桐柏抽水蓄能电站低碳调质高强钢焊接施工技术.doc

桐柏抽水蓄能电站低碳调质高强钢焊接施工技术林书楦（中国水利水电第十二工程局机电安装分局） 摘 要 本文介绍了桐柏抽水蓄能电站高压引水钢管采用的日本进口NK-HITEN610U2低碳调质高强度钢的性能、焊接特点。以及我局在钢管制造和安装中采取的焊接工艺和工装。关键词 桐柏 高强钢 焊接1 概况桐柏电站是我国华东地区继天荒坪电站之后的又一座抽水蓄能电站，电站位于浙江省天台县境内的百丈溪上，电站共安装4台立轴单级混流可逆式水泵水轮发电机组，单机容量为300MW，总装机容量为1200MW，是一座日调节型抽水蓄能电站。该电站输水系统连接上、下水库。输水系统由4条引水高压钢管和尾水钢管组成。每条引水高压支管进口段采用16MnR低合金结构钢，钢管最大直径5500mm，钢板厚度2640mm。出口段采用日本NKK公司的NK-HITEN610U2低碳高强度调质钢，最小直径3100mm，钢板厚度4446mm。尾水钢管采用16MnR低合金结构钢，钢管直径7000mm，钢板厚度24mm。 钢管制作安装工程量3601.7吨。桐柏电站压力钢管采用的日本NKK公司的610MPa级NK-HITEN610U2低碳调质高强钢的制作安装焊接，是应用国产焊接材料替代日产焊接材料焊接，已知目前在国内尚无先例。在国内已建成的电站如十三陵、小浪底、天生桥等电站，所采用的均为日产焊条和焊丝（通常由钢材供应商提供），虽然有许多成功经验可以借鉴，但采用国产焊接材料（焊丝、焊剂、焊条），国内尚未有过成功的应用经验。因此有许多焊接技术问题要进行攻关解决，诸如焊接材料的选择、钢材预热温度、焊接线能量范围的确定及其控制等等。我局工程技术人员，翻阅了大量的资料，分析高强钢的冶炼过程、化学成份、物理性能和焊接性能，在我国众多的焊接材料生产厂家查找最佳的手弧焊焊条和埋弧自动焊焊丝、焊剂。并开展一系列有针对性的工艺评定试验，通过多组不同牌号焊材焊接后焊缝机械性能、工艺性能的焊接工艺评定论证，选择了最佳的焊接材料、得出最佳焊接工艺。实践证明应用国产焊接材料焊接610MPa级调质高强钢，同样能焊接出强度和冲击韧性符合要求的优质焊接接头。2 NK- HITEN610U2钢材简介桐柏电站高压引水钢管所用的日本NKK司生产的NK-HITEN610U2钢板，厚44、46mm，调质状态供货，这是一种（c、s）很低的Cr-Mo-V系合金钢，有着优良的综合机械性能，抗拉强度610Mpa，低温冲击韧性AkV-40320J，脆性断面转变温度ts=36。而碳当量Ceq=0.35，裂纹敏感系数Pcm=0.185，当热输入量为17kj/cm时，焊接热影响区的最高硬度HVmax300。可见是一种焊接性和抗裂性很好的钢材，这种性能对厚板的焊接更显优越性。NK-610U2钢的优良的力学性能是靠调质处理后获得的回火马氏体+下贝氏体组织而保证的，其回火温度一般是590630，因此对这些钢材的一切热加工都不应超过其回火温度，超过回火温度以后，母材的抗拉强度将明显的下降。在焊接施工过程中，焊接热影响区必然有一部分区域超过这一温度，特别是熔合线附近的过热区。焊接施工中是靠t 8/5控制的，实际上就是靠控制焊接热输入来实现的。日本NKK公司通过对NK-HITEN610U2钢进行的大量科学试验得出该钢种焊接施工的热输入按40kj/cm控制，这意味着超过这一参数，接头的机械性能将得不到保证。焊接热输入量大了，过热区尺寸变大，在高温停留时间长，t 8/5延长，将产生粗大的魏氏体、铁素体或出现岛状马氏体及上贝氏体，破坏了原来的调质组织，致使强度极限、韧性指标都下降。生产实践表明焊接热输入是影响焊接接头特别是热影响区的重要控制参数。低温冲击韧性AkV-40是检验焊接头性能的重要参数，但不是唯一的，假如我们用热输入量为70kj/cm时，热影响区可能取得AkV-4047J（设计合格标准），而从试验看到脆性断面转变温度ts0，这是很危险的。焊接施工过程中，如何来控制焊接热输入呢？主要是控制焊接线能量。我们知道，焊接线能量E=AV，所以要处理好焊接电流、电弧电压、焊接速度三者的关系，就是小电流、窄焊道、快速焊。3 桐柏电站高强钢管焊接施工方法及工艺桐柏电站高强钢管的制造在桐柏工地的厂房内，全部采用埋弧自动焊接。钢管安装现场采用手工电弧焊。3.1 埋弧自动焊工艺高强钢管的纵缝和环缝埋弧自动焊接，是在平焊位置施焊。钢板厚度44、46mm，埋弧焊坡口型式为X形、内壁a=50、外壁a1=70、P=4mm、b=00.5mm。这种坡口在反面气刨清根刨掉根层焊道后正反面熔敷金属相同,有效地减少角变形，钝边4mm不留间隙可不加焊剂垫焊接，又可减少了工装和工序，提高了效益。埋弧自动焊坡口如下图:(1)、焊前准备.坡口尺寸不符合设计图时应进行补磨。焊前应打磨渗碳层，清除坡口面及坡口两侧各4050m范围内的铁锈等异物，且露出金属光泽。间隙应尽量控制到零，若间隙1mm时，可能引起焊穿，可用手弧焊先打底，焊层厚度45mm。.埋弧焊选用“奥太”牌MZ-1-1000逆变式自动焊机；手弧焊选用“奥太”牌ZX7-400逆变式多功能焊机。全部用直流电源、下降特性、反接法焊接。.焊条、焊剂烘焙制度为3501h，烘干后的应放在100150保温，随用随取。焊丝应保持干燥，无生锈污染现象。焊条应按规定领取、放在便携式保温筒内，并正确使用和回收。.定位焊缝、打底焊用手弧焊。定位焊缝位于钢管的外侧。定位焊缝长度一般为100mm，间距为200mm，焊层厚度45mm。定位焊、打底焊要有持证焊工施焊。定位焊缝、打底焊缝应认真检查，不允许有宏观缺陷。定位焊的预热温度70105，宽度应在与定位焊缝的四周至少150mm范围内，测温应位于被加热面的反面，距焊缝中心50mm处对称测定。预热可采用火焰加热的方法，但加热的火焰应均匀，加热的速度应缓慢。埋弧纵缝两端设置引弧板和引出板，其材质、板厚、坡口尺寸应与正式焊缝引弧板和引出板的尺寸一般不小于100100mm，与焊件的接头处应封底焊，以防烧穿。拆除引弧板和引出板时，应用气割割除，严禁使用锤击法。并用角磨打磨出原坡口形状。正式焊接之前，应检查焊接设备、工装，使之处于良好的工作状况。并按焊接工艺卡调节好焊接参数（必要时可用相同或相似的板厚、坡口的钢板试焊）。点位焊，埋弧焊、手弧焊均应由相应位置，相应焊条考试合格的锅炉压力容器焊工施焊。手弧焊工并要增加双45考试合格。（2）、焊接工艺.焊前预热温度5075，层间温度50200。预热宽度为焊缝中心两侧各150mm范围内，测温应位于被加热面的反面，距焊缝中心50mm处对称测量，纵缝不少于3对，环缝每隔一米测一对，不少于10对，2030分钟测量一次。加热设备采用LCD陶瓷远红外电加热板。焊接过程中，层间温度不应低于预热温度。层间温度测量应在焊道上。.采用多层多道焊，埋弧自动焊根层厚度56mm，后续焊层厚度45mm。焊接线能量控制在2040kj/cm。.焊接参数:4.0mm焊丝焊接电流550590A、电弧电压3438V焊接速度3539cm/min。.焊接过程中应对每一道的焊接线 埋弧焊多层多道焊能量进行测量和记录，具体施焊必须严格按照焊接工艺卡中的规范要求进行。.双面焊背缝用碳弧气刨清根。气刨清根时，应保持预热温度。气刨清根到根层焊道，清根后打磨修整刨槽，打磨面积大于90。.埋弧焊的内、外环缝的起弧处应力求打磨不小于50mm的过渡区域。熄弧处应与起头的焊缝重叠4050mm，环缝各层道间接头应错开100mm以上。.焊缝每层（道）焊接后应进行认真的检查，合格后方可继续施焊。.每条焊缝应连续焊完。如因故需中断焊接时，至少应焊三层以后，并要缓慢冷却。再开始焊接之前要重新进行预热。 图片为高强钢管在预热状态下焊接环缝(3)、纵、环缝焊接方法纵、环缝焊接时钢管放在无级调速焊接滚轮架上。用立柱焊接操作机施焊。在焊缝外侧两边贴上履带式加热板进行预热。达到预热温度后即可进行焊接。纵缝内缝焊接时，焊丝对准在钢管的6点位置平焊位施焊。外缝焊接时，焊丝对准在钢管的12点位置平焊位施焊。钢管不动焊机移动施焊。环缝内缝施焊时，焊丝对中在6点逆焊接方向约3040 mm位置平焊位开始施焊。外侧焊接时焊丝对中在12点逆焊接方向约3040 mm位置开始施焊。焊机不动钢管按调节的滚轮架速度而移动施焊。3.2 手工电弧焊工艺 高强钢的手工电弧焊用在洞内安装时环缝的焊接，焊接坡口如下图：X形、内壁a=50、外壁a1=70、P=2mm、b=03 mm。反面用碳弧气刨清根约3mm。（1）、焊接工艺：焊前预热温度5075，层间温度50200。预热宽度为焊缝中心两侧各150mm范围内，测温应位于被加热面的反面，距焊缝中心50mm处对称测量，纵缝不少于3对，环缝每隔一米测一对，不少于10对，2030分钟测量一次。加热设备采用LCD陶瓷远红外电加热板。焊接过程中，层间温度不应低于预热温度。层间温度测量应在焊道上。用多层多道焊，埋弧自动焊根层厚度56mm，后续焊层厚度45mm。焊缝的宽度不大于焊条直径的2倍。盖面中间道为退火焊道。焊接线能量控制在2040kj/cm。 焊接参数 手弧焊焊层焊道分布、及退火焊道3.2mm焊条：焊接电流100125A ，电弧电压2326V，焊接速度 710cm/min。4.0mm焊条：焊接电流150180A ，电弧电压2428V，焊接速度 812cm/min。钢管安装焊接按安装顺序逐条施焊，不允许跳焊。每条缝焊接时，安排四个电焊工以上下、左右四个中心分段对称施焊。每层的交接处应互相错开100mm以上，并应保持焊接参数基本一致。环缝焊接采用分段退步焊法，分段方法如下图。根层分段退步焊缝的长度300400mm，中间各层分段退步焊缝的长度为300400mm，盖面层不分段施焊。（a）根层焊道9点6点12点丁乙丙甲17473727575747372717371727475757473727173点（b）中间层焊道9点6点12点丁乙丙甲1737273727173717273727173点（c）盖面层焊道9点6点12点丁乙丙甲171717173点每条焊缝应连续焊完，如因故中断必须焊三层以上，并要缓慢冷却。再开始焊接要重新预热。其余焊接工艺同埋弧自动焊。 4 焊缝的检验内容（1） 、每道焊后焊工都应仔细检查、清理干净熔渣才能继续下一层焊接。全部焊接完后焊工应将焊缝表面清理干净。外观进行自检，合格后做上焊工代号。（2）、由专职焊接质检员进行焊缝外观三检查，表面不得有裂纹、夹渣、气孔、未焊满。纵缝焊接后，用规定样板检查纵缝处的弧度，其与样板的间隙应4mm。（3）、焊缝焊接24小时后进行无损检验，焊缝的探伤部位应由监理工程师指定。一类焊缝：钢管管壁纵缝、凑合节的纵缝和环缝。超声波探伤比例100+射线探伤10。或全部射线探伤50。二类焊缝：钢管管壁环缝，止推环对接焊缝。超声波探伤比例100，超探不能准确判定时用射线复检5。或全部射线探伤20。超声波探伤按GB11345-89钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级标准评定，一类焊缝B级合格，二类焊缝B级合格。射线探伤按GB3323-87钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级标准评定，一类焊缝级合格，二类焊缝级合格。5 焊缝的返修（1）焊缝表面有超标缺陷时，允许焊工自行修补，但表面有裂纹应及时的报告有关人员，不得擅自处理。（2）焊缝内部缺陷和表面裂纹返修前应认真分析原因，制订切实可行返修方案，并经项目技术主管人员审批，方可补焊。（3）焊缝同一部位返修次数不宜超过二次，第三次返修方案必须经项目技术负责人报请监理工程师批准后方可补焊，并将返修情况载入产品质量档案。6 钢管制造的工装改进由于桐柏电站的NK-610U2钢管质量要求高、直径大、钢板厚，工艺评定和焊接工艺制定出来后，在产品焊接中还有一些实施上的问题。一是解决如何对钢管上的纵缝、环缝、止推环、加劲环等焊缝进行预热问题。本着保证质量方便好用的原则,根据钢管焊缝的形状特点,我们动手设计了钢管预热纵缝用平面型和环缝用弧型加热工装。把履带式远红外陶瓷加热板、硅酸铝针织纤维保温毯、连同温度控制器全部连接好后装在一个移动小车上，焊接时钢管放在滚焊台上后, 只要把小车推到焊缝外侧靠近即可立即通电预热，一条焊缝焊好后再推到另一条，效果较好，既安全又卫生。 自制高强钢管焊接的弧形预热工装图二是解决大径管埋弧自动焊机位置的问题。桐柏电站钢管制作焊接要求全部用埋弧自动焊接，埋弧自动焊接优点多：质量稳定，速度快，特别是焊缝的外观成型美观漂亮。缺点是埋弧自动焊只能在平焊位置施焊。钢管的纵缝、环缝焊接时，内缝可以在较低的位置施焊，但外缝必须转到高处平焊位进行焊接，焊机和人员都须升到高处。环缝焊接时要求钢管放在滚轮架上，钢管作圆周按调节好的焊接速度作匀速运动，埋弧焊机不动。桐柏电站最大钢管直径有7米，我分局原有一台立柱式多功能埋弧自动焊接操作机只能焊3米直径的钢管，为了解决这个问