壓力鋼管WDB620高強鋼不預熱焊接技術

王志強，馮汝華，李 剛

（北方國際合作股份有限公司，北京100040）

1 概述

老撾南湃（Nam Phay）水電站位于老撾萬象省北部Phoun區，壩址位于南俄河（Nam Ngum）支流南湃河（Nam Phay）滿鋪恩村（B.Muangphoun）下游。電站壩址距老撾首都萬象約249.5 km，廠房距萬象約193.5 km。

本工程為長引水式電站，主要任務是發電，水庫正常蓄水位1140.00 m，總庫容2.059億m3，電站額定水頭700 m，設計引用流量14.03 m3/s，總裝機容量86 MW，工程規模為二等大（2）型工程。本工程樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、溢洪洞、進水口、引水隧洞、壓力鋼管及發電廠房、尾水系統等組成。

該水電站壓力鋼管總長1468.96 m，其中洞內埋管長度為829 m，鋼筋混凝土外包管段長為639.96 m， 沿線布置6個鎮墩，在1號鎮墩附近設1個檢修進入孔。壓力鋼管管徑2.0 m，管內流速4.6 m/s，除埋管段前700 m鋼管采用Q345 C鋼材外，其他均采用WDB620型高強鋼。岔管采用對稱“Y”形岔管，“一管兩機”。壓力鋼管主管內徑2.0 m，主管壁厚為 26、28、30、32 mm。岔管壁厚分別為 38、42、44、46 mm，肋板壁厚 92 mm。

2 不預熱焊接工藝的提出

南湃水電站壓力鋼管WDB620高強鋼部分占比很大，管軸線長，如采用傳統的“焊接前預熱、焊接后后熱”的工藝，需要投入大量的人力物力，而且，施工工序也較繁瑣，工程量是非常大的。因此，思考一種較簡潔的施工工藝能否取代傳統的施工工藝。

2.1 WDB620鋼板材料分析

通常情況下，低合金高強鋼中合金元素的含量較多，使得其具有比較高的淬硬性傾向， 在焊接熱影響區極易產生冷裂紋。所以，高強鋼在焊接前需要對其進行一定程度的預熱，所以，預熱就變成了一個難題，在浪費人力物力的同時，極大地降低了工作效率。因此，對WDB620鋼的焊接工藝試驗，是整個工程中的關鍵一步。本文論述的主要內容即為WDB620高強鋼無預熱焊接技術。

WDB620鋼是近年來發展的一類焊接性能優良的高強度鋼，該鋼種采用微合金化和控軋工藝，鋼材的強度不再依賴于添加固溶強化元素，而是采用Mn-Mo-Nb-B合金系列以形成貝氏體為強化手段，在合理地控軋工藝下充分細化鐵素體和貝氏體組織，使得鋼材的碳當量大幅度下降，同時使得焊接裂紋敏感性組分Pcm相應大幅度降低。據相關文獻，“WDB620的Ceq≤0.41%，Pcm≤0.20%，WDB620鋼板的最大厚度達到50 mm，可采用不預熱或低溫余熱的方式進行焊接，焊接接頭性能達到與母材同等的水平，并且表現出較低的裂紋敏感性。”（《超低碳貝氏體鋼的焊接性》，舞陽鋼鐵有限責任公司，姚連登等著。）

WDB620含 C、S、P、B 量很低的 Cr、Mo、V 系低合金鋼，有著優良的綜合力學性能，而且它是一種非調質高強鋼，較通常所用的調質高強鋼裂紋傾向性小，抗拉強度≥620 MPa，是一種具有很好的焊接性和抗裂性的鋼種。Mn含量較高，約為1.00%～1.60%，可以減小高溫脆性區，因而，WDB620鋼是一種可以減小高溫脆性區的鋼種。WDB620鋼的化學成分見表1。

表1 WDB620鋼板化學成分（%，熔煉）

參照WDB620鋼材化學成分，該特種鋼碳當量Ceq≤0.416%，焊接裂紋敏感系數Pcm≤0.20%，與其他調質高強鋼相比較而言，具有良好焊接性能，裂紋傾向較小。

2.2 通用可焊性對預熱溫度的判定

根據《低焊接冷裂紋敏感性高強度鋼標準（WES3009-1983）》通 用 可 焊 性 判 定 依 據：Ceq≤0.41%，且焊接裂紋敏感性組分Pcm≤0.20%時小于40 mm板厚可不作焊前預熱。

結合WDB620鋼材化學成分，南湃水電站壓力鋼管主管壁厚為 26、28、30、32 mm，可以不預熱。

另，防止裂紋產生的預熱溫度公式（《低焊接冷裂紋敏感性高強度鋼標準（WES3009-1983）》）：

其中：Pc-焊接裂紋敏感系數，H-焊縫金屬擴散氫含量、2 mL/100 g，Pcm-焊接裂紋敏感性組分，To-防止冷裂紋的溫度。

據此公式計算，板厚為40 mm的WDB620鋼的預熱溫度計算為To=9.76℃。老撾在當期的焊接環境溫度26℃左右、濕度80%RH左右，故40 mm以下板厚在該工況下，應無需進行焊前預熱。

2.3 壓力鋼管的結構分析

從結構的觀點來看：壓力鋼管屬于簡單的幾何形狀，屬低次靜定結構，通過科學的焊縫布置和合適的焊接工藝，可以使焊接殘余應力盡可能的均布，從而避免焊接接頭產生焊接裂紋。

因此，基于以上3個方面的分析，并結合老撾當地的氣候特點，提出老撾南湃水電站采取“不預熱焊接”工藝對整個壓力鋼管直管段的WDB620高強鋼安裝環縫進行焊接。

確定“不預熱焊接”工藝的方案后，施工現場立即著手焊接工藝實驗，形成焊接工藝評定報告，得到了“不預熱焊接”工藝的理論依據。

3 不預熱焊接工藝的確定

3.1 焊接方式

根據現場施工的特點并本著經濟適用的原則，直管制作的縱縫和部分環縫均采用埋弧自動焊焊接，安裝環縫全部采用手工焊焊接。

3.2 焊材選用

根據WDB620高強鋼的化學成分、焊接特性及坡口形式等方面選取焊材。按《等強度匹配》原則，手工焊焊接材料選用四川大西洋生產的牌號CHE62CFLH超低氫鈉型藥皮堿性焊條，直徑Ф4.0 mm，自動焊焊接材料選用四川大西洋生產的牌號H08Mn2MoA，直徑Ф4.0 mm，焊劑：CHF113。

3.3 不預熱試板焊接工藝評定報告

老撾南湃水電站壓力鋼管用WDB620鋼板，施工現場針對預熱和不預熱2種工藝進行了平、立、橫、仰焊，埋弧自動焊平焊進行對比焊接工藝試驗，并對母材熱影響區和熔敷金屬化學成分檢查、焊縫外觀檢查、無損檢查、拉伸試驗、沖擊試驗、彎曲試驗、金相檢驗和硬度檢驗等各項試驗，試驗項目數據全部合格且二者差別極小。

結果表明，不預熱焊接工藝適用于在老撾當地高溫環境下進行焊接。

4 焊接實施

在具體焊接過程中，從焊接人員、焊接材料、過程控制、焊后檢測等方面全方位進行控制，有效保證了焊接質量。

4.1 焊接人員條件

參加南湃水電站壓力鋼管焊縫焊接的焊工必須持有與壓力鋼管板材種類、焊接方法與焊接位置相適應的焊工合格證。所有焊工必須參加監理主持的現場考試，并須持有監理單位頒發的上崗證才能上崗。

4.2 焊材的管理

焊材入庫時，必須有出廠材質證明書或質量合格證書。

焊材存放在專用架子上，貨架離地面高度間距不小于300 mm，離墻壁間距不小于300 mm，嚴格防備焊材受潮。焊條堆積的體積不能過大，寬度不大于兩排，高度不超過1.2 m。

焊材堆放時應按種類、牌號、規格、入庫時間分類堆放，每垛應有明確標記，避免混亂。

焊條烘烤、發放應填寫烘烤發放記錄，焊條在使用前按焊條使用說明書的規定進行烘烤，一般低氫型焊條（300～380℃）烘烤 1～2 h并保溫。

領取焊條時，應特別注意焊接材料的標識，以免發生錯用，造成質量事故。

焊條使用過程中必須裝入保溫筒，保溫桶要接通電源進行保溫，焊條隨取隨用，烘干后的焊條在保溫筒內超過4 h時應重新烘干，烘干次數不超過2次。

4.3 施焊前準備

焊前清除坡口及其兩側（待焊部位及周圍）10～20 mm范圍內的水分、油污、鐵銹、氧化層等，并打磨出金屬光澤。

定位焊位置距焊縫端部30 mm以上，其長度在50 mm以上，間距為100～400 mm，厚度不宜超過正式焊縫高度的1/2，最厚不宜超過8 mm。施焊前，認真檢查定位焊質量，如有裂紋、氣孔、夾渣等缺陷及時清除干凈再焊，不得隨意在母材上引弧和熄弧，定位焊的引弧和斷弧在坡口內進行，焊接助焊板及定位焊采取與正式焊接相同的焊接工藝。

4.4 縱縫、環縫的焊接

縱縫、環縫采用埋弧自動焊和手工焊接。坡口形式如圖1：

圖1 手工、埋弧自動焊焊接坡口形式

焊接過程中，層間溫度控制在150～200℃為宜。

4.5 焊接工藝參數

手工焊焊接工藝參數見表2、3。

焊接線能量控制，焊接線能量的大小對鋼管焊接部位的沖擊韌性有很大影響，直接影響鋼管的運行質量。

表2 手工焊焊接工藝參數

表3 埋弧自動焊焊接工藝參數

其中U——電弧電壓/V。

I——電流電壓/A。

V——焊接速度/cm/min。

40 kJ/cm為線能量的上限值，根據實際數據測定，Φ4.0 mm焊條，焊接電流不宜大于200 A，每根焊條至少焊8 cm，Φ3.2 mm焊條，焊接電流不宜大于130 A，每根焊條至少焊5 cm，焊工對焊接電流與焊接速度的必須嚴格控制。

焊接層間接頭應錯開50mm以上，每層或每道焊接完成后用風鏟敲擊焊縫，并將每道的熔渣、飛賤仔細清理，自檢合格后，方可進行下一道焊接。

反面碳弧氣刨清根打磨成便于焊接U槽，確保清除根部夾渣、裂紋、氣孔等缺陷。坡口打磨出金屬光澤。

焊縫焊接完畢后。對鋼管內壁焊縫突起超過規范部分進行打磨。焊縫的表面盡可能平滑，咬邊、焊瘤的部位要有砂輪打磨，使表面光滑平整。

4.6 焊縫檢驗

外觀檢查：所有焊縫均按DL/T5017-2007第6.4.1條的規定進行外觀檢查。

無損探傷：焊縫無損探傷遵守DL/T5017-2007第6.4.3-6.4.7條的規定。WDB620高強鋼48 h后進行無損檢測。

焊縫無損探傷的抽查按施工圖紙的規定執行。施工圖未規定時，抽查比例按DL/T5017-2007第6.4.4條的要求確定。焊接檢驗為100%超聲（PT）探傷，25%射線探傷重點查處部位為環、縱縫接頭處。

特別強調，所有不預熱的焊縫做100%表面探傷，查看表面裂紋出現的幾率。

焊縫缺陷處理：根據檢測結果確定焊縫缺陷的部位和性質，制定缺陷返修措施再處理缺陷，返修后的焊縫按規定進行復驗，同一部位的返修次數不得超過2次。

5 無損檢驗結果

老撾南湃水電站壓力鋼管WDB620高強鋼制作實際焊縫總長度1940.354 m，磁粉表面檢查長度3880.708 m，1次合格率100%，超聲波探傷總長度1940.354 m，1次合格率96%，超聲波1次返修合格率100%，射線按比例抽檢，1次合格率100%。WDB620高強鋼安裝焊縫總長度1063.33 m，磁粉表面檢查長度2126.66 m，1次合格率100%，超聲波探傷總長度1063.33 m 1次合格率98%，超聲波1次返修合格率100%，射線一類按40%和二類20%比例抽檢，1次合格率100%。檢查合格的焊縫放置數天后再次進行焊縫表面磁粉抽測，均一次性合格100%。老撾南湃水電站壓力鋼管制造、安裝分部工程評定為優良工程。

6 結束語

老撾南湃水電站地處環境位置特殊， 受晝夜溫差大，濕度大，坡度大等因素影響，引水壓力鋼管工程制造安裝施工工藝復雜、難度大，經嚴格按照“不預熱焊接”工藝施焊后， 焊縫一次合格率達 96%以上，一次返修合格率100%。說明采用“不預熱焊接”工藝技術可行，現場焊接質量控制可靠，整個施工過程未發現裂紋缺陷，未發生質量事故。結果證明，南湃水電站采用“不預熱焊接”工藝保證了整個工程的焊接質量，節省了大量的人力、物力，簡化了焊接工序，有效保證了壓力鋼管安裝的工期，具有一定的推廣價值。

2016年4月，南湃水電站壓力鋼管全部安裝完成，目前，該電站已安全連續穩定運行3個月。