水电站XXXXXX 6565655管线用高强钢岔管的焊接

熊江华

（江西省水电工程局，江西南昌 330096）

0 前言

在一些大容量、高水头水电站的建设中，引水压力钢管逐渐采用高强度、高韧性管线用钢板，该应用将减小板厚，减轻工程量，缩短施工工期。我单位制作加工的某2×20 MW水电站的压力钢管道上采用了>600 MPa级管线用高强钢板（X65），X65钢属于低碳或超低碳的微合金化钢，板材的碳当量Ceq≤0.45%，具有高强度、低包申格效应、高韧性和抗脆断、低焊接碳素量和良好焊接性、以及抗HIC和抗H2S腐蚀。（X65管线钢化学成分及机械性能见表1和表2）。

该水电站压力钢管、钢岔管最厚钢板为80 mm，采用的X65管线钢为宝钢生产，如此厚的高强度国产管线钢用于岔管的制作，在国内比较少见。岔管采用月牙形内加强肋形式，主管内径1 796 mm，支管内径1 140 mm，最大公切球内径2 213 mm，水压实验承受内水压7.53 MPa。根据设计要求，岔管需做整体水压试验。在水压试验压力7.53 MPa下，岔管壁测得最大应力为320 MPa，月牙肋最大应力为110 MPa，经超声波、射线无损检测，焊缝未发现任何缺陷。所有检测项目均合格并符合规范设计要求，证实了本次采取的焊接工艺是正确和可靠的。

表1 X65钢的化学成分

注：（1）Ceq（%）=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14

（2）Pcm（%）=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B

（3）碳当量Ceq（%）≤0.48，焊接裂纹敏感指数Pcm（%）≤0.25

表2 X65钢的机械性能

1 焊接工艺

1.1 焊接工艺方案的编制

根据会审的施工图编制焊接施工工艺方案，焊接工艺方案编制的主要内容包括：（1）材料的预处理方法；（2）毛坯的下料工艺；（3）坡口的加工方法；（4）焊接方法的选定；（5）焊接材料与焊接参数的选定；（6）焊接顺序；（7）焊接预热及焊后热处理方法与参数的选定；（8）焊接接头质量检验方法、数量及合格标准；（9）焊接接头表面处理要求。

1.2 焊接工艺评定

焊接工艺评定按下列程序进行：（1）由技术人员提出工艺评定任务书；（2）焊接工程师审核任务书并拟定焊接工艺评定指导书；（3）焊接工程师监督试件的施焊、检验及试样的制备等工作；（4）焊试室责任人负责评定试样的送检工作，并汇总评定检验结果，提出焊接工艺评定报告；（5）评定报告经焊接工程师审核，企业技术总负责人批准后，作为编制指导生产的焊接工艺的可靠依据。

焊接检测委托第三方检测机构负责，焊后外观检查及无损检测合格，结果见表3。

表3 焊接工艺评定结果

1.3 焊接作业指导书

依据工艺评定综合报告有关参数制定焊接作业指导书，焊接作业指导书是产品施焊过程的技术文件，是指导焊工从事产品焊接的依据，它是克服焊接过程随意性、严格贯彻工艺质量要求的重要手段，是提高焊接工程质量的可靠保证，并在工程施焊前以技术交底方式向焊工讲述清楚，确保了焊接人员顺利执行。

2 焊前准备

2.1 焊工管理

1）组建焊工队伍。

2）焊工培训。在正式焊接前，对先前未接触到高强钢焊接的焊工进行培训，使焊工了解高强钢的焊接特点，明确高强钢的焊接工艺，达到标准即发焊工合格证。

3）焊工技术档案的管理。技术档案包含：（1）焊工基本状况；（2）焊工身体状况；（3）培训资料；（4）焊接质量状况记录；（5）合格焊工技能档案等几方面内容。

2.2 坡口清理

采用半自动火焰切割机开坡口，坡口形式采用（1/3+2/3）不对称“X”形坡口。所有拟焊面的坡口两侧各50 mm范围内的氧化皮、铁锈、油污及其它杂物应清除干净，每一焊道焊接完毕之后也应及时清理，检查合格后再进行施焊。

2.3 预热

根据板厚40 mm试板焊接工艺，应采取焊前预热（见图1），焊后热处理工艺焊接才可达到要求。岔管焊接时，采用远红外线自动控温加热器进行预热，预热温度为120～180℃，加热范围为焊缝两侧100 mm以上。采用自动温控装置和手动红外线测温仪进行温度监控，温度测点位于焊缝左右50 mm，对称测量。

图1 岔管焊接前采取预热、焊后做保温措施

2.4 焊接材料烘焙保管

依据等强原则首先考虑母材中的合金元素向焊缝的扩散和元素间相互作用的影响，还必须注意尽量选择强度级别及化学成分与母材相同或相近的材料，同时根据以往施工经验及厂家提供相关资料，手工电弧采用天津金桥J607RH超低氢焊条。

焊条使用前必须在350～400℃烘烤2 h，烘焙后的焊条应保存在100～150℃的恒温箱内，药皮有脱落和明显的裂纹、焊丝有锈迹和油污的焊条严禁使用。

现场使用的焊条应装在保温筒内，随用随取，焊条在保温筒内的时间不宜超过4 h，超过时间后，应重新烘焙，重复烘焙的次数不宜超过2次。

3 焊接

3.1 管节间焊缝焊接

岔管制作所有焊缝采用手工电弧焊，焊机采用直流焊机YD-400SS，直流反接，焊接工艺参数见表4。在焊接过程中，为减小焊接变形及收缩应力，应选用合适的焊接顺序，尽量保证焊缝在各个不同侧面受到的焊接预热量达到平衡。由于钢管制作所采用的板材比较厚，焊接过程中有些焊缝部位拘束度比较大，应力比较集中，对于整条焊缝而言，可采取分段退焊及多层多道焊、窄焊道焊接，如图2，以降低焊接线能量的输入，同时可改善焊接接头的组织和性能，从而达到控制焊接变形及应力集中的目的。

表4 手工电弧焊焊接工艺参数

图2 岔管分道焊接顺序和多层多道焊接示意

焊接过程中应注意保持层间温度，从焊接开始到焊接完成始终不能中断。如果有特殊情况中断焊接，应如同焊接完毕一样进行焊后保温消氢处理。

气刨清根应在焊接后立刻进行，确保气刨清根时的温度150℃之上，气刨操作应连续完成，气刨后刨槽应进行100%的打磨，铲除渗碳层，直至露出金属光泽。清根后仔细检查根部有无缺陷，开始焊接前，应对清根后焊缝表面进行磁粉探伤。

为了减小焊接应力和变形，整条焊缝的焊接顺序控制尤为重要，可将每条环缝分成3等份，由4名电焊工从每一等份的起始位置按同一时针方向，同时施焊，如图3所示。另外，电焊工应尽量保证一致的焊接速度。焊接第一层和第二层分段长度短些，第三层以后分段可慢慢加长，每层的接头都应该相互错开，为了减少接头使焊缝表面美观，盖面层不分段。

图3 焊接顺序

3.2 月牙肋和管壳之间的焊缝焊接

月牙肋和管壳之间的焊缝坡口形式如图4所示，由于接头在不同截面的夹角也不同，随着月牙肋和管壳之间的夹角变化，坡口尺寸也均匀的改变。岔管月牙肋厚度为80 mm，材质为X65，月牙肋和管壳之间的焊缝为高强度钢和高强度钢的焊接。焊接过程中同样采用多层多道焊，严格控制好线能量的输入，采用退焊法和对称焊，以改善焊缝组织和减少应力，焊接详情同管节间焊缝焊接一样。

对于岔管和月牙板对接焊缝，首先焊接岔管内两条焊缝，加热块安装如图4所示，月牙板厚度厚，散热面积大，且材质为X65，预热温度应适当的提高，预热温度为180～200℃，用红外线测温仪测量岔管内两条焊缝的温度，温度达到后方可焊接。

岔管内环焊接5层后，进行岔管外焊缝清根，清根时温度需保持层间温度120～150℃，清根后仔细检查焊道根部，如出现过裂纹的缺陷，应用磁粉探伤对焊缝进行表面检测。焊接岔管外焊缝时，岔管外清根焊接前首先应在岔管内安装加热块，加热块安装如图5所示。

为了避免应力集中，焊缝焊接好后，应再焊接一定厚度的角焊缝，使管壳和月牙肋之间圆滑过渡。

图4 月牙肋和管壳间焊缝坡口形式及外环缝加热块安装

图5 月牙肋内环缝加热块安装

4 焊接施工现场管理

水工钢结构焊接质量控制的现场管理，主要包括产品施焊、焊缝返修和焊接环境确认等。

对超标缺陷严格按照SL36《水工金属结构焊接通用技术条件》及DL5017、DL/T5018等规定进行焊缝返修。焊缝返修时依据材料、设备技术参数、缺陷性质、位置、大小和产生的原因及焊缝受力特点来制定返修工艺并做好返修记录。

在施工时必须保证焊接环境条件符合GB/T14173-2008、DL/T5018-2004等规定的焊接技术要求，从而为保证产品焊接质量创造良好条件。当施焊环境出现下列任—情况，禁止焊接施工，否则，需采取有效防护措施：（1）雨天和雪天的露天施焊；（2）施焊场地风速大于五级（8 m/s）；（3）环境温度低于-10 ℃；（4）相对湿度大于90%。

5 焊后处理

岔管结构复杂，焊缝处刚度较大，X65钢对氢敏感，焊后为了进一步消除焊缝中的氢，防止产生冷裂纹，应进行消氢处理。用沿焊缝采用石棉包裹，加热温度150～200℃，保温1 h。

6 焊后检查

焊接完毕后，DL/T5017-2007规程，对所有焊缝进行外观检查，外观检查合格后，按焊缝类别及合同要求进行100%无损检测，必要时还要进行表面磁粉探伤。无损检查在焊后24 h进行。

7 水压试验

7.1 试验前的准备工作

水压试验采取整体水压试验方案，并委托具有资质的第三方来做。水压试验前，根据第三方提供的水压试验方案图，加工好临时用的闷头及其它附件，安装好闷头、法兰、注水管、排气管、压力表、闸阀等（如图6）。正式做水压试验前，压力钢管几何尺寸及焊缝质量检验报告已提交。

充水前，对压力钢管上的临时支撑件、支托、工卡具、起重设备等进行解除拘束处理，并对管壁上的焊疤、划痕等进行打磨修补。检查合格后及对压力钢管进行充水。

图6 压力钢管整体组装

7.2 正式水压试验

进行水压试验时，加压前必须排气。并应逐步缓慢分级加载升压，加压速度不宜大于0.05 MPa/min。先缓慢升至工作压力并保持30 min以上，此时压力表指针应保持稳定，没有颤动现象，对钢管进行检查，情况正常可继续加压。再升压至试验压力，达到试验压力后，再稳压30 min，此时压力表指示的压力应无变动。然后下降至工作压力稳压30 min以上，以便有足够时间观测和检查，整个试验过程中应随时检查钢管的渗水和其他异常情况。水压试验过程中，出现问题需要处理时，先将管内压力卸至零压力，再将钢管内水排空后，再进行焊接、热切割、碳弧气刨或矫型等作业。

7.3 水压试验完成

水压试验完成后，应缓慢将管内压力卸至钢管内水自重压力，在确认管段上端的排气管阀门打开后，再进行钢管内水排放作业。

水压试验完成后，第三方根据试验过程数据提交合格的水压试验成果报告。

8 结束语

虽然X65管线钢具有良好的焊接性能，但其焊接与低碳钢焊接有很大的不同。如果不针对其焊接性能制定专项焊接工艺，会导致焊缝裂纹、未融合等焊接缺陷。因此，为保证焊缝质量，X65管线钢焊接应采取多层多道和线能量输入控制，以达到改善热影响区的微观金相组织；厚度在20 mm以上的X65钢管焊接必须进行焊前预热和焊后热处理；对未接触高强钢焊接的焊工应事先进行培训，注意转变焊工的焊接习惯，加强生产过程的管理监控。