shù)問題亟待解決。

1 材料性能

WSD690E鋼板的化學(xué)成分見表1。力學(xué)性能見表2。

2 焊接工藝

通過前期的積極準(zhǔn)備，收集相關(guān)資料，并與舞陽鋼廠的焊接專家進(jìn)行探討，編制了詳細(xì)的焊接工藝。焊接工藝參數(shù)見表3。

為了驗(yàn)證所編制焊接工藝的適宜性，在正式焊接生產(chǎn)前，組織相關(guān)焊工進(jìn)行了焊接工藝性試驗(yàn)，

表1 化學(xué)成分(熔煉分析) %

表2 力學(xué)性能

厚度δ/mm屈服強(qiáng)度Rp0.2/MPa抗拉強(qiáng)度Rm/MPa延伸率A/%夏比“V”形沖擊功(橫向)溫度/℃沖擊能量Akv/J180°冷彎試驗(yàn)≤40≥670770～940≥14-40≥47d=3a>40≥660750～920≥14-40≥47d=3a

注：d為彎心直徑；a為試樣厚度。

表3 焊接工藝參數(shù)

焊接方法焊接位置預(yù)熱溫度/℃層間溫度/℃焊條或焊絲直徑/mm焊接電流/A焊接電壓/V焊接線能量/kJ·cm-1手工電弧焊F100℃100～1503.2490～140130～18020～26V100℃100～1503.2480～150110～18020～26H100℃100～1503.2490～130130～18020～26O100℃100～1503.2480～150110～18020～2610～20埋弧自動(dòng)焊F80℃80～1504450～70026～36≤35

按照J(rèn)B 4708—2000《鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定。采用“X”形坡口對(duì)WSD690E高強(qiáng)鋼鋼板對(duì)接焊縫及WSD690E與WDB620D高強(qiáng)鋼鋼板對(duì)接焊縫進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)的材料、板厚、坡口形式與工藝涵蓋了實(shí)際所有焊縫類型[1]。在環(huán)境溫度和濕度非常理想的狀態(tài)下，焊接試板焊后經(jīng)X射線探傷和超聲波探傷檢查合格，評(píng)定該焊接工藝符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可以指導(dǎo)施工。焊接工藝評(píng)定結(jié)果見表4。

表4 焊接工藝評(píng)定結(jié)果

序號(hào)材料檢驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)項(xiàng)目檢驗(yàn)結(jié)果1WSD690Eδ=32mm“X”形坡口SMAW.F.+V.+H+.OSAW.F拉伸彎曲沖擊合格2WSD690Eδ=50mm“X”形坡口SMAW.F.+V.+H+.OSAW.F拉伸彎曲沖擊合格3WSD690E/WDB620δ=32/30mm“X”形坡口SMAW.F.+V.+H+.OSAW.F拉伸彎曲沖擊合格

3 現(xiàn)場(chǎng)焊接的實(shí)施

因壓力鋼管的制造廠采用流水線作業(yè)方式，為保證焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，所有800 MPa級(jí)壓力鋼管焊縫均采用埋弧焊進(jìn)行焊接，定位焊、焊接缺陷返修采用手工焊。

埋弧焊焊絲和焊劑均選用大西洋CHW-S10+CHF101；手工焊焊條采用大西洋CHE807RH[2]。施焊前，焊條和焊劑必須進(jìn)行烘焙，烘干溫度350 ℃，烘干時(shí)間2 h，保溫100 ℃。800 MPa級(jí)壓力鋼管瓦片卷制、組對(duì)完成后，經(jīng)檢查合格，在焊縫外側(cè)進(jìn)行定位焊，定位焊預(yù)熱溫度120 ℃，比正常焊接高20 ℃[3]。預(yù)熱采用履帶式紅外加熱裝置進(jìn)行加熱。定位焊工藝參數(shù)按照焊接工藝評(píng)定執(zhí)行。

正式焊接前，在縱縫兩側(cè)焊接引弧板和熄弧板(尺寸不得小于100 mm×100 mm)，并用碳弧氣刨在引弧熄弧板上刨出焊接坡口，焊前預(yù)熱溫度為80～120 ℃。焊接時(shí)，由內(nèi)側(cè)焊縫開始施焊，采用多層多道焊，每道焊縫厚度不大于4 mm，采用電動(dòng)風(fēng)鏟清理層間焊渣，層間溫度控制在80～150 ℃，焊接線能量控制在32 kJ/cm以下[4]。內(nèi)側(cè)焊縫焊接完成后，用碳弧氣刨清根，刨槽前端半徑應(yīng)在5 mm以上，寬度應(yīng)稍大于深度，呈“V”形。

4 焊接過程中存在的問題

800 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼壓力鋼管制作過程中，δ=52 mm鋼管縱縫埋弧焊焊接完成48 h后，經(jīng)超聲波探傷檢查，在縱縫兩端0～400 mm范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)橫向裂紋，深度為30～35 mm，經(jīng)多次返修后仍無法消除。橫向裂紋位于焊縫中央，垂直于焊縫，熱影響區(qū)與母材未發(fā)現(xiàn)橫向裂紋。采用碳弧氣刨清除裂紋焊縫時(shí)，裂紋發(fā)展延伸，幾乎貫穿焊縫。埋弧焊縱縫橫向裂紋見圖1。橫向裂紋易發(fā)生部位見圖2。

圖1 埋弧焊縱縫橫向裂紋

圖2 橫向裂紋易發(fā)生部位(單位：mm)

4.1 橫向裂紋成因分析

對(duì)橫向裂紋的成因進(jìn)行了分析和討論認(rèn)為，橫向裂紋的產(chǎn)生與下列因素有關(guān)：

(1)外部環(huán)境。因800 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼壓力鋼管正式生產(chǎn)的時(shí)間為12月，正值深冬，白天氣溫5 ℃，夜間氣溫-2 ℃，環(huán)境溫度與焊接工藝評(píng)定時(shí)的環(huán)境溫度發(fā)生較大變化。

(2)焊接過程中，焊接層間溫度不均，尤其橫向裂紋發(fā)生區(qū)域焊縫處的層間溫度較高。

4.2 橫向裂紋形成機(jī)理

焊接橫向裂紋常起源于淬硬傾向較大的合金鋼焊縫邊界，并延伸至焊縫和熱影響區(qū)，尺寸不大但常顯露于表面。厚板多層焊接時(shí)，則發(fā)生在距焊縫上表面有一小段距離的焊縫內(nèi)部，其方向大致垂直于焊縫軸線，且往往與氫脆有較大聯(lián)系。

(1)氫脆現(xiàn)象。WSD690E鋼板在焊接時(shí)，焊縫的合金成分較高，淬硬性高于母材，熱影響區(qū)的轉(zhuǎn)變可能先于焊縫，此時(shí)氫就從熱影響區(qū)向焊縫擴(kuò)散，原來焊縫中較高的含氫量也滯留在焊縫中，產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象。

(2)淬硬現(xiàn)象。WSD690E鋼板Ceq≤0.57%，淬硬傾向較高。在焊接時(shí)，近縫區(qū)的加熱溫度很高(達(dá)1 350～1 400 ℃)，奧氏體晶粒嚴(yán)重拉長，快冷時(shí)轉(zhuǎn)化為粗大馬氏體，性能更為脆硬，且對(duì)氫脆更為敏感[5]。

(3)拘束度的影響。WSD690E鋼板在焊接時(shí)，焊縫兩端被固定，每道焊縫的焊接完成后，層間溫度過高；冷卻過程中，因冷卻速度不均，焊縫產(chǎn)生的熱應(yīng)力集中在溫差變化較大區(qū)域，且垂直于焊縫軸線方向[6]。

總之，WSD690E鋼板產(chǎn)生焊接橫向裂紋的機(jī)理在于鋼種淬硬之后受氫的侵襲和誘發(fā)，使之脆化，在拘束力的作用下產(chǎn)生了橫向裂紋。

4.3 橫向裂紋的預(yù)防辦法

(1)因冬季施工，環(huán)境溫度較低，應(yīng)適當(dāng)提高焊前預(yù)熱溫度，將預(yù)熱溫度從80 ℃提高至100 ℃。

(2)嚴(yán)格控制層間溫度，控制在100～120 ℃左右。

(3)冬季施工，適當(dāng)降低焊接線能量，選用合理的焊接工藝參數(shù)。調(diào)整后焊接工藝參數(shù)見表5。

表5 調(diào)整后焊接工藝參數(shù)(δ=52 mm)

焊接方法焊接層數(shù)焊絲直徑/mm焊接電流/A焊接電壓/V焊接速度/cm·min-1焊接線能量/kJ·cm-1層間溫度/℃埋弧焊內(nèi)14.0530334523.3103內(nèi)24.0550334524.2105內(nèi)34.0550334524.2108內(nèi)44.0550334524.2113內(nèi)54.0550334524.2109內(nèi)64.0550334524.2101內(nèi)7～164.0550334524.2100～120外14.0530334523.3107外24.0580344526.3105外34.0550334524.2111外44.0550334524.2108外54.0550334524.2109外64.0550334524.2112外7～114.0550334524.2100～120

4.4 橫向裂紋手工焊返修工藝

(1)碳弧氣刨刨除缺陷前，必須進(jìn)行焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度比手工焊正式焊接預(yù)熱溫度高出20 ℃。

(2)氣刨完成后，采用磁粉探傷，檢查根部裂紋是否清除干凈；裂紋清除干凈后，檢查刨槽尺寸是否滿足規(guī)定要求，且必須打磨干凈。

(3)手工焊焊接時(shí)，選用合理的焊接方式。經(jīng)多次不同方式焊接試驗(yàn)，因立焊的焊接線能量較小，能取得較好的結(jié)果，再次發(fā)生橫向裂紋的幾率較低，故于工焊采用立焊方式。

(4)焊前必須控制預(yù)熱溫度在100 ℃左右；焊接過程中嚴(yán)格控制層間溫度在100～120 ℃左右。

5 結(jié) 語

WSD690E高強(qiáng)鋼在目前國內(nèi)水電建設(shè)中應(yīng)用較少，屬新的鋼種。隨著國內(nèi)越來越多的高水頭電站的興建，尤其是抽水蓄能電站的高速發(fā)展，國產(chǎn)800 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，WSD690E高強(qiáng)鋼將會(huì)大量應(yīng)用。本文針對(duì)WSD690E高強(qiáng)鋼壓力鋼管焊接工藝的研究，促進(jìn)了800 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼鋼板的推廣和應(yīng)用，可供同類電站借鑒。

[1]JB 4708—2000 鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定[S]．

[2]余燕， 吳祖乾. 焊接材料選用手冊(cè)[M]. 上海： 上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社， 2005．

[3]陳祝年. 焊接工程師手冊(cè)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2002．

[4]GB 50766—2012 水利水電工程壓力鋼管制作安裝及驗(yàn)收規(guī)范[S]．

[5]殷樹言， 劉金合， 陳善本， 等. 焊接手冊(cè)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2008．

[6]張文鉞. 焊接冶金學(xué)基本原理[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2003.

(責(zé)任編輯 楊 健)

Study on Welding Technology of Domestic 800 MPa-grade High Strength Steel Penstock

CHEN Bo, CHEN Zhaoming

(Sinohydro Bureau 6 Co., Ltd., Shenyang 110000, Liaoning, China)

The penstock of Hongping Pumped-storage Power Station is manufactured by domestic high-strength steel WSD690E. As complex alloyed system of steel and greater pipe wall thickness of penstock, there are many technical problems to be solved in the welding of steel. A detailed welding technology is prepared and the suitability of welding process is verified by welding tests. Actual welding process control of this 800 MPa-grade high strength steel penstock is introduced. The mechanism of transverse weld cracking is analyzed and the solutions and crack treatments are also proposed．

800 MPa-grade high strength steel; welding technology; transverse crack; Hongping Pumped-storage Power Station

2016- 06- 07

陳博(1984—)，男，陜西西安人，工程師，主要從事水工金屬結(jié)構(gòu)技術(shù)管理工作．

TG457.6(256)

A

0559- 9342(2016)08- 0045- 03