三峡工程左岸电站引水压力钢管焊接预热温度的选择

1、三峡工程左岸电站引水压力钢管焊接预热温度的选择24西北水电?2002年?第1期文章编号:1006-2610(2002)01 0024 一 04三峡工程左岸电站引水压力钢管焊接预热温度的选择欧阳明之(国家电力公司西北勘测设计研究院，西安710065)关键词:三峡工程压力钢管;焊接;预热温度摘要:根据焊接理论分析方法，对三峡水利枢纽工程左岸机组引水压力铜管焊接预 热温度进行了理论分析和评价，对焊接拎裂纹倾向性进行了试验，进而对台理编制压力钢管焊接施工工艺具有宴际的指导柞用中围分类号:tv547.2;tv547.6文献标识码:a1问题的提出三峡工程左岸发电机组引水压力钢管共14条，钢管直径12.4r

2、il,为世界第一hd值为1730m,分有上斜直段，上弯段，斜直段,下弯段，下水平段，毎条全长为122.8rll.材质为h本产610u.和610f的60kg/mm级的调质钢和国产50kg/mm级的16mnr正火钢.材料厚度分别自28mril至60mril.在压力钢管的制造安装施工中,焊接是其质量控制最重要的工序之一焊接质量的好坏将直接影响到压力钢管的运行及安全因此在国内外水电工程施工中都很重视压力钢管制造安装施工的焊接工艺,国内有关规范对焊接质量的检查和要求也较高.例如在di501793压力钢管制造安装及验收规范中对焊接预热温度也作出了强制性的规定(见表1).表1dl501793关于焊接预热温度

3、的规定(c)洼：1.环境气温低于5c应采用鞍高的预热温度2对不需预热 的焊缝当环境气温低于0(时.也应适当预热:3手工焊条应采用低 氧型焊条 德国seqo88标准对预热的规定(见表2).收稿日期:20010710作者简介:欧阳明之(1957).男湖南长沙市人高工从事金 属结拘工作现在三峡工程监理中心.表2德国seq08b耘准对预热的规定 注按sew088规程?工件温度w5c耐预热t当工作温度>5c 时按上倒扳厚确定预热温度.t)i501793c压力钢管制造安装及验收规范 中预热规定是建立在可焊性理论基础上防止和避免 焊接冷裂纹形成所规定的焊前预热温度，应该说按 表1所列温度进行预

4、热是较为保守和安全的，直接 拿来应用在技术上能够保证质量但是，考虑到三峡 工程压力钢管制作,安装施工现场，实际情况将育径 124rll的管节特别是一 60mm的高强钢焊缝加 温至100150c,不仅耗费大量的人力，物力，财 力，而且还会恶化施工环境和条件，严重影响施工进 度因此在满足合同和规范的条件下，在确保压力钢 管制造，安装质量的前提下，提出和进一步研究评价 三峡工程压力钢管材料在一定条件下可焊任问题， 科学地试验和选择较为合适的预热温度的设想是极 为有意义的.2解决问题的思路与方法由于水电站引水压力钢管尺寸均较大,材料的等级近年来也较多地采用了 6.800mpa的高强 钢材科，因此在压力

5、钢管焊接施工屮焊接接头是否 具有足够的抗冷裂纹(延迟裂纹)能力，业内人士较 为关注一般而言，焊接冷裂纹形成的影响因素有化 学成份，焊缝金属扩散氢含量，焊接热输入，焊缝厚 度，焊接残余应力以及接头的拘束度等方而归纳起 一 iii训欧阳明z三峡工程左岸电站引水压力钢管焊接预熟温度的选择25 来可形成三大要素,即:材料化学成份，焊缝金属扩散氢含量，结构拘束度这三个方面便成为评定焊接 接头产生延迟裂纹倾向的研究目标与内容.为了便于分析和研究钢的焊接性问题,人们将钢材的化学成份屮的包括碳在内和其它合金元素对 硬化(脆化和冷裂纹等)的影响折合成碳的影响，建 立了”碳当量”的概念.国际焊接学会(iiw)所推

6、荐 的碳当量计算公式：c玖11w)二 c+mn/6+(cr+mov)/6+(cu+ni)/15()(1)日本的伊藤等人采用斜y型铁研试验方法对200多个锯种进行了大量的试验，提出了焊缝的化 学成份裂纹敏感系数pcm公式如下：pccsi/30+(mn+cu+ci*)/zoni/60mo/35+v/10+5b(2)(2)式较适用于c 一 0.070.22? 400looompa的低合金钢，能精确反映材料化学成份 对冷裂纹敏感性的影响图1是日本学者在焊缝金 属扩散氢为5ml/100g(气象色谱法或水银法)，焊 接热输入为1.7kj/mm,环境温度为10c试验条件 下y型坡vi拘束试验中cen碳当量，

7、板厚和临界 预热温度三者之间关系的基本曲线.碳量1c)(%)凰1确定所需预热温度的基本曲线图2则表示了焊缝金属中氢含量，在不同强度 级别钢种时临界预热温度的关系曲线.焊缝金属的氢含量ls图2y型坡口试验结果与焊缝金屈氢含量之间的关系曲线 三峡压力钢管60kg级高强钢化学成份如表3墨!三壁垦塑塑竺!堑里塑!兰兰堕堡cmnpsnicrmow0.09015 0412 1.6w.03w0.02w0.300.100 .aoolo 030 订货合同要求碳当量低于0.42,裂纹敏感系数pcmwo.20,到货的钢板逐张板材的材质证明 及入场抽检结果表明钢材的化学成份均满足订货合 同要求三峡工程压力钢管制造安装

8、所使用的进口 高强钢焊接材料是国产60kg级的mk607rh焊 条，其扩散氢含量为1.28x102ml/g.由焊缝的 化学成份,裂纹皱感系数pcm,熔敷金属含氢量h 和板厚h或拘束度三方面因素而建立的焊接冷裂 纹敏感性判据如下：pc=pcm+h/6o+h/6oo实际计算：pco.2+1.28/60+60/6000.321预热温度的数学计算式:to 1440pc392.实 际计算to 一 1440x0.3al 392,计算结果 70.24c. 结果表明三峡压力钢管所用的高强钢材料在晟 大厚度为60mm使用mk607rh焊条施焊条件下， 理论计算所需预热温度为70c.然而这只是根据裂纹牛成理论在实

9、际焊接之前 对所焊材料在某种生产条件下产生裂纹的可能性和 避免裂纹产生的预热温度的预测但是在实际焊接 生产过程屮又有一些理论上无法确定的因素影响焊 接裂纹是否真正产生与否，也就是说几乎不可能从 理论上预计到底釆用多么精确的预热温度以防止冷 裂纹的产生.理论计算结果只是对实际应用条件下 对某种材料的抗裂性能和预热温度的初步估计和评 价,显然用其推导值来指导实际焊接工艺是不够的， 也是不符合有关程序的，应经过实际抗裂性试验的 验证预热温度的选取必须以实验结果为准因此 针对焊接预热温度的确定和选取，压力钢管制安施 工单位在施工现场作了焊接裂纹试验工作试验按 照gb4675,184斜y型坡口焊接裂纹试

10、验方法 所规定的条件进行试验环境条件为气温16c,湿 度rh55,试件的形状和尺寸如图3试件钢号 610u2 化学成份 c:0.09,si:0,2,mn:1.4l,p:0.01 %,s:0.01 %,ni:0.2%,cr:0.12,mo:0.18试件厚度34mill,轧制方向垂直于试板长度 方向两端拘束焊缝焊完后焊接试验焊缝见图4焊 条 04mrn,che62cfi 焊接速度 2.3mm/s,电压 24±2v,电流170±10a.线能量1719kj（不进26西北水电?2002年?第1期圈3试件的形状和尺寸国4采用手工爆时试验爆缝位置行预热条件下）/cm,焊后72h以后进行了

11、检测和解 剖.通过渗透探伤检查，试验焊缝表面情况均未发现裂纹形成其计算表面裂纹率口二/lx100（如图5a）.根部裂纹率cl/lx 100 （如图5c）,检查方法为将试验焊缝区试块着色后在 拉力试验机上拉断后检测焊缝根部，检查结果也未 发现根部裂纹.断面裂纹率e=hc/h x 100（如 图5b）,检查方法为在焊缝区横截面取10-12ram 厚的断面，将断面铳平磨光，抛光，腐蚀后，用金相显 微镜检测焊缝断而试验结果均未发现裂纹.为了进一步考验和验证三峡压力钢管用高强钢 a表面裂纹11.lb根部裂纹匹c断面裂纹图j试件裂纹长度的计算板材料在现场施工条件和环境下，特别是在高度拘 束力焊接条件实际抗

12、裂性能，现场进行了窗形拘束 对接裂纹试验，试验板尺寸60x510x360mm窗形 尺寸及拘束板设置坡口尺寸如图6所示.现场施焊条件及工艺记录:环境温度5c,相对湿度70,横焊位置直流反接，圣4.0ram che62cfih 焊条,150160a,2325v 热输人 18kj/cm左右，多层焊层间温度<200°c,双面焊 接，玲却后将试板拆下,72h后作检查，结果如下： 磁粉mt100合格，超声utloo合格，射线 rti级合格沿焊缝纵向剖开（见图7）经磨片后经mt检查未发现裂纹及其它缺陷.hf_ 亘.11 =:=:lx4 孔圉6窗形拘束对接裂纹试验/kjm围7试样藏取方

13、向和横裂纹情况经以上两种焊接试验后，得出如下结论:对于三 峡工程压力钢管所用的高强调质钢板610u.材料 在一般管节焊接屮和配套的焊接体系下,板厚在 60ram以下吋，制造和安装焊接中采用不预热工艺 可以避免在实际制安施焊焊缝裂纹的产牛以上两 种裂纹试验结果对压力钢管高温钢材料的可焊性和 裂纹敏感程度给出一个基本评价同时也给实际焊 接工艺的编制提供了基本依据 在三峡工程60kg/mm级高强钢材料焊接实 际预热温度的选取上，还考虑了以下因素：欧阳明之三峡i程左岸电站;1水压力钢管焊接预热温度的选择27 (1)钢材生产厂家口本nkk公司在推荐工艺中提岀的意见，即:该调质钢在60nlm以及以下厚 度

14、焊接时,不需特别预热，但须在施焊环境蒸汽分压 为25mmhg以下.而三峡坝区环境温度一年中rh >70以上的时间较多，因此在环境温度较高时，特 别是在夏秋季高温阴雨季节里，水蒸汽分压较大(见 表3).表3水蒸汽分压(mmhg)(2)施焊时工件温度较低于实验温度时例如:冬 季环境温度较低时，施焊工件也须进行适当的预热. 综合考虑理论计算和两种裂纹试验成果和试验 条件的差异性并不可能完全模似现场实际焊接，以 及坝区内现场施焊条件的苛刻性和不确定性等实际 施焊条件,对实际焊接的预热温度选至70c较为合 适当施焊环境较差，特别当夏秋季节，高温阴雨季 节水蒸气分压接近或超过25mmhg吋，

15、以及冬季 环境气温低于5°c时，采用高于规定值2。30c的 温度预热温度工艺，则是较为台理的.因此，将其编 人了焊接工艺指导书中在施工指导焊接生产. 通过一年来实际应用表明，所制定的预热温度 能较为科学合理地指导焊接工艺的制定，既能在满 足焊接质量这一基木要求乂能保证施工进度的要 求,应用效果较好，达到了预期的目标在解决三峡 工程高强钢压力钢管焊接问题的同时，对高强钢厚 板焊接预热温度和预热温度的选择进行了有益的探 索.参考文献i美国焊接学会.焊接手册m.机械工业岀版杜,1988:2吴世初，等着金屈可焊性试验m3上海科学拄术主献出版牡,1992selectionofpreheated

16、temperaturefortgppenstockweldingouyangmingzhi(northwestinvestigationdesign&researchinstitute，spc,xran710065) keywords:tgp;penstock;welding prcheatedtemperatureabstract:basedontheweldingtheory,theoreticalanalysisandevaluationaremadeonthepre heatedtern peratureforweldingpenstocksofthetgpleftpo

17、werhouseunitsandtestsarecarriedoutonthecoldfrae一 turetendencyofweldseams.thiswillprovideguidanceforpreparingproperprocedureofpen stockweld一ing.(上接第23页)optimaldesignandimplementationofshiquanexpansionprojecttianshu一tang.i.iuhui一feng,duanhongjiang&amp;yangxinguang(northwestlnvestigationdesign&amp;researchinstitute,spc,xi<an710065)keywords:shiquanexpansionproject;optimaldesign;implementalionabstract:indesignofthesnquanexpansionproject,thefollowingoptimaldesignmeasuresa readoptedthesurgetankiscan