塔貝拉水電站超大型卜形貼邊岔管制作安裝技術

金 勝，岳 廷 文，萬 天 明

(中國水利水電第七工程局有限公司 機電安裝分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

塔貝拉水電站位于巴基斯坦開伯爾-普什圖省境內，坐落于印度河干流上，其引水壓力鋼管由原有的4#泄洪洞改建而成。主管直徑13 m，通過4個鋼岔管將主管分為3趟、直徑為7.5 m的發電支管和2趟、直徑為8 m的泄洪管。

貼邊岔管技術參數：2個貼邊岔管縱向串聯布置，貼邊岔管主管直徑為13 m，支管直徑為8 m，分叉角為65°，貼邊岔管管壁厚度均為60 mm，相貫線位置設計了3層補強板，1、2層板厚為60 mm的高強鋼，第3層為在其銳角區沿圓周45°方向設置。單個岔管總重量為493.258 t。該工程布置了2個該尺寸的貼邊岔管(圖1)。

圖1 卜形貼邊岔管示意圖

岔管管壁及補強板選用首鋼生產的07MnCrVR(即抗拉強度610 MPa級高強鋼板)，管壁厚60 mm。單個貼邊岔管分為9個大節，共36張瓦片；三層補強板共分為32張瓦片；縱縫長145 m，環縫長617 m，焊接量較大。該貼邊岔管外貼三層補強板，補強板的形狀與主管和支管管壁相交的相貫線相似，第一層寬度為2.5 m，厚度為60 mm，第二層寬度為2 m，厚度為60 mm，第三層寬度為1 m，厚度為40 mm。

三層補強板重合且在相貫線位置多道焊縫相互重疊，同一位置焊接量大，應力集中。

在岔管制作安裝過程中，必須解決岔管瓦片的合理劃分、焊縫布置、主管與支管相貫線位置的焊接坡口角度、焊接變形的控制、管節的出廠形式、運輸方案、管節的吊裝與組裝、管節的焊接順序、補強板的焊接順序、焊接殘余應力的降低，這些相互關聯的工作決定了整個岔管的設備配置、焊接工藝、焊接殘余應力的大小及分布情況。

2 岔管制作安裝的技術準備

2.1 展開圖的校核

首先使用專用工具建模軟件，建立1∶1三維殼體模型，用模型轉換為下料放樣圖，然后采用傳統的數據計算方法進行展開放樣并與三維殼體建模展開的圖紙進行對比，確認其是否有大的誤差，然后進入下料排料程序。這是岔管瓦片劃分工作及精確下料之前必不可少的工作。

2.2 岔管瓦片的劃分

對岔管瓦片展開圖紙校核完成后，根據卷板設備的加工能力、運輸情況、供貨廠家鋼板的極限長寬對展開圖紙進行分片。

2.3 加工采用的專用設備

用于岔管制作的鋼材強度較高，加工過程中不允許火焰矯形及強制組裝。采用卷板機加工岔管瓦片的方法是在卷制時將上輥調整為與卷板素線平行進行小進輥量卷制。岔管高強鋼焊接時，需要進行預熱、后熱消氫及道間溫度控制，溫度控制采用4套自動溫控儀及手持式紅外測溫儀進行溫度監控及檢驗。

2.4 關鍵技術的解決

(1)多層貼板重合焊接坡口問題。貼邊岔管外設計了三層補強板，每層補強板焊縫要求焊透并達到1類焊縫要求。由于支管與主管相貫線不同位置的相交角度不斷地發生變化，導致下料時無法準確地確定焊接坡口的具體形式及尺寸。由于這一差異的存在，大型岔管如果用定值坡口就會引起焊縫坡口角度過大或過小的問題，使焊縫間的間隙嚴重超標。

為了解決上述坡口問題以及消除其他瓦片下料卷制過程中出現的缺陷問題，要求瓦片在下料卷板車間對下料卷制完成的管節瓦片及補強板瓦片進行預組裝，以保證卷板弧度及下料尺寸的精確性。對相貫線位置的坡口采用在預裝時根據不同的位置實時確認坡口的大小，以達到坡口形狀和尺寸最優。

(2)多層貼板焊接首先需要從工藝上考慮第一層貼板與鋼管管壁環縫及縱縫的錯縫問題；其次考慮貼板與貼板之間的錯縫問題。根據實際情況，不同層之間相鄰焊縫的錯縫距離為300 mm以上。

3 材料碳當量

對到貨的鋼板除按相關標準規定進行超聲檢測外，還根據鋼材的化學成分進行了碳當量Ceq、冷裂紋敏感系數Pcm及預熱溫度T的計算。從實際到貨情況看各項指標均達到要求。計算公式如下：

碳當量Ceq=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14=0.388%

冷裂紋敏感系數Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B

=0.188%

冷裂紋敏感性Pc=Pcm+[H]/60+δ/600

式中 [H]為熔敷金屬中擴散氫含量,最大值取0.9 mL/100 g；δ為鋼板厚度；Pc=0.303%。

預熱溫度T=1 440Pc-392 ℃。當板厚度為60 mm時，預熱溫度T=44.32 ℃；綜合考慮焊條因數及現場施工情況以及壓力鋼管規范，將預熱溫度控制在100 ℃。

4 岔管的制作

下料與切割：將由建模軟件中生成的1∶1瓦片模型進行分解，分解成為可直接下料的瓦片圖，圖紙為1∶1尺寸。下料時將圖紙直接轉換后輸入數控切割機，套料后數控切割機不開火焰在下料鋼板上行走一遍，無問題后開始正式下料。下料后檢測瓦片尺寸、對角線等。焊縫坡口按照圖紙規定的尺寸切割，切割后用砂輪將坡口打磨出金屬光澤。

岔管瓦片壓制成形：在瓦片加工前，應特別注意鏡像對稱瓦片內外壁的區分，如果卷制方向出現錯誤將會導致瓦片報廢。因此，在數控切割后，應在下料車間做出清晰的標識。

鋼板瓦片壓制、卷板時不允許錘擊，以防止在鋼板上出現錘擊傷痕。岔管鋼板壓制后，禁止采用火焰校正弧度。

岔管瓦片壓制采用素線法。在鋼板每間隔0.8～1 m標識出卷板素線。先壓制兩頭，再壓制中間。分多次將瓦片壓制成所需要的弧度。實踐證明：該加工方法具有非常高的加工精度，岔管所有瓦片的加工沒有采用過任何火焰校正，瓦片成形質量良好，對接處過渡平滑，從而為岔管制作安裝打下了堅實的基礎。

瓦片卷制包括板料對中、壓頭、卷弧和修弧四道工序。具體工藝如下：

(1)板料邊對正與管節壓頭。

先調整卷板機下輥，鋼板對正，啟動卷板機進行壓頭。在卷制過程中需注意盡量采用小進輥量反復多次卷制，以使其兩端弧度滿足要求。三輥卷板機壓頭時，通過移動下輥配合上輥進行，壓頭時利用弧形樣板檢測弧度至符合要求。

(2)管節卷弧與修弧。

管節壓頭完成后，將卷板機下(側)輥調整回原位，通過調整上輥反復卷制，其卷制順序為：先卷板端部、后卷中部。卷板過程中不斷使用樣板檢查調整，需注意盡量采用小給進量卷制。帶錐度瓦片卷制素線間隔0.8～1 m。

在卷制過程中，應及時檢查清除鋼板上的氧化皮、鐵銹及其他雜物。

卷弧后將管節以自由狀態立放在平臺上，用樣板、鋼盤尺檢查管節弧度、扭曲及錐度。若卷曲弧度不符合要求，則須重新吊至卷板機上修弧，直到其合格為止。

(3)現場管節對圓組裝。

岔管管節在平臺上采用立式組裝方式進行。組裝步驟如下：①檢查驗收瓦片；②吊裝瓦片對裝壓縫并調整對裝間隙；③檢查對裝縱縫的弧度；④對縱縫進行加固焊接；⑤加溫預熱至100 ℃；⑥焊接縱縫。在間隙和錯牙調整時,要同時使用鋼盤尺、弦長為1.5m的樣板、間隙檢查尺等檢查鋼管組裝后的圓度(每端管口至少測兩對直徑)、上下管口周長、縱縫處弧度、管口平面度、縱縫間隙以及縱縫處錯牙情況并調整至合格。縱縫組裝合格后，在管節背縫位置進行定位焊接，以確保其錯邊和坡口間隙不產生位移。定位焊焊接工藝和對焊工的要求與主縫相同，定位焊的起始位置應距焊縫端部30 mm以上；定位焊長度為最少50～60 mm，間距以不超過400 mm為宜。定位焊引弧與熄弧應在坡口內進行；定位焊縫上的碎屑、渣滓、油和其他雜物等均應清除后再焊接。

焊接要求為：①焊接坡口的清理，所有擬焊面和離焊接邊緣至少50 mm內鋼板面的氧化皮、鐵銹、油污或其雜質均應全部清理干凈，每一層焊接金屬表面焊渣均應徹底清理干凈，尤其是在焊下一層前必須清除所有焊渣。②定位焊位置應距焊縫端部30 mm以上，厚度不宜超過正式焊縫的1/2，最高不超過8 mm，但清根時應清除。③焊前預熱。由于整個岔管為高強鋼，因此，在焊接之前需要對焊縫預熱至100 ℃，層間溫度不應低于預熱溫度且不高于230 ℃。④焊接順序和焊接要求。對有多條縱縫的鋼管采用多人同時焊接。在焊接過程中，為減少變形和收縮應力，施焊前選定合適的焊接順序，盡量保證在各個不同側面受到的焊接預熱量達到平衡。對背縫進行碳弧氣刨清根、打磨時，將滲碳層打磨干凈。環縫的焊接與縱縫的焊接基本一致。在焊接過程中，需要6～8名焊工對稱施焊。⑤焊接規范參數。焊接規范按照焊接工藝評定確定的參數編制焊接作業指導書后下發執行。⑥焊接道間溫度的控制。層間溫度的控制是獲得優良焊縫金屬的必要條件。層間溫度一般控制在100 ℃～150 ℃，或控制在不低于預熱溫度、但最高不高于230 ℃。所有焊縫應盡量保證一次性連續施焊完畢，若因不可避免的因素確需終斷焊接時，在重新焊接前，必須再次預熱，預熱溫度不得低于前次預熱的溫度。⑦后熱消氫。后熱消氫方法：與預熱加熱方法相同，溫度為150 ℃～200 ℃，保溫時間為1 h。⑧焊縫檢驗：UT100%,TOFD20%,PT。

5 岔管的安裝

岔管管節吊裝到位后，搭設內外工作平臺，利用專用工具掛在鋼管外壁預設的壓碼上，用專用工具調整管節間隙及焊縫錯邊。

岔管相貫線上的焊縫布置形式見圖2。先安裝直徑13 m的主管側，主管安裝定位焊接完畢，安裝直徑8 m的支管側，然后安裝補強板。安裝順序見圖2，從①到⑧，依次安裝。

圖2 岔管相貫線上的焊縫形式圖

6 岔管補強板焊縫的焊接順序

在三層補強板的焊接過程中，因位于直徑13 m側及直徑8 m側補強板的焊縫都需要在相貫縫位置焊接，導致相貫縫焊縫的焊接基本重合在同樣的位置，在后焊接的過程中對以前焊接完成的焊縫反復進行加熱，降低了以前焊接的焊縫材料的機械物理性能，以及在同一位置太多的焊縫重合不可避免地會導致應力集中。因此，在焊接過程中，應嚴格控制焊接線能量的輸入，減少每道焊縫的熱影響區范圍，盡可能地降低對焊縫機械物理性能的影響。

單層貼板的焊接順序(圖3)：(1)焊接相貫縫；(2)焊接內側塞焊孔；(3)焊接補強板對接縫；(4)焊接外側的塞焊孔；(5)焊接補強板外側的角焊縫。

在焊接過程中，需要解除定位焊、拉板等的約束；同時，為了防止在焊接相貫縫的過程中外圈角焊縫位置的鋼板產生較大的角變形，可以使用壓板在外圈角焊縫位置將補強板鋼板壓住，但不得焊接固定，必須保證相關縫焊接時補強板能沿著圓周方向自由收縮，以達到降低焊接應力的目的。

圖3 岔管補強板焊縫的布置和焊接順序圖

直徑8 m側焊接順序與直徑13 m側補強板焊縫焊接順序相似，同樣是先開始焊接相貫線位置，其次焊接靠相貫線側的塞焊孔，再焊接縱縫，之后焊接第二排塞焊孔，最后焊接離相貫縫最遠的角焊縫。

7 岔管的檢驗

岔管的幾何誤差按照國標GB50766-2012實行，探傷要求為1、2類焊縫100%UT，20%TOFD抽查。該岔管的相貫線位置焊縫及補強板之間的對接縫全部按照1類縫檢測。在該超大型岔管施工完畢，該岔管參與了塔貝拉水電站岔管群的聯合水壓試驗，試驗壓力為2.4 MPa，保壓2 h，該壓力約為工作壓力的1.5倍，水壓試驗結果為合格。該岔管在經過超工作壓力的水壓試驗后，焊接殘余應力峰值得到了削減，從而有利于后期長時間運行。

8 結 語

隨著我國水電建設的高速發展，在超大型壓力鋼管上使用超大型岔管將會變得常見。本工程在制作安裝中使用了新的技術及建模軟件、新的結構焊接工藝技術等，筆者希望通過本文使大家了解到塔貝拉水電站岔管制作安裝技術，供同行指正。