抽水蓄能電站壓力鋼管800MPa級(jí)鋼板單面焊焊接工藝研究

趙 強(qiáng)，李凌飛，曹佳麗，李 寧

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京市 100161；2.吉林敦化抽水蓄能有限責(zé)任公司，吉林省敦化市 133700）

0 引言

隨著水電與抽水蓄能行業(yè)的快速發(fā)展，裝機(jī)容量不斷增加，發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)水頭不斷提高，對(duì)水電站壓力鋼管所使用的高強(qiáng)度鋼板的強(qiáng)度、韌性、可焊性等方面均提出了更高的要求，高強(qiáng)度鋼板逐步成為目前大型水電站和抽水蓄能電站的首選鋼板。大多數(shù)抽水蓄能電站，因?yàn)镠D值較高，為了減小鋼管、蝸殼、岔管的壁厚，降低施工和焊接的難度，采用800MPa級(jí)的水電用鋼，十三陵抽水蓄能電站開(kāi)始使用日本進(jìn)口的800MPa級(jí)別鋼板，從2008年起，河南寶泉抽水蓄能電站逐步開(kāi)始使用由舞陽(yáng)國(guó)產(chǎn)的800MPa級(jí)別鋼板，目前在建的抽水蓄能電站基本均已采用國(guó)產(chǎn)800MPa級(jí)鋼板。

國(guó)產(chǎn)800MPa級(jí)鋼板標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)為按照YB/T 4137—2013《低焊接裂紋敏感性高強(qiáng)度鋼板》生產(chǎn)，牌號(hào)為Q690CF，對(duì)于不同質(zhì)量等級(jí)的鋼板，分別后綴C、D、E。國(guó)內(nèi)各個(gè)鋼廠開(kāi)發(fā)時(shí)也沿用高純凈度、低碳微合金化、控軋控冷的方式，保證鋼材的高強(qiáng)、高韌及焊接低裂紋敏感性。

從合金成分可以看出，同600MPa級(jí)鋼板相比，800MPa級(jí)別鋼板合金元素的含量上限均提高，焊接性能進(jìn)一步惡化。壓力鋼管的焊接條件尤其是工地焊縫的焊接受環(huán)境和焊縫組對(duì)等因素制約較多，為了降低焊接難度，目前的壓力鋼管安裝焊縫均采用雙面焊接，但需在管道外側(cè)留出焊接施工的空間[1-2]。如采用單面焊，在管道的內(nèi)側(cè)開(kāi)坡口并焊接成型，避免了在管道外側(cè)進(jìn)行焊接，減少了鋼管外壁焊接的操作空間需求，洞室的開(kāi)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(shí)的背部清根，減少焊接工作量，提高效率。

1 單面焊雙面成型工藝試驗(yàn)

對(duì)于管道類(lèi)的環(huán)焊縫，一般均采用單面焊雙面成型技術(shù)，在焊件坡口的背面沒(méi)有任何保護(hù)措施的條件下，只在坡口的正面進(jìn)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(nèi)在的質(zhì)量均符合要求的焊縫[3]。形成熔孔使得接頭熔透是單面焊雙面成型的關(guān)鍵，如果不出現(xiàn)熔孔或者熔孔過(guò)小，則可能產(chǎn)生根部未熔合或未焊透、背面成型不良等缺陷；若熔孔過(guò)大，則會(huì)使得背面焊道余高過(guò)高或產(chǎn)生焊瘤。所以背面焊縫的質(zhì)量是由熔孔的尺寸大小、形狀及其移動(dòng)的均勻程度所決定的。要控制熔孔的形狀和尺寸，必須嚴(yán)格控制根部間隙、焊條直徑、焊接電流、焊條角度、運(yùn)條方法與焊接速度等。

從焊接技術(shù)的角度講，單面焊雙面成型焊接技術(shù)并不是新的技術(shù)，焊接量非常大的火力發(fā)電廠的汽水管道焊接以及西氣東輸油氣管道焊接均采用單面焊雙面成型焊接技術(shù)。上述管道的焊接坡口一般采用ASME B16.25《對(duì)焊端》（ASME B16.25《Buttwelding Ends》）中的坡口形式，如圖1所示。坡口機(jī)加工時(shí)根據(jù)最小接管壁厚過(guò)渡至內(nèi)壁和外壁，坡口根部的加工偏差很小，對(duì)于單面焊雙面成型實(shí)施起來(lái)難度相對(duì)較小，目前國(guó)內(nèi)大口徑油氣管道安裝時(shí)采用的STT與RMD根焊技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊[4-5]。

圖1 管道焊接坡口圖Figure 1 The drawing of pipe welding groove

與上述管道焊接特點(diǎn)不同的是，抽水蓄能電站壓力鋼管的管徑相對(duì)較大，管壁相對(duì)較薄，且鋼管是卷制成型，坡口是在鋼管卷制之前采用火焰切割加修磨方式成型的，使得抽水蓄能電站壓力鋼管的圓度、管徑以及坡口加工精度都很難滿足單面焊的要求。

從某種意義上講，單面焊研究實(shí)質(zhì)上就是試驗(yàn)研究打底焊道[6]。打底焊道焊接時(shí)若采用連弧焊，為防燒穿，則電流必須要小，焊接電流過(guò)小不僅引弧困難，而且電弧也不穩(wěn)定，會(huì)造成未焊透和夾渣等缺陷，焊接完成后即使無(wú)損檢測(cè)合格，因熔合不好，背彎試驗(yàn)難以合格；若是斷弧焊，雖能熔合得好，也能避免燒穿，但因熔池保護(hù)不良，沖擊性能難合格。手工焊條電弧打底焊接時(shí)要求電弧集中，需采用專(zhuān)用的打底焊條，專(zhuān)用的打底焊條具有良好的抗裂性能和抗氣孔能力，在狹窄的坡口中仍具有良好的脫渣性和單面焊雙面成型的性能。但是專(zhuān)用的打底焊條一般都?xì)浜枯^高，容易引起裂紋。目前應(yīng)用的壓力鋼管焊條都是低氫型焊條，具有良好的抗裂性能和綜合力學(xué)性能，但其電弧吹力較小，脫渣性能較差，容易形成焊瘤、咬邊等缺陷，是否適合打底焊接需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)于打底焊道的焊材，如果成型不合格，可以降低強(qiáng)度級(jí)別選用，依次選用焊條J807RH、J757Ni、J757RH、J707RH、J607RH。成型合格后，則不再試驗(yàn)強(qiáng)度級(jí)別更低的焊條。

利用厚度為46mm的800MPa級(jí)鋼板開(kāi)展試驗(yàn)，牌號(hào)為WSD690E，鋼板材料化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用同強(qiáng)度匹配的焊條進(jìn)行填充焊，主要包括下列試驗(yàn)內(nèi)容：焊接坡口及預(yù)熱溫度確定；打底焊道成型試驗(yàn)；對(duì)口間隙范圍試驗(yàn)；坡口錯(cuò)邊打底焊接試驗(yàn)；焊接熱輸入試驗(yàn)等。

表1 材料的化學(xué)成分Table 1 The chemical constitution of the material

1.1 坡口形式和預(yù)熱溫度的確定

采用60°單V形坡口，試板尺寸及坡口形式見(jiàn)圖2。預(yù)熱溫度參考其他焊接試驗(yàn)結(jié)果以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定為不低于80℃。

圖2 試板尺寸及坡口型式Figure 2 The size of test panel and groove type

1.2 打底焊道成型試驗(yàn)

取800MPa級(jí)鋼板試板，采用平、立、仰三個(gè)位置，利用J807RH焊條進(jìn)行打底焊道成型試驗(yàn)，其中平焊和立焊試驗(yàn)焊縫的外觀可以完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，仰焊由于重力原因，存在輕微的未焊滿，但基本上可以滿足工程需要。試驗(yàn)結(jié)果表明，J807RH焊條能滿足等強(qiáng)度試驗(yàn)鋼板打底焊接的要求，經(jīng)過(guò)探索性試驗(yàn)，得到適用的焊接參數(shù)，見(jiàn)表2。

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

1.3 對(duì)口間隙范圍試驗(yàn)

對(duì)于壓力鋼管安裝時(shí)，環(huán)焊縫間的對(duì)口間隙大小是影響焊接成型的重要因素，合適的對(duì)口間隙能保證焊條送到根部，根部熔透后在背面成型，如果對(duì)口間隙過(guò)小，根部無(wú)法熔透，容易形成未焊透，對(duì)口間隙過(guò)大，根部容易焊穿。對(duì)于大口徑以及壁厚相對(duì)較小的壓力鋼管，整個(gè)鋼管的圓周范圍內(nèi)的對(duì)口間隙很難保持一致。需要進(jìn)行不同對(duì)口間隙的焊接成型試驗(yàn)，確定合適的對(duì)口間隙。坡口間隙焊接試驗(yàn)各種參數(shù)見(jiàn)表3。

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

試驗(yàn)結(jié)果表明，試板的外觀和磁粉檢測(cè)均合格。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，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。

1.4 坡口錯(cuò)邊打底焊接試驗(yàn)

焊接時(shí)，坡口在徑向的偏差稱(chēng)為錯(cuò)邊量，錯(cuò)邊量過(guò)大會(huì)引起根部的成型，壓力鋼管安裝過(guò)程中，在對(duì)口過(guò)程中很難保證不錯(cuò)邊，整個(gè)鋼管的圓周范圍內(nèi)的錯(cuò)邊量也不一致，因此，有必要針對(duì)錯(cuò)邊量的偏差開(kāi)展試驗(yàn)。由于GB 50766—2012《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗(yàn)收規(guī)范》允許坡口最大錯(cuò)邊量為1mm，試驗(yàn)坡口錯(cuò)邊量也采用1mm，焊接試驗(yàn)規(guī)范參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 坡口錯(cuò)邊焊接試驗(yàn)規(guī)范參數(shù)Table 4 The technological parameters of weld test for groove misalignment

坡口錯(cuò)邊試驗(yàn)結(jié)果表明，選用合適的坡口間隙（平、立、仰分別選用3mm、4mm、5mm），在錯(cuò)邊1mm的情況下，焊縫外觀和無(wú)損檢測(cè)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.5 焊接熱輸入試驗(yàn)

根據(jù)對(duì)口間隙和坡口錯(cuò)邊的試驗(yàn)結(jié)果，確定試板間隙為4mm，單V形60°坡口，焊接位置為立向上焊，選定三種焊接熱輸入進(jìn)行打底焊成型試驗(yàn)。試板的焊接熱輸入定為12kJ/cm、22kJ/cm、32kJ/cm。為了驗(yàn)證焊接試板的力學(xué)性能，參照焊接工藝評(píng)定的要求取樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，力學(xué)性能試驗(yàn)見(jiàn)表5～表8。

表5 焊接熱輸入試板拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 5 The tensile test results of welding input experiment

表6 焊接熱輸入試板沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 6 The impact test results of welding input experiment

表7 焊接熱輸入試板彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 7 The bending test results of welding input experiment

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

不同熱輸入焊接試板力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，采用不同熱輸入的焊縫和熱影響區(qū)的沖擊試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)結(jié)果滿足要求，當(dāng)焊接輸入偏大時(shí)，拉伸試驗(yàn)結(jié)果和彎曲試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)不合格的現(xiàn)象。800MPa鋼板采用單面焊時(shí)，需控制焊接熱輸入。

2 單面焊焊接工藝評(píng)定

根據(jù)單面焊雙面成型工藝試驗(yàn)結(jié)果，確定了對(duì)口間隙、錯(cuò)邊量、熱輸入等參數(shù)，按照GB 50766—2012《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗(yàn)收規(guī)范》中5.3的規(guī)定進(jìn)行采用立向上焊單面焊焊接工藝評(píng)定，由于實(shí)際操作中仰焊的焊接難度相對(duì)較大，焊接工藝評(píng)定中增加了仰焊位置的評(píng)定，焊接工藝評(píng)定參數(shù)見(jiàn)表9。焊縫外觀均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。焊接試板經(jīng)磁粉探傷和超聲波探傷，除個(gè)別超標(biāo)缺陷外，基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。力學(xué)試驗(yàn)的項(xiàng)目有拉伸、彎曲、沖擊、硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均合格。

焊接工藝評(píng)定的結(jié)果表明，引水系統(tǒng)壓力鋼管材料為800MPa級(jí)及以下強(qiáng)度的壓力鋼管采用單面焊是可行的。

3 其他

在壓力鋼管安裝施工時(shí)，目前采用的雙面焊接的一個(gè)特點(diǎn)是洞室開(kāi)挖時(shí)除了在管道外側(cè)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(yōu)點(diǎn)是由于在管道內(nèi)側(cè)焊接，避免了在管道外側(cè)進(jìn)行焊接，除了必需的混凝土施工的空間，焊工的操作工空間可以適當(dāng)減少，洞室的開(kāi)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(shí)的背部清根，減少了一定的工作量。壓力鋼管采用單面焊，可減少洞室的開(kāi)挖量和回填混凝土量，按照目前的市場(chǎng)價(jià)格估算，單個(gè)抽水蓄能電站可減少開(kāi)挖費(fèi)用回填混凝土費(fèi)用均在千萬(wàn)元以上。

從焊接角度來(lái)講，抽水蓄能電站壓力鋼管800MPa級(jí)及以下鋼板是可行的，焊接過(guò)程中需嚴(yán)格控制對(duì)口間隙、錯(cuò)變量以及熱輸入量等參數(shù)，尤其是打底焊道的成型過(guò)程。單面焊的應(yīng)用對(duì)壓力鋼管卷制及對(duì)口組裝過(guò)程中的壓力鋼管的坡口加工、整圓和對(duì)口提出了更高的要求。此外，以壁厚為50mm的鋼管為例計(jì)算，V形坡口的截面積比雙面焊開(kāi)不對(duì)稱(chēng)X形坡口截面積大1倍以上，單面焊比雙面焊的焊接填充量大。這些都是水電施工單位在推動(dòng)單面焊方面不是很積極的原因。

日本住友鋼鐵公司在20世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)出了1000MPa級(jí)鋼板SMISUM950鋼，并且在日本國(guó)內(nèi)的水電站上得到了應(yīng)用，且800MPa級(jí)壓力鋼管的單面焊已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化安裝。當(dāng)應(yīng)用自動(dòng)焊時(shí)，單面一次成型在效率方面有著極大的優(yōu)勢(shì)。隨著我國(guó)水電安裝行業(yè)能力的不斷提升，且800MPa級(jí)壓力鋼管單面焊安裝的前景也比較廣闊。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)800MPa級(jí)鋼板的對(duì)口間隙、錯(cuò)變量以及熱輸入量等系列試驗(yàn)及焊接工藝評(píng)定，引水系統(tǒng)壓力鋼管材料為800MPa級(jí)及以下強(qiáng)度的壓力鋼管采用單面焊是可行的。

（2）目前制約壓力鋼管單面焊推廣的因素主要是單面焊對(duì)鋼管的圓度、坡口和對(duì)口質(zhì)量等要求較目前的雙面焊更為嚴(yán)格，需推進(jìn)相關(guān)方面的提升。