抽水蓄能電站壓力鋼管600MPa級鋼板單面焊焊接工藝研究

趙 強， 馬信武， 李 寧 ，車 銘 ，曹佳麗

（1.國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161；2.吉林敦化抽水蓄能有限責任公司，吉林省敦化市 133700）

0 引言

現階段抽水蓄能電站壓力鋼管現場安裝環焊縫均采用雙面焊接，即開X型坡口，管道外側焊接完成后在背面清根焊接，清根過程中可以清除易產生缺陷的根部，保證根部焊接質量，之后在管道內部進行填充焊和蓋面焊[1-3]。雙面的特點是對焊工要求相對偏低，但需在管道外側留出焊接施工的空間[4-5]。

電站投入運營后由于壓力鋼管激振、回填混凝土施工不當等原因會出現壓力鋼管鼓包修復等問題，需進行焊接修補[6]。由于管壁外側的混凝土已經澆筑完成，焊接修補時只能在管道的內側開坡口，在管道內側單面焊接成型。出于運行期管道修復及探索施工期單面焊應用的目的，開展單面焊的研究工作。根據現行規范和設計中的要求，實施單面焊將按照相關的規范標準進行焊接工藝評定工作，為指導實際施工提供準確、科學的依據。

1 單面焊雙面成型打底焊道試驗

單面焊雙面成型焊接技術，是在焊件坡口的背面沒有任何保護措施的條件下，只在坡口的正面進行施焊，而保證焊接后坡口的正面和反面都能得到均勻美觀、成型良好而且表面和內在的質量均符合要求的焊縫[7]。單面焊雙面成型焊接時，第一層的打底層焊縫焊接是操作的關鍵。

單面焊雙面成型對焊工的要求非常高，形成熔孔是使得接頭熔透的關鍵，因為焊接時液態金屬是通過熔孔輸送到焊縫背面，使背面成型。同時，焊條藥皮熔化時所形成的熔渣和氣體也能通過熔孔對焊縫背面進行保護。如果不出現熔孔或者熔孔過小，則可能產生根部未熔合或未焊透、背面成型不良等缺陷；若熔孔過大，則會使得背面焊道余高過高或產生焊瘤。所以，背面焊縫的質量是由熔孔的尺寸大小、形狀及其移動的均勻程度所決定的。要控制熔孔的形狀和尺寸，必須嚴格控制根部間隙、焊條直徑、焊接電流、焊條角度、運條方法與焊接速度等。

從某種意義上講，單面焊研究實質上就是試驗研究打底焊道。利用厚度為40mm的600MPa級鋼板開展試驗，牌號為AY610D，鋼板材料化學成分見表1。采用同強度匹配的焊條進行填充焊，主要包括下列試驗內容：焊接坡口及預熱溫度確定；打底焊道成型試驗；對口間隙范圍試驗；坡口錯邊打底焊接試驗；焊接熱輸入試驗等。

表1 材料的化學成分Table 1 The chemical constitution of the material

1.1 坡口形式和預熱溫度的確定

采用60°單V型坡口，試板尺寸及坡口型式見圖1。預熱溫度參考其他焊接試驗結果以及工程實踐經驗確定為不低于60℃。

1.2 打底焊道成型試驗

圖1 試板尺寸及坡口型式Figure 1 The size of test panel and groove type

為了掌握無墊板單面焊雙面成型技術，首先用強度等級較低Q345C試板和J507焊條進行練習，基本達到熟練掌握手法要求后，再用600MPa級試板和J607RH焊條練習確認焊接材料和鋼板的匹配性以及工藝性。焊接位置根據工地壓力鋼管安裝的實際需要，采用平、立、仰3個位置。

選用熟練焊工，經過一個多月的練習，基本上達到了單面焊雙面成型的標準要求。其中，平焊和立焊試驗焊縫的外觀可以完全滿足標準要求，仰焊由于重力原因，存在輕微的未焊滿，達不到嚴格意義上的標準要求，但基本上可以滿足工程需要。

試驗結果表明，J607RH焊條能滿足等強度試驗鋼板打底焊接的要求，經過探索性試驗，得到適用的焊接參數，見表2。

表2 打底成型工藝參數Table 2 The technological parameters of backing welding

1.3 坡口間隙范圍試驗

由于單面焊時根部既要保證焊透還要保證不被燒穿，此外，必須要有適當的根部間隙，才能保證焊條送到根部，確保電弧透過背部一部分，熔透根部。但在焊接工藝評定以及壓力鋼管安裝過程中，在對口過程中難免引起根部間隙在整個鋼管的圓周范圍內不一致，因此，有必要針對對口間隙的偏差開展試驗。坡口間隙焊接試驗各種參數見表3。

表3 坡口間隙焊接試驗參數Table 3 The technological parameters of weld test for groove gap

焊接完成后進行外觀質量檢測，外觀質量檢測合格后，進行了磁粉檢測，合格標準為NB/T 47013.4—2015《承壓設備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》標準Ⅰ級，根據系列坡口間隙打底焊道成型試驗結果，包括焊工體驗，確定標準坡口間隙，用于焊接工藝評定試驗。

試驗結果表明，平焊位置坡口間隙3～4mm有利于保證根部成型，立焊位置坡口間隙3.5～4.5mm有利于保證根部成型，仰焊位置坡口間隙5.0～5.5mm有利于保證根部成型。具體情況根據焊工的水平及習慣，會有細微的差異。

1.4 坡口錯邊打底焊接試驗

在壓力鋼管安裝過程中，在對口過程中很難保證不錯邊，整個鋼管的圓周范圍內的錯邊量也不一致，因此，有必要針對錯邊量的偏差開展試驗。由于GB 50766—2012《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗收規范》允許坡口最大錯邊量為1mm，試驗坡口錯邊量也采用1mm。

采用J607RH焊條進行錯邊量試驗。試板長度400mm，單V型60°坡口。焊接完成后進行外觀質量檢測，外觀質量需符合GB 50766—2012《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗收規范》中表5.4.1的規定。外觀質量檢測合格后，進行了磁粉檢測，合格標準為NB/T 47013.4—2015《承壓設備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》標準Ⅰ級，焊接規范參數見表4。

表4 坡口錯邊焊接試驗規范參數Table 4 The technological parameters of weld test for groove misalignment

坡口錯邊試驗結果表明，選用合適的坡口間隙（平、立、仰分別選用3mm、4mm、5mm），在錯邊1mm的情況下，焊縫外觀滿足標準要求。

1.5 焊接熱輸入試驗

根據對口間隙和坡口錯邊的試驗結果，確定試板間隙為4mm，單V型60°坡口，焊接位置為立向上焊，選定3種焊接熱輸入進行打底焊成型試驗。試板的焊接熱輸入定為15J/cm、30J/cm、40J/cm。焊接完成后，經外觀檢查和無損檢測合格后取樣進行力學性能試驗。試樣的取樣及試驗合格標準同焊接工藝評定一致，力學性能試驗見表5～表8，試驗結果均合格。需要說明的是，為了更好地驗證單面焊焊接接頭背面的性能，本試驗采用的面彎和根彎試驗，而不是雙面焊采用的側彎試驗。

表5 焊接熱輸入試板拉伸試驗結果Table 5 The tensile test results of welding input experiment

表6 焊接熱輸入試板沖擊試驗結果Table 6 The impact test results of welding input experiment

表7 焊接熱輸入試板彎曲試驗結果Table 7 The bending test results of welding input experiment

焊接熱輸入試驗結果表明，AY610D對熱輸入的適應范圍較寬，在工程施工常用的15～40kJ/cm的熱輸入范圍內均能得到合格的焊接接頭。

2 單面焊焊接工藝評定

根據單面焊雙面成型工藝試驗結果，按照GB 50766—2012《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗收規范》中5.3條的規定進行無墊板單面焊焊接工藝評定試驗，焊接工藝評定參數見表9。焊接工藝評定試驗選用立焊和仰焊兩個位置，焊接試板除仰焊位置存在輕微未焊滿缺陷以外，其余試板焊縫外觀均滿足標準要求。焊接試板經磁粉探傷和超聲波探傷，除個別超標缺陷外，基本滿足標準要求。力學試驗的項目有拉伸、面彎和根彎、沖擊、硬度試驗，試驗結果見表9～表12。

選用立焊和仰焊兩個位置進行工藝評定試驗，AY610D鋼立焊和仰焊試板焊接接頭的外觀、內部質量、力學性能均滿足標準要求。此外，受重力作用，仰焊接頭的背面焊縫不飽滿。

3 結論

試驗結果表明，在電站引水系統壓力鋼管材料為600MPa級及以下強度的壓力鋼管采用單面焊是可行的，壓力鋼管單面焊對焊工水平要求較高，在仰焊位置可能出現焊接接頭外觀質量不符合要求的現象。

表8 熱輸入試板硬度測試結果（HV10）Table 8 The hardness test results of welding input experiment（HV10）

表9 焊接工藝評定參數Table 9 The technological parameters of welding procedure qualification

表10 焊接工藝評定試板拉伸試驗結果Table 10 The technological parameters of welding procedure qualification

表11 焊接工藝評定試板沖擊試驗結果Table 11 The impact test results of welding procedure qualification

表12 焊接工藝評定試板彎曲試驗結果Table 12 The bending test results of welding procedure qualification

表13 工藝評定試板硬度測試結果（HV10）Table 13 The hardness test results of welding procedure qualification （HV10）

4 其他

從焊接角度來講，抽水蓄能電站壓力鋼管600MPa級及以下鋼板是可行的，但是單面焊開單V型坡口，焊接殘余應力分布往往不利于結構受力，對于中厚板來說這種現象可能更明顯，一般只在特殊情況下采用。比如隧洞局部欠挖或者焊接修補，焊接過程中應控制對口間隙、錯變量以及熱輸入量等參數。

在壓力鋼管安裝施工時，目前采用的雙面焊接的一個特點是洞室開挖時除了在管道外側考慮回填混凝土的施工空間，還需留出焊接施工空間，一般至少需要空間600～800mm。如果采用單面焊，最大的優點是由于在管道內側焊接，避免了在管道外側進行焊接，除了必須的混凝土施工的空間，焊工的操作工空間可以適當減少，洞室的開挖量和回填混凝土量減少，采用單面焊也可以避免雙面焊時的背部清根，減少了一定的工作量。但是單面焊雙面成型時焊接接頭根部成型時無氣體保護，且由于單面焊對對口間隙、錯變量的裝配參數要求很高，保證焊接接頭的質量的難度較大，可能會出現返修頻率高的現象。此外，采用單面焊的焊材填充量也比雙面焊的大，對鋼管卷制、裝配時的對口等工序要求較高，對焊工的技能要求高。另外，從無損檢測角度來看，現行規范GB 50766—2012《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗收規范》是針對目前雙面焊技術的，如果采用單面焊，由于沒有背部清根的工序，保證根部的焊接質量的難度大，因此無論根部的超聲檢測還是表面的外觀檢測均容易出現不合格的現象。如果推廣單面焊在壓力鋼管安裝施工時的應用，需要對單面焊和雙面焊進行技術經濟方面的論證。