提高水電站600 MPa級高強鋼鋼管制造安裝質量

李 萬 有, 楊 小 軍

(1.大唐雅安電力開發有限公司,四川 雅安 625500;2.四川二灘國際工程咨詢有限責任公司,四川 成都 611132)

1 工程概況

鍋浪蹺水電站系青衣江一級支流天全河梯級開發中的龍頭電站,位于四川省雅安市天全縣紫石鄉境內,距縣城37 km,為單一發電工程。本工程為混合式開發,壩址位于兩河口下游約700 m處,廠址位于下游約11 km處的傍海腔,與在建的腳基坪電站銜接。電站裝機3×70 MW,水庫正常蓄水位1 280.00 m,總庫容1.84億m3,具有年調節能力。

電站引水系統壓力鋼管工程設計總長度772.84 m,分別由主管、岔管、支管三部分組成,其中主管直徑為5 000 mm。鋼管主要包括:上平段、上豎井段、中平段、下豎井段和下平段。支管為直徑2 700 mm,支管分為1、2、3號,岔管分為1、2號。設計工程總量約4 020 t。

電站壓力鋼管制造安裝設計單位為四川省水利水電勘測設計研究院,施工單位為中國水利水電第十工程有限公司,監理單位為二灘國際監理工程咨詢有限責任公司,業主單位為大唐雅安電力有限公司天全分公司,第三方檢測和評價單位為水電五局金屬檢測實驗室。

2 壓力鋼管制造安裝質量控制措施

2.1 焊前檢查及工藝評定

在鋼管制造時,監理工程師主要對承包人提供的設備和儀器配置、焊接人員資質、《焊接工藝評定》及具備可操作性的《焊接工藝指導書》進行審核。

鍋浪蹺水電站引水系統壓力鋼管制造的鋼管板材為舞陽鋼鐵有限公司生產,材質為Q345R和07MnMoVR 高強鋼,以正火工況交貨。其板材化學成分含有C、Si、Mn、P、V、S、Mn、Ti等多種化學元素,在壓力鋼管的板材進場后,要求承包人按照制造合同約定的規定進行分批次、按張數100%比例進行超聲波(UT)檢測。

對于板材厚度20～50 mm的Q345R和07MnMoVR 高強鋼,其焊接面均采用不對稱X坡口,對于引水系統下平段、下豎井段及岔管選用的高強鋼經下料、卷板、對圓、坡口打磨后進行現場手工焊接,焊接材料為J607RH ( E6015 - G) 超低氫鈉型焊條,對于中平段、上豎井段、上平段及支管選用的Q345R鋼及Q345R鋼與高強鋼連接焊縫使用H507焊條進行焊接。

在制造安裝前,督促承包人對相關材料進行了焊接工藝評定,并委托西南交大實驗室進行了焊接接頭力學性能檢測和晶相檢測。根據鋼管材料種類和接頭形式進行不同組別的焊接工藝評定試驗,并形成評定報告。

2.2 壓力鋼管制造質量檢查

壓力鋼管制造安裝驗收相關規范以《水電水利工程 壓力鋼管制作安裝及驗收規范》GB 50766-2012為主。

鋼管制作流程為:原材料檢驗→瓦片制造→鋼管組園→縱縫焊接及焊縫檢測→加勁環焊接及質量檢驗→單節鋼管驗收→合格認證出廠。

下料卷板控制:壓力鋼管瓦片卷制要求卷板方向應與鋼板壓制方向一致。瓦片在自由狀態下根據相關規范用弧形樣板檢查瓦片弧度,樣板與瓦片的間隙,瓦片扭曲。瓦片下料尺寸控制情況見表1。

表1 瓦片下料尺寸控制表

對于壓力鋼管組圓,要求將其焊縫間隙控制在2～4 mm、錯牙控制在2 mm之內,環縫焊接要求焊前預熱及焊后保溫。焊前將焊縫兩側 100～150 mm 范圍內油污、鐵銹等污物清除干凈,每層焊道間和清根后的坡口也應及時清理。板厚超過32 mm的管壁,焊接前用電加熱帶將焊縫加熱到大于 60 ℃的焊前預熱溫度,一般取80 ℃為宜。焊縫層間溫度用加熱帶保持在預熱溫度至200 ℃之間。在焊完內壁環縫后,要求用碳弧氣刨進行背縫清根并將其修磨成“U”形斷面后再焊接背縫。壓力鋼管制造質量檢測標準見表2。

表2 壓力鋼管制造質量檢測標準表

壓力鋼管防腐涂裝工藝流程為:工藝試驗→鋼管外觀檢查→安裝焊縫屏蔽→表面噴砂處理→檢查→油漆涂裝→檢查→標識。涂料涂層質量檢驗標準按照設計施工圖紙和SL 105-2007及GB 50766-2012的規范執行。

2.3 壓力鋼管安裝質量檢查

(1)承包人應按設計圖紙安裝鋼管及其附件。壓力鋼管安裝之公差及精度應符合表3的規定。

表3 壓力鋼管安裝之公差及精度表

(2)現場焊接采用自動焊,嚴格按照經過工藝性試驗和焊接工藝評定所確定的焊接程序和工藝。

(3)現場焊接施工采用經過批準的方法進行組裝和定位焊,定位焊嚴禁焊在縱向焊縫上,用于焊接附件的定位焊按批準的焊接程序進行,并按規定作非破壞性試驗。

(4)承包人按照設計圖紙要求焊接環縫,鋼管安裝應按順序逐條進行,不得跳越,不得在澆筑混凝土后再施焊,環向焊縫兩側的縱向縫間距不得小于500 mm。

(5)為確保安裝高程和中心線與設計相符,鋼管的安裝軸線與設計軸線間的不平行度不應大于2/1 000。

(6)現場施焊應設置適當的防風、防雨和防潮設施及設備。每一條焊縫應按工藝連續完成,不得中斷。每一節鋼管的定位點焊,應在日溫差較小時進行。在滿足焊接工藝評定報告中規定的焊接速度條件下,應盡快完成。

(7)在每一組裝節鋼管安裝后,應根據有關技術標準進行誤差校正,并將結果報送監理工程師審核。

(8)現場環縫處的涂裝要保證漆膜厚度均勻,表面光滑、無針孔、無氣包、無皺皮、無脫皮、無掛流和無漏刷等缺陷。

(9)現場焊接焊縫外觀質量、無損探傷要求,按設計《壓力鋼管制造及安裝施工技術要求》規定執行。

(10)監理工程師有權對焊工的資格和技術熟練程序進行審核,對不合格焊工有權責令下崗。

(11)監理工程師有權在現場對安裝焊接質量進行抽樣檢查和常規檢查,并進行單元工程驗收。上道工序檢查驗收不合格的產品,不得進行下道工序施工。

2.4 焊縫質量檢查要求

所有焊縫均進行外觀檢查,對一、二類焊縫選用超聲波、TOFD探傷,焊縫的外觀質量檢查標準和探傷比例及探傷方法要符合如下規定:

(1)焊縫外觀檢查。引水系統壓力鋼管主管焊縫外觀質量不允許有裂紋,表面夾渣、電弧擦傷,一、二類焊縫咬邊深≤0.5 mm,且連續長度≤100 mm,焊縫飽滿度(余高)為0～2 mm,焊縫無損檢測在24 h后進行。監理工程師主要通過目視和尺寸檢查等檢測手段對焊縫外觀質量進行檢查、判定,其焊縫外觀質量標準應符合表4。

表4 焊縫外觀質量標準表

(2)焊縫內部質量檢測。可選用超聲波探傷或TOFD探傷方法,當其中一種探傷方法檢查有疑問時,采用另一種探傷方法復查。焊縫內部無損探傷長度占焊縫全長的百分比不少于表5規定。

表5 無損探傷長度占焊縫全長百分比

監理工程師督促承包人應在焊接完成24h以后進行無損檢測,無損探傷檢測完畢后要求承包人48h內報送監理查驗,根據查驗情況,監理工程師有權要求承包人增加檢驗項目和探傷比例,直至確認焊縫質量合格為止。

超聲波探傷的檢驗及評定按GB11345規定執行,檢驗等級為B級,一類焊縫Ⅰ級為合格,二類焊縫不低于Ⅱ級為合格;衍射時差法超聲檢測(TOFD) 應按現行行業標準《水電水利工程金屬結構及設備焊接接頭衍射時差法超聲檢測))DL/T330的有關規定執行,或應按現行行業標準《承壓設備無損檢測第10部分:衍射時差法超聲檢測))JB/T4730. 10 的有關規定執行,一類焊縫和二類焊縫均不低于H級為合格。

焊縫局部無損檢測若發現有不允許缺陷,應在缺陷的延伸方向或在可疑部位作補充探傷檢查;若經補充探傷仍發現有不允許缺陷,則應對該焊工在該條焊縫上所施焊的焊接部位或整條焊縫探傷。

3 壓力鋼管制造及安裝質量控制

3.1 制造質量控制

3.1.1 鋼管下料、坡口加工。

(1)下料按下料工藝圖進行,采用手工劃線,半自動切割機切割,形狀不規則部件采用數控下料;(2)手工劃線或數控切割完成后用鋼印、油漆和樣沖眼分別標示出各部件序號、坡口角度、切割線、刨邊基準線、刨邊檢查線等符號;(3)督促承包人編制并提交進場材料材質抽檢記錄、鋼板下料尺寸檢查記錄表、鋼板下料坡口尺寸檢查記錄表。

3.1.2 瓦片卷制。

(1)檢查瓦片卷制方向應與鋼板壓延方向是否一致;(2)要求承包人在鋼板應在卷板機上壓彎成形,不允許采用擊打的方法彎曲成形和校正曲率,以防鋼板上出現任何傷痕;高強鋼調至鋼卷板后,嚴禁用火焰校正弧度;(3)瓦片以自由狀態立于平臺上進行檢查驗收,根據相關規范用弧形樣板檢查瓦片弧度,樣板與瓦片的間隙,瓦片扭曲,滿足規范要求;(4)審核承包人編制并提交瓦片卷板檢查記錄表。

3.1.3 瓦片組圓

(1)鋼管組圓應在平臺上進行,其管口平面度應滿足規范要求;(2)鋼管組圓后,實測周長與設計周長差、相鄰管節周長差、管口圓度,滿足規范要求;(3)審核承包人編制并提交管節制造質量檢查表。

3.1.4 焊前準備

(1)檢查承包人是否對鋼管焊縫坡口質量檢測、焊條烘烤,焊接環境條件檢查,申報開焊申請;(2)審查承包人編制并提交金屬結構焊條烘焙領用記錄表和金屬結構焊接開工申請。

3.1.5 焊接及焊縫外觀檢測

(1)要求承包人嚴格按工藝進行施工,嚴格按有關標準進行焊縫處理;(2)現場巡視t隨時監控現場焊接情況,檢查承包人是否按焊接工藝施焊;(3)焊接完成后,檢查驗收焊縫外觀及消缺處理;(4)審查承包人編制,并提交焊接工藝執行情況檢查記錄和焊縫外觀質量檢查表。

為滿足施工總體進度要求,施工單位對鋼管的制作焊接采用了埋弧自動焊接工藝,克服了資源投入和強濕度環境的影響,將施工一次合格率顯著提高。

3.1.6 焊縫無損檢測

(1)承包人按標準進行焊縫無損檢測,并提交無損檢測報告;(2)按標準對無損檢測情況進行旁站;(3)建設單位第三方抽檢;(4)督促承包人編制并提交金屬結構無損檢測報告。

3.1.7 內支撐、加勁環(止水環、止推環、吊耳)安裝

(1)制造合格的鋼管應及時安裝內支撐和吊耳;(2)內支撐應能防止鋼管變形,且不得直接搭焊在管壁上;(3)內支撐和吊耳應安裝牢固,并檢查驗收;(4)加勁環、止水環與管壁的垂直度、與管軸線的垂直度、相鄰兩環的間距都要滿足規范要求。

主要工程內容：更換工頻電機為變頻電機、增加控制變頻器、同時增加備用工頻旁路柜、增加變頻現場控制柜。采用高性能的施耐德6kVATV1200變頻器。

3.1.8 焊縫返修處理

(1)要求承包人對檢測不合格的部位申請返修處理,并對返修部位做無損檢測;(2)審核承包人提出的焊縫返修申請;(3)現場巡視焊縫返修嚴格按相關規范規定執行;(4)審查承包人編制并提交金屬結構焊縫返修記錄表。

3.1.9 管節預組裝

(1)鋼管摞節組裝時應注意管節的方位(上、下、左、右中心線及水流方向);(2)環縫間隙、錯邊量、相鄰管節縱縫間距滿足相關規范要求;(3)審核承包人編制并提交管節預組裝檢查表。

3.1.10 管節表面預處理、防腐

(1)督促承包人按合同文件、設計標準進行表面預處理和防腐,并做好相關檢測記錄;(2)督促承包人編制并提交金屬結構表面預處理質量檢查表和防腐質量檢查表。

3.1.11 消缺處理、管節編號

3.1.12 管節最終驗收

(1)按規程規范要求檢查管節制造質量和制造質量驗收資料;(2)承包人自檢合格和相關資料整理完成,填寫單元工程質量評定表及安裝質量檢查表向監理人申報復核,上報監理工程師進行檢查驗收合格后簽發合格證;(3)審查承包人編制并提交單元工程質量評定表和管節制造驗收表。

3.2 安裝質量控制

3.2.1 測量放樣

(1)要求安裝單位測量放出安裝控制點,并報測量監理工程師進行復核;(2)測量監理工程師審查承包人提供測樣放樣檢測成果表是否滿足設計要求。

3.2.2 定位節轉運和吊裝

(1)與承包人共同排查從廠房至4號支洞的鋼管運輸道路是否滿足鋼管管節運輸要求,是否滿足安全運輸及安裝順利就位的條件;(2)審查承包人對鋼管大件運輸安全專項措施的實施情況。

3.2.3 定位節調整和加固

(1)承包人完成了中平段上彎管定位節的調整和加固并自檢合格后,監理工程師進行驗收復核;(2)審查承包人上報的定位節安裝過程質量檢查驗收資料及測量成果和檢查成果資料。

3.2.4 非定位節運輸和吊裝

在承包人進行鋼管大管節運輸到現場吊裝就位的過程中,監理工程師檢查現場施工安全,防止在現場施工時發生起重傷害、施工用電和高空墜落等安全事故。

3.2.5 非定位節調整、加固和驗收

(1)承包人進行定位節調整、加固并自檢合格,報監理工程師進行驗收;(2)監理工程師驗收主要控制管節(管口中心、圓度)幾何尺寸,管節(環縫錯牙、間隙)是否滿足規范要求。

3.2.6 焊前準備

檢查承包人對焊縫坡口質量檢測、焊前預熱、焊條烘烤、焊接環境條件的準備情況,若具備現場焊接條件,監理工程師同意進行焊接施工。

3.2.7 焊接作業

(1)檢查承包人在鋼管焊接過程中是否嚴格按照焊接工藝施焊;(2)監理工程師對焊接現場加強巡視,監督檢查承包人是否按照焊接工藝評定的要求進行施工。

3.2.8 焊縫外觀檢測

(1)督促承包人在鋼管焊接完成后,對焊縫外觀檢查及消缺處理;(2)監理工程師對現場焊接焊縫進行外觀檢查驗收,驗收合格后轉下一工序。

3.2.9 焊縫無損檢測

(1)監理工程師現場見證承包人對已焊接完成的各管節環縫進行UT、TOFD無損檢測,工藝是否滿足規范;(2)現場見證第三方檢測單位對安裝單位檢測合格的焊縫進行抽檢,是否達到規定要求;(3)審核承包人出具的壓力鋼管焊縫無損檢測報告是否真實有效。

3.2.10 焊縫返修處理

督促承包人對無損檢測有缺陷部位按標準進行焊縫返修,并對承包人焊縫返修工藝情況進行檢查并審簽。

3.2.11 節間防腐

(1)督促承包人按標準進行表面預處理和節間防腐,并做好相關檢測記錄;(2)監理工程師現場對鋼管表面預處理和防腐質量進行復核驗收,并審核承包人上報的鋼管防腐涂裝質量驗收資料。

3.2.12 單元工程質量評定

審查承包人上報的壓力鋼管安裝單元工程評定資料是否真實齊全,并簽署驗收意見。

4 引水系統壓力鋼管制造安裝與質量分析與評價

壓力鋼管制造安裝的程序正確、施工設備合適、方法適當、過程質量控制及時,檢測儀器經過了檢定,檢測方法正確。

制造外形質量經驗收合格,一、二類焊縫經TOFD檢測,一次合格率95%,經超聲波探傷,一次合格率97%,均滿足規范要求;壓力鋼管安裝完成后,進行了超聲波無損探傷、TOFD探傷及表面探傷,一次合格率達到95%,所有缺陷經一次返修后復檢合格,結果完全滿足規范要求。

為保證壓力鋼管制造安裝焊縫質量,業主專門委托第三方進行焊縫抽查工作,第三方共檢測338條焊縫;其中壓力鋼管制造縱縫65條,現場壓力鋼管安裝環縫190條,岔管制造縱縫53條,現場岔管安裝環縫26條、現場岔管月牙肋焊縫4條。經超聲波、TOFD和磁粉檢測,發現47處缺欠,其中19處為未超標缺欠,28處為超標缺欠。超標缺欠中14處為點狀超標, 超標缺欠中14處為條狀超標。所有超標缺欠經返修后一次復檢合格。壓力鋼管制造質量統計見表6。

表6 壓力鋼管制造質量統計表

5 壓力鋼管試驗

按照設計圖紙及設計通知要求,岔管在制造安裝完成后應進行水壓試驗,但考慮到現場安裝條件及施工難度,業主組織知名專家召開了岔管水壓試驗的專家論證會,經與會專家論證后明確建議取消鋼岔管水壓試驗。會后,業主組織參建各方召開了專家論證意見落實會,會議明確同意專家組的咨詢意見,即鍋浪蹺水電站主廠房鋼岔管(1號、2號)取消水壓試驗。但考慮到1號鋼岔管為主岔,壁厚達62mm,重量約139t,其組裝焊接殘余應力較大,會議經討論后決定1號鋼岔管在安裝焊接完成后,采取振動時效消應措施,降低其殘余應力,以改善焊縫的應力狀態。

1號岔管安裝焊接完成后,進行了應力檢測和振動消應,振動消應完成后再次對岔管焊縫進行了超聲波無損探傷、TOFD探傷以及表面探傷。從振動時效檢測單位提供的1號岔管振前振后曲線及數據分析來看,有4個測區的殘余應力消除率大于30%或均化率大于20%,從第三方提供的1號岔管振動前后的焊縫無損檢測看,未出現焊縫質量缺陷。

2號岔管安裝焊接完成后,進行了應力檢測,從應力檢測單位提供的2號岔管殘余應力測試數據來看,殘余應力最大值為375MPa,最小值為47MPa。

針對1號岔管振動消應和2號岔管應力檢測的結果,業主再次組織有關專家針對岔管安裝質量進行了鑒定,專家組鑒定意見為:“鋼岔管質量符合相關標準要求,振動消應后鋼岔管應力集中情況得到有效緩解”。

鍋浪蹺岔管采用了振動時效技術對1號岔管進行振動消應,從工期、質量等方面均獲益良多。工期方面,岔管振動時效消應,歷時20d,比水壓試驗大大節約施工工期,保障了電站順利蓄水驗收節點的實現;質量方面,振動時效由水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心技術人員現場負責實施,并最終形成相關試驗檢測報告,客觀數據進行對比說明,對岔管形態應力變化情況進行分析總結。

6 結 語

壓力鋼管制造安裝質量重點是形位尺寸控制和焊接質量控制,監理工程師采取旁站監督與巡視檢查相結合的工作方式,制造過程采取了埋弧焊接,對焊縫探傷方式進行了優化,岔管水壓試驗調整振動消應,確保了施工進度及質量。目前,電站已順利運行半年多,運行情況正常良好,說明壓力鋼管制造安裝質量整體可控,滿足了設計要求。鍋浪蹺水電站引水系統壓力鋼管制造安裝質量控制的成果可供同行借鑒參考。