抽水蓄能電站壓力鋼管環縫埋弧自動焊技術研究與應用

喬 平，張 增

（中國水利水電建設工程咨詢西北有限公司，陜西 西安 710100）

1 技術背景

根據國家“十四五”發展規劃，抽水蓄能電站將是我國實現碳達峰、碳中和、推動能源綠色低碳轉型的重要途徑。目前，我國抽水蓄能電站建設已邁上新的臺階，但對于鋼管環縫焊接技術，國內各項目大多還采用手工焊的焊接技術，由于手工焊全流程都是需要人工操作，通常焊接完成板厚為20 mm，內徑為6.2 m 的鋼管，需要配備4～5 名專業的焊工不停地工作才能在7～9 h 焊接完成，不僅焊接周期長、勞動強度大；焊縫質量不易控制，如焊工技能不穩定極易造成焊縫的返修；而且手工焊接過程中往往伴隨著火花、煙塵、噪音、觸電等危害，長期處于此環境施工人員極易患各種職業病。

基于上述情況，最近幾年國內有極少數項目采用埋弧焊技術。但是對鋼管環縫埋弧自動焊接技術沒有深入研究，導致此項技術在鋼管環縫運用還不成熟，以致于現在環縫焊接大多還是使用手工焊接的技術。

2 研究的內容及目標

研究的主要內容是抽水蓄能電站壓力鋼管環縫埋弧自動焊接技術，突破傳統抽水蓄能電站壓力鋼管環縫手工焊接工藝技術，解決傳統壓力鋼管單條環縫手工焊接施工周期長、施工成本高、環境污染大等問題。全方位的提高壓力鋼管環縫焊接質量與效率，極大減少環境污染，合理規避壓力鋼管環縫焊接作業人員職業健康問題。

研究的目標是探索總結壓力鋼管環縫焊接不同層數的焊接參數之間的關系，形成標準化埋弧自動焊接技術工藝。

3 依托項目情況

芝瑞抽水蓄能電站位于內蒙古自治區赤峰市克什克騰旗芝瑞鎮，電站距赤峰市直線距離110 km，公路里程約150 km。初擬安裝4 臺單機容量300 MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪機，總裝機容量1 200 MW，額定發電水頭443 m。

輸水系統由引水系統和尾水系統兩部分組成，引水系統采用“一管兩機”供水方式，尾水系統采用“一機一洞”的布置型式。壓力鋼管由主管、岔管和支管組成。采用鋼板襯砌，兩條主管平行布置，引水隧洞壓力鋼管內徑為6 200 mm，由直管、彎管組成。鋼板材質為Q345R，厚度為18 mm～22 mm，總重約7 030 t。1 號引水隧洞壓力鋼管長約950.182 m，2 號引水隧洞壓力鋼管長約943.783 m。高壓管道由上平段、上斜井、中平段、下斜井、下平段、岔管段及支管段組成，斜井角度55°。壓力鋼管內徑6 200 mm～3 400 mm，由直管、彎管、漸變管及岔管組成。鋼板材質大部分為Q345R 和800 MPa 級調質鋼，鋼板最大厚度66 mm，最小厚度24 mm，總重約12 660 t。1 號高壓管道壓力鋼管長約1 232 m，2 號高壓管道壓力鋼管長約1 232 m。引水鋼岔管共2 個，采用對稱Y 型月牙肋鋼岔管，主管內徑為4.8 m，支管內徑3.4 m，分岔角為72°，采用800 MPa 鋼板，岔管主體鋼板厚62 mm，肋板厚126 mm。單個重約53 t，總重106 t。尾水隧洞壓力鋼管內徑為5 600 mm，板厚26 mm～28 mm，鋼板材質Q345R，總重1 735 t。1 號尾水隧洞長309.851 m，2 號尾水隧洞長341.903 m。壓力鋼管加勁環板厚24 mm，高度150 mm。

4 環縫埋弧自動焊接技術相關配套設備研發及選擇

4.1 壓力鋼管環縫焊接安全作業機構的研發

為了提高焊接效率、質量、外觀以及降低勞動強度，保證施工人員安全，為環縫埋弧自動化焊接技術研制一種壓力鋼管環縫安全作業機構。

該安全作業機構主要由移動焊接平臺、爬梯、立柱、縱向連接桿、軌道、橫梁、斜向連接桿、縱橫梁、吊耳、卡塊、圓形護欄、斜支撐、電動驅動輪等零件組成。

該機構具體的實施方式是：通過滿焊的方式將四根縱橫梁、兩根立柱和兩根橫梁焊接形成長方體主體框架，將電動驅動輪與縱橫梁焊接固定，將移動焊接平臺與縱橫梁上的吊耳通過手拉葫蘆的方式固定形成對不同直徑鋼管縱縫焊接都可適配的焊接平臺，將斜向連接桿和斜支撐與立柱焊接固定對主體框架起固定作用，將爬梯與立柱固定焊接形成安全可靠的通道，將圓形護欄與移動焊接平臺焊接固定形成安全穩定的焊接作業平臺，將縱向連接桿與立柱焊接固定對主體框架起固定作用，將吊耳分別與方形護欄和上橫梁滿焊固定，在電動驅動輪下面鋪設導軌，通電后可以自由控制環縫安全作業機構移動[1]。

4.2 滾輪架的選擇

為了更加安全、高效的焊接作業，需要根據現場實際生產情況，合理的選配一組滾輪架，采用板厚18 mm、直徑6 200 mm、單節長度3 000 mm 的兩節鋼管對裝后組成承重30 t、最長可調4.5 m 的滾輪架。

圖1 鋼管環縫焊接安全作業機構三維圖

圖2 滾輪架

4.3 焊接設備的選擇

根據現場實際生產情況，選擇一款性能穩定可靠具有優良焊接特性的設備，如MZ-1250IV 型逆變式直流埋弧焊電焊機。

圖3 壓力鋼管環縫焊接作業示意圖

5 焊接材料的選用

焊接材料應根據鋼材的化學成分、力學性能、使用工況條件和焊接工藝評定的結果選用，同種鋼焊接材料的選用原則是根據熔敷金屬的化學成分、力學性能應與母材相當，而且要選擇焊接工藝性能良好的；異種鋼焊接材料的選擇采用低匹配原則，即不同強度鋼材之間焊接，其焊接材料選擇適于低強度鋼材[2]。此外，還應該根據結構特點（如剛性、材料、焊縫位置等）、預熱和熱處理條件以及生產率、經濟性等綜合考慮選擇焊接材料。如Q345R 級鋼板、800 MPa 鋼板的化學成分及力學性能和工藝性能，如表1～表4。

表1 Q345R 級鋼板化學成分

表2 Q345R 級鋼板的力學性能和工藝性能

表3 800 MPa 鋼板化學成分（厚度小于100 mm）

表4 800 MPa 鋼板的力學性能和工藝性能(厚度小于100 mm)

綜上所述，根據鋼材化學成分、力學性能，可得Q345R 級鋼板、800 MPa 鋼板的埋弧焊接材料應選擇如表5 所示的焊絲與焊劑。

表5 埋弧自動焊焊絲、焊劑類型

6 鋼管環縫埋弧自動焊接工藝要點

6.1 焊前技術要求

（1）鋼管環縫焊接前應對裝配質量、定位焊縫（宜在后焊側）質量進行檢查，如遇影響焊接質量的重大問題,由檢查人員作出記錄匯同工藝部門共同研究處理方案，在確認對焊接質量無影響時，方可施焊。

（2）鋼管環縫焊接接頭的坡口，應用砂輪機對坡口進行修整，保證坡口尺寸和表面平整。

（3）鋼管環縫焊前應清除焊接坡口上的油污、結露結霜、水漬、涂料、鐵銹及氧化皮等污物；焊接不銹鋼應防鐵離子污染（如用不銹鋼鋼絲刷等不銹鋼器具清理焊渣、飛濺等）、表面應保持光潔，為防止飛濺物、含金屬元素涂料、金屬粉塵等腐蝕損傷不銹鋼表面應做好防護，焊接接頭兩側焊接時，工件表面上涂白堊粉或蓋上石棉布。

6.2 焊接反變形控制

環縫焊接過程中，由于鋼管內外側分別施焊致使收縮不同步易產生弧度變形，從而影響鋼管制造質量。

在實際生產過程中，可通過調整焊接順序控制弧度，這個方法是利用焊接熱輸入產生的熱量，使鋼管弧度產生變形的特點來進行控制的。

6.3 道間溫度控制

（1）道間溫度不低于預熱溫度，Q345R 鋼不應高于230℃，800 MPa 級鋼板的焊接必須控制道間溫度在80℃～200℃之間。

（2）使用紅外線測溫儀測定溫度。在距焊縫中心線各50 mm 處對稱測量溫度，當板厚大于70 mm 時，應在距離焊縫中心各70 mm 處對稱測量溫度。每條焊縫測量點間距不應大于2 m，且不應少于3 對[3]。

6.4 焊縫預熱及后熱

（1）預熱：對厚度大于38 mm 的Q345R 低合金鋼、800 MPa 級鋼板，焊前必須預熱。預熱溫度嚴格按80 ℃～120 ℃控制。預熱時必須均勻加熱，預熱區的寬度應為焊縫中心線兩側各3 倍鋼板厚度，且不小于100 mm。

（2）后熱：厚度大于38 mm 的Q345R 低合金鋼和800 MPa 級高強鋼應作后熱處理。后熱溫度：低合金鋼250 ℃～350 ℃，高強鋼150 ℃～200 ℃。后熱應在焊后立即進行，保溫時間在1 h 以上。

6.5 焊接參數

根據大量的試驗和工作經驗，匯總出保證焊縫質量的焊接參數，見表6。

表6 環縫埋弧自動焊接工藝參數

7 研究成果

通過以上技術內容的研究，抽水蓄能壓力鋼管環縫埋弧自動焊接技術已成功運用到芝瑞抽水蓄能電站壓力鋼管的環縫焊接中，并且取得成果如下：

（1）抽水蓄能壓力鋼管環縫埋弧自動焊接技術，是通過采用自制的環縫焊接安全作業平臺，采購組裝的滾輪架及埋弧焊機，三者相互配合的方式，環縫埋弧自動焊接只需配置2 名工人，降低了焊接成本，提高了施工效率。

（2）環縫埋弧自動焊接技術是電弧在焊劑層下燃燒焊接，所以整個焊接過程無煙塵、弧光，極大的保障了施工人員的健康，減少環境污染。

（3）抽水蓄能壓力鋼管環縫埋弧自動焊接技術的運用，極大的提高焊縫焊接效率，而且在高效率的同時也保證了焊縫的質量。

表7 環縫傳統手工焊接工藝技術與埋弧自動焊接工藝技術的對比

圖4 環縫手工焊接與埋弧自動焊接效果圖對比

8 結論

芝瑞抽水蓄能電站壓力鋼管環縫埋弧自動焊接技術，是在國內壓力鋼管環縫焊接工藝技術上的創新與應用。環縫埋弧自動焊接技術是通過鋼管環縫焊接安全機構、滾輪架和埋弧焊機三者相互配合的方式，推進了抽水蓄能電站壓力鋼管環縫焊接工藝向機械化、自動化轉型。有效提高焊接效率，減少施工成本投入，批量生產的數量越大，其經濟效益則越突出；該技術有效提高壓力鋼管環縫焊接質量水平，且極大減少資源投入、節能環保。