壓力鋼管安裝過程中的焊接變形控制研究

王亞杰

摘 要：大、中型水電站焊接鋼結構主要有壓力鋼管（包括蝸殼）、鋼閘門、啟閉機結構件、水輪機焊接座環、發電機圓盤轉子支架以及其他大型鋼結構件。這些水工鋼結構大多是設計水頭高、容量大、構件龐大、結構受力復雜、焊接質量要求高的焊接結構，除了上述主要特點外，現場焊接環境條件比較差也是水工鋼結構焊接的主要特點。

關鍵詞：壓力鋼管；現場安裝；焊接變形

1 引言

系統概括了壓力鋼管焊接變形的影響因素及控制對策，結合實例闡述了有效控制壓力鋼管現場安裝時焊接變形的關鍵在于控制線能量，采用合適的施工工藝。壓力鋼管是水電站重要的組成部分，有壩內埋管、地下埋管、明管三種布置形式，壓力鋼管的主要結構通常有主管、彎管、分岔管、錐管。由于壓力鋼管龐大，一般都是在水電站工地上進行焊接（制作、安裝）。隨著水利水電工程漸趨大型化，壓力鋼管的P·D（水頭×管徑）值越來越大。如果采用普通鋼材制作鋼管，必須增加鋼管壁厚，對其制作、運輸和安裝帶來極大困難。因此，鋼管制作使用的材料強度等級也越來越高。

2 鋼管現場安裝焊接的管理

水利水電焊接施工與其它行業的焊接施工相比有它的特殊性，涉及的材料種類較多，手工焊接占的比例較高，焊接位置變化多樣，野外作業較多，特別是安裝過程，受施工環境的影響較大，點多面廣，不容易實現規范化管理。水利水電焊接施工尤其是水工金屬結構安裝焊接施工管理難度十分大。在開展現場安裝焊接工作前要充分了解設計及質量要求，做好實施計劃、施工準備及施工控制。焊接技術措施和組織措施都是圍繞如何有效而經濟地保證產品焊接質量符合設計要求，將焊接返修率盡可能地降低。必須做好以下幾個方面：預防出現質量問題，首先必須充分了解焊接產品的設計及質量要求，做好焊接施工的準備。工藝必須處于受控狀態，嚴肅工藝紀律，加強人員特別是焊工的培訓，提高操作水平，改進焊接方法如選用自動焊接，提高焊接設備的可靠性，使焊接施工生產過程穩定。做好焊接記錄和相應的技術文檔工作，便于及時對焊接過程和焊接成果進行有效的評價和控制。

3 壓力鋼管安裝的焊接

3.1 焊接工藝

鋼管施焊前，將對主要部件的組裝進行檢查，有偏差時及時予以校正。各種焊接材料要按規定進行烘焙和保管，焊接時，將焊條放置在專用的保溫筒內，隨用隨取。為了盡量減少變形和收縮應力，在施焊前選定定位焊點，和焊接順序，應從周圍約束較大的部位開始焊接，向約束較小的部位推進。雙面焊接時，在其單側焊接后進行清根并打磨干凈，再繼續焊另一面。對需預熱后焊接的鋼板，應在清根前預熱。每一條焊縫應一次連續焊完，當因故中斷焊接時，采取防裂措施，在重新焊接前，應將表面清理干凈，確認無裂紋后，方可按原工藝繼續施焊。焊接完畢，焊工將進行自檢。

3.2 焊接要求

焊接工作環境應在洞內風速不大于8m/s，相對濕度不大于90%，環境溫度不底于-4度的情況下進行。如遇超過以上不利因素情況，應采取有效措施。如無防范措施時，嚴格執行停止焊接工作。施焊前對焊口進行組裝工藝檢查，如有超限偏差，應及時糾正合格才能進行焊接。嚴格執行焊條烘干取出后放在保溫桶內，隨取隨用。嚴格執行確定的焊接規范，不得隨意更改工藝參數。為盡量減少和收縮變形，在施焊前選定焊點和焊接順序，焊接順序應從構件受周圍約束力較大的部分開始焊接，向約束力小的方向推進。多層焊間接頭應錯開，整條焊縫應盡量連續完成，不得中斷，安裝環縫，多名焊工焊接時，應注意從中心位置兩側對稱位置同時進行。如遇不利條件，影響焊接因素，應采取有效防護措施。如遇特殊情況，因故中斷一條焊縫不能一次焊完時，應采取防裂措施，在重新焊接前應將表面清理干凈，確認無裂紋后方可按原焊接工藝進行焊接。拆除引、斷弧板時，應不傷及母材。焊接完畢，焊工應按DL5017—93第6.3.9條規定自檢。

3.3 焊接的質量檢驗

一類焊縫鋼管縱縫100%超聲波檢查。二類焊縫鋼管環縫30—50%超聲波檢查無損探傷應在焊接完成24小時后進行。進行無損探傷應嚴格遵守DL5017-93的規定。焊縫無損探傷的抽查率應按施工圖紙規定采用。若施工圖紙未規定時，按下表確定。抽查部位應按監理工程師的指示選擇在容易產生缺陷的部位，并應抽查到每個焊工的施焊部位。

4 線能量的控制

（1）減小線能量。減小線能量，能有效防止焊接接頭的橫向收縮、縱向收縮（縱彎）、角變形和波浪變形，其中T形接頭的橫向收縮和角變形的效果最好。對于壓力鋼管而言，由于主要是縱向焊縫和橫向焊縫，在施工過程中，應控制橫向收縮、縱向收縮（縱彎）、角變形和波浪變形，其中角變形和波浪變形對于圓度控制有著重要意義。在線能量一定時，板厚δ增大，收縮變形減小；但由于壓力鋼管必須焊透，焊條金屬熔敷量W隨板厚δ增大而增大（或線能量增大），收縮變形量勢必也增大。兩者疊加，后者影響更大，而且在實際施工過程中，焊縫也未必能一次就焊透符合要求，不可避免局部返修，一旦板厚δ增大，不可避免增大收縮變形量。因此，板厚δ在設計過程中應予以充分考慮，盡量優化。對于前面提及的根部間隙或坡口的影響，主要在制作時控制好。鋼板畫線、下料尺寸要精確，應在專用平臺下料（平臺平面度控制在2mm）開坡口。另外，鋼板卷制時應特別控制鋼板寬度中心線與卷板機卷輥軸心線的垂直度。如果不垂直，那么在拼裝單件成圓時，會增加縱縫的修整工作量，容易造成縱縫的間隙大大超標。如果縱縫的坡口也事先開好，那很可能就要重新修整，再開坡口，那間隙就大了。實際操作中，如果是薄板，縱縫往往在拼裝單件成圓時先將周長方向多余部分割除，再開坡口。這一方法雖然坡口間隙不大，但是用手工割除多余部分鋼板時，不可能很直，縱縫線性彎彎曲曲，極不規則，對于焊接變形、焊接質量有不利影響。對于厚板結構，當圓半徑較小時，還是應當精確下料（預留縱向焊縫壓頭長度），開好橫向坡口，卷制成弧后利用半自動切割機切除縱向焊縫多余部分并開好坡口，然后進行裝，這樣對焊接變形、焊接質量影響最小。

（2）自由收縮。焊前給予結構反變形與焊接后收縮變形相抵，從而可以減小甚至消除結構因焊接引起的變形。為此，對于縱向焊縫先焊內側，應在拼裝時適當讓拼裝構件的圓半徑應略大于基準圓半徑（具體數據因管徑、板厚不同各異，可以在施工實踐中由實踐經驗得出），焊接收縮后兩圓即基本重合，從而很好地消除了角變形。

5 總結

通過本文的研究可以得出以下兩條結論：首先，壓力鋼管焊接變形控制是控制形位尺寸的一個重要因素，只有做好的焊接工作才能對工程的質量有所保證。其次，控制焊接變形主要是控制線能量，線能量應由焊接工藝評估確定，在線能量的控制上最重要的還是要根據實際的工程來確定科學的控制力度。

參考文獻：

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