水电站不锈钢复合板钢衬制造加工技术

陈文松

（中蓝晨光化工研究设计院有限公司，四川 成都 610041）

水电站不锈钢复合板钢衬制造加工技术

陈文松

（中蓝晨光化工研究设计院有限公司，四川 成都 610041）

通过对国内多个水电站不锈钢复合钢衬的制作工艺总结，从复合不锈钢板材料特性、瓦片压制、卷板工艺、拼对组装、焊接工艺、部件总拼装等方面介绍了不锈钢复合钢衬制作加工技术。该技术成熟稳定，已成功运用于国内多个大型水电站工程。

不锈钢复合钢衬；制作工艺；流程；材料检验；卷板拼装；焊接

1 概述

不锈钢复合板是以碳钢基层与不锈钢覆层结合而成的复合板钢板[1]。它的主要特点是通过爆炸、轧制、爆炸-轧制等方法使碳钢和不锈钢形成牢固的冶金结合，可以进行热压、冷弯、切割、焊接等各种加工，具有良好的工艺性能。不锈钢复合板的基层材料可以使用 Q235B、C，Q345A、B、C，Q345R，Q245R，15CrMoR等各种普通碳素结构钢、低合金钢和压力容器专用钢。覆层材料可以使用 06Cr19Ni10、022Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢和022Crl9Ni5Mo3 Si2N、022Cr22Ni5Mo3N(2205)、022Cr25Ni7Mo4N(2507)双相不锈钢等各种牌号的不锈钢。不锈钢复合板作为一种经济型材料，广泛应用于冶金、石化、化工、食品、水利行业等诸多领域。

目前国内三峡、溪洛渡、向家坝等水电站大坝泄水、排沙钢衬均采用不锈钢复合板。

与传统的碳钢钢衬相比，不锈钢复合钢衬在下料、压制卷板、焊接等工艺上具有鲜明特点，易切削冷加工和冷弯成型，焊接性能好。通过对国内多个水电站工程中不锈钢复合板钢衬制作工艺的总结，从复合不锈钢板材料特性、瓦片压制、卷板工艺、拼对组装、焊接工艺、部件总拼装等方面精心组织研究，形成了不锈钢复合钢衬制作加工法。该技术成熟稳定，安全可靠，已成功运用于溪洛渡大坝深孔钢衬制作、三峡排沙钢衬管制作工程。

2 技术特点

通过制定合理的施工工艺流程，布置合理的施工设备，可以保证钢衬制作的连续性、高效性及安全性。

不锈钢复合钢衬制作采用瓦片冷压成形，可以有效防止基材与复材结合处发生脱落或产生应力裂纹。

钢衬拼装时利用胎膜进行组拼、焊接，能大量节省拼装时间，保证其组拼质量以及减少在焊接过程中产生的变形。

制定合理的焊接工艺，防止焊接过程中在热影响区造成马氏体硬化组织，保证焊缝熔合区具有良好的组织与性能。

3 制作工艺介绍

在车间搭设钢衬的组拼平台，设置龙门吊专门用于钢衬的组拼。

复合钢衬下料时根据订货时不锈钢复合板的宽度按最大利用率原则进行排板和下料，用数控等离子切割机进行切割，并在刨边机上加工拼接焊缝坡口。钢衬筋板与隔板都用数控切割机下料，对下料尺寸及形位公差进行严格控制。

在油压机上用胎模压制钢衬瓦片两端的弧度，再在卷板机上卷制成型。用样板逐段检查瓦片弧度。瓦片卷制通过严格控制卷压次数来控制复合钢板延伸率。

将制造合格的钢衬瓦片，隔板及筋板三种部件在专设胎具上进行组拼，钢衬组装时以复层为基准，防止错边过大影响复层焊接质量。筋板、隔板的尺寸曲线要与钢衬弧面曲面吻合，对超差弧度进行修正，以防止拼焊时钢衬瓦片间焊接变形及钢衬反复卷压后的时效应变。

组拼完成且验收合格后方可进行焊接，焊接在胎膜上进行。焊接顺序为先焊基层，再焊过渡层，最后焊复层。

4 施工工艺流程及操作要点

本工艺以在水电站钢衬中广泛采用的双相不锈钢复合钢板为例，这种钢板以4 mm厚的双相不锈钢022Crl9Ni5Mo3Si2N作为复材，20 mm厚的低合金钢Q345B作为基材的复合钢板。水电站钢衬一般分为圆形钢衬、方形管衬、圆变方钢衬、弧形钢衬（护角）等几种。

4.1 不锈钢复合钢衬制作流程

以溪洛渡深孔不锈钢复合钢衬为例，钢衬制作流程图见图1：

图1 钢衬制作工艺流程图

4.2 操作要点

4.2.1 原材料检验[1,2]

每批钢材入库验收时，先查验产品质量证明书，无误后按GB/T7734-2015和GB/T8165-2008标准进行超声波探伤抽查、100%外观质量检查以及力学性能（拉伸、冷弯、冲击）检测，合格后方可投入使用。

复合钢板的级别为Ⅰ级，即不论采用何种复合工艺，复合板结合率应为100%。

复合板的厚度、宽度、长度、不平度等尺寸偏差应符合GB/T8165-2008标准要求。

复合钢板表面质量要求为：表面（基层、复层）不得有气泡、结疤、裂纹、夹渣、折迭等缺陷，且不允许有明显凹凸不平。经复合热处理整平后的复合钢板的不平度＜4mm/m，且＜1/50斜度。

4.2.2 钢衬瓦块加工制作

（1）钢板平板

经过检查合格的钢板在下料前按照工艺要求进行平板。采用卷板机平板，平板后钢板整体平面度≤5mm。

（2）画线

下料人员根据施工图纸利用粉线划出切割线、坡口角度及其基准线（单节钢衬中心线），检验合格后，在钢板上打样冲并用油漆笔标注水流方向、分孔、分节编号，然后切割下料。卷制瓦块考虑到卷制时钢板延伸率，一般下料时长度方向比理论值小6mm，宽度方向比理论值小2～3mm进行控制。

（3）切割

1）切割及坡口制备在具有足够刚度的切割平台上进行，为确保切割精度，切割平台平面度允差一般不超过2mm。

2）采用等离子切割机进行切割，钢板复层面朝上时进行切割。由于割炬切割钢板将产生3～5mm的熔宽，故切割后要留半个冲眼。另外，切割钢板的切断口表面形位公差及表面粗糙度达到以下要求：切断面光滑、整齐、无毛刺；厚度方向的垂直度公差不大于厚度的1/10，且不大于2.0 mm；切割面的熔渣、毛刺和缺口，用砂轮磨去，切割后的边缘不得有裂纹、夹层和夹渣等缺陷。

3）按工艺要求用刨边机加工坡口，砂轮机磨除坡口部位的渗碳层。

4）筋板与隔板用数控切割机下料，用压力机校正，其平面度允差不大于2 mm，侧弯小于3 mm。

（4）钢衬压制与卷板

该工序适应于圆管、圆变方钢管（钢衬渐变段）及弧形钢衬（护角）。

1）圆管、弧形钢衬（护角）

①先在油压机上用胎模压制瓦片两端的弧度，再在卷板机上卷制到接近的弧形轮廓面。

②卷板方向应和钢板的压延方向一致，卷板中不能碰损不锈钢表面。瓦块卷板时采用小进辊量，反复多次卷制，并经常用弧度样板检查其半径R值达到吻合度≤0.5mm，卷制好的瓦块在自由状态下直立于平台上用标准检查样板检查瓦块弧度，当弧形瓦块出现样板间隙超差，在预制的弧形胎膜上进行调校，合格后才进行拼装。

③护角钢衬先卷制到接近的椭圆轮廓面后，再在油压机上按瓦片上平行的素线逐段按椭圆表面形状予以压制校正。当压制的椭圆轮廓达到设计要求后，用标准检查样板逐段检查其弧度，曲弧表面的局部不吻合值不大于2mm，弧曲面的扭曲值不大于1.5mm[3]。

④卷板时需要瓦块长度进行精确控制，以控制管节组装后周长，保证相邻管节坡口的错牙值在许可范围。瓦块长度控制的关键在控制卷板钢板延伸率。卷板时记录好卷板往返的次数，根据卷板后的尺寸和卷板前的尺寸进行比较，确定钢板的延伸率，对后续的板材的下料尺寸进行相应调整。复合钢板的延伸率较大，且卷板次数越多，延伸率越大。需要在校正延伸率的基础上，控制卷板的次数。

2）圆变方钢管段（渐变段）的压制与卷板

①圆变方钢管由直边段和弧形段组成，在卷制和压制时对瓦片不同区域所用的力度不相同，将造成每个瓦片卷制或压制成形后延伸不一样，瓦片的外形尺寸发生变化，将影响管节组装后的节间间隙，而且管节的错边、偏心等值也不易控制。

②圆变方钢管段瓦片展开为曲型，下料时不采用机加工的方式对坡口进行加工处理，易引起渐变段管节焊缝坡口节间间隙不均匀或间隙较大，坡口焊接采用气刨成型。

③根据圆变方钢管段各节的半径大小，对半径较大的管节进行卷制成型，对于半径较小管节，采用压制成型。

④在瓦块压制成形前，将滚压线划好，滚压线每隔20～30 mm划一挡，压制时从中间开始往两边压．渐变段卷板半径小的瓦块采用模压成型，在压圆变方管节时为防止瓦块压裂，在其出口处内壁（不锈钢）园变直段部分，用气刨将不锈钢面刨去长约300 mm，深6～18 mm，宽约20 mm的口子（具体见图2），划好的滚压线，利用压模和园钢进行压制，压制时辅以火焰加热。

图2 圆变方管节瓦块压制示意图

4.2.3 钢衬的拼装

（1）组装平台及胎具设置

组装平台具有足够刚度，整体平面度≤2mm。

拼装胎具设置应便于施工和检查，满足钢衬在组装和焊接时不同工位操作的要求[3]，见图3。

图3 利用胎具进行组拼

（2）单片拼装

适用方管段与护角钢衬。

1）检查筋板、隔板下料后的尺寸及形位公差[3]。将隔板与钢衬顶紧检查其贴合面吻合度。如间隙超过2mm，则需对隔板的弧度进行修正，直至隔板与钢衬内表面吻合为止。将制造检验合格的钢衬瓦块、隔板及筋板三种部件在专设胎具上进行拼对。

2）拼装时先将面板铺设于平台（不平度≤2 mm）上，划出各加劲肋板组拼线，根据组拼线通过门式卡板和楔铁控制加劲肋板与面板间隙，利用角尺控制肋板与面板的垂直度、加劲肋板间垂直度。

3）单片拼装时记录相邻瓦片环肋板间距尺寸，并根据记录尺寸划线，拼装肋板，从而保证整节拼装时，纵缝处肋板对接时不产生错边。

4）肋板、隔板跨钢衬焊缝时设避焊孔，避焊孔半径为40 mm。

5）为了减少钢衬焊接变形量，利用门式卡板通过楔铁把单片钢衬立式对扣夹紧，钢衬必须与平台加固牢靠。

（3）单节拼装

1）单片瓦块验收合格后，根据分节接口尺寸，在已拼装好的组装平台上放出管口的实样，并标出开口值、测点R值位置线、倾斜值及管节中心线。

2）方形管节拼装：根据中心线及管口实样将瓦块按底衬、侧衬、顶衬，依次吊、装调整就位；检查两头开口尺寸和对角线尺寸、焊缝间隙、错牙等，拼装合格后同时在钢衬两端内壁拼装内支撑，再进行焊接，焊接完成后其余内支撑、筋板、钢围带等。

各节瓦块在拼装时，严禁采用火焰校正，尽量少使用码子、楔铁。

3）分段护角钢衬组装：在拼装胎具平放位置将护角有关部件组装在一起，然后根据焊接位置的需要，将拼装好的护角旋转到最佳焊接位置进行焊接，制成整节护角。

4）管节组圆拼装：钢管组圆时不需要进行单片拼装，钢衬瓦块、隔板及筋板加工制作合格直接进行管节组圆拼装。

钢衬管组圆在平台上进行。首先根据设计尺寸在平台上放出实样，包括上下管口相应半径值、弧度段与平板段的分界点，然后开始拼装。所有尺寸检查合格并复查水平后严格按焊接规范焊接。焊接完整后加装内支撑、筋板。

5）各道工序完成后用油漆在钢管外壁标明管节号数，顶、底、两腰中心线位置及水流方向，以利于预拼装和前方安装。

（4）摞节拼装

单节钢衬打磨探伤完成后，可以根据工地起吊、运输能力，可以将几个单节在车间进行组拼，焊接。摞节组拼节数根据工地起吊条件及制作情况灵活调整，实际施工中，以2节组拼为主，3～4节组拼的也有，可以大量节省安装工期。

4.2.4 钢衬的焊接[4,5]

复合钢板的焊接中过渡层的焊接尤为重要。

不锈钢复层较基层具有低的热导率 (仅为基层的1/2)，高的电阻(为基层的4倍)和较大的线膨胀系数(为基层的1.3倍)，因而过渡层焊接会引起较大的焊接变形及应力，导致焊接裂纹的产生。而且在焊接过程中，存在不锈钢奥氏体形成元素的稀释问题，影响焊缝抗腐蚀性能，同时，容易形成马氏体淬硬组织。因此为保证焊缝性能，复合层焊接材料应选择比复合层鉻、镍含量高且机械性能相当的焊条，而基层母材为普通低合金钢，具有优良的焊接性能，根据等强度原则选用一般的碳钢焊条或焊丝即可。同时，严格控制冷却速度，适当控制熔合比。

（1）焊接工艺评定

复合钢板常用的焊接方法有焊条电弧焊、钨极惰性气体保护焊、熔化极惰性气体保护焊等。根据水电站不锈钢复合钢衬制作实际情况，钢衬碳钢层以采用CO2气体保护焊（或手工电弧焊），过渡层、最终复层焊接采用手工电弧焊焊接，手工电弧可以满足异种钢熔合比小，稀释率低的焊接要求。

不锈钢复合板的焊接，依据DL 5017-2007《水利水电工程压力钢管制造安装及验收规范》、GB/T13148-2008《不锈钢复合钢板焊接技术条件》及NB/T47014-2011《钢制压力容器焊接工艺评定》等标准的要求进行焊接工艺评定。以双相不锈钢复合板为例，焊接工艺评定项目见表1。

工艺评定试验包括接头的拉伸试验、弯曲试验、硬度试验及冲击韧性试验和复材焊缝金相试验，均满足设计及规范要求。

（2）坡口及焊接工艺参数

不锈钢管复合钢衬典型坡口型式参见图4。

表1 焊接工艺评定项目一览表

图4 不锈钢管复合钢衬典型坡口示意图

焊接工艺参数见表2。

（3）坡口的清理及防护

施焊前必须用角磨机对基层焊缝坡口及两侧各30 mm范围内的铁锈、油污，水分等进行清理，复层可采用丙酮清理油污等杂质；为防止焊接飞溅物损伤复层表面，削弱复层的耐蚀性，焊前应在坡口两侧150 mm范围内均匀喷洒焊接防飞溅剂。

（4）焊接程序

焊接一般程序：焊前清理→定位焊焊接→焊接→焊缝检验（内部及外部）→焊缝打磨。

复合板焊接时先焊基层，再焊过渡层，最后焊接复层。这样可以避免复层焊缝及热影响区发生敏化，从而提高了复层的耐蚀性。

（5）定位焊

所有定位焊均焊在复合板基层一侧，焊缝厚度以4～6mm为宜，每段长度50～80mm，间距300～400mm。施焊前检查定位焊质量，如有裂纹、气孔及夹渣等缺陷应清除。对一类焊缝部位的定位焊在焊接时进行清除处理。

（6）基层的焊接

焊接基层时，其焊条不得触及和熔化复层，焊道表面应距复合界面1.5～2.0mm，焊缝余高小于1.5mm，超高部位需用角磨机打磨，为防止过大的焊接热输入量对复层金属的影响，应严格限制基层的焊接热输入量小于30 kJ/cm。

表2 焊接参数表

（7）过渡层及复层的焊接

必须保证过渡层的焊接厚度为2.0～3.0 mm，过渡层厚度过薄，易造成下一层焊缝的氧化；复层的焊接必须保证焊缝表面与复层表面保持平整、光滑，余高小于2 mm，焊后磨平。焊接控制规范如下：

1）焊接线能量。采用比基层焊接小的焊接热输入量(E＜18 kJ/cm)，采用窄道焊(焊条不摆动)进行焊接。

2）焊接电流。选择较小的电流(一般比碳钢焊条低20%左右)。

3）道间温度的控制。严格控制过渡层及复层焊接的道间温度不超过60℃。

4.2.5 焊接检验与缺陷返修[6]

（1）所有焊缝焊接完成后，按DL5017-2007《压力钢管制造，安装及验收规范》中的表6.4.1中的相关规定进行焊缝外观检查，合格后方可转入无损探伤工序。

（2）焊缝无损探伤比例：一类焊缝100%超声波探伤，抽查率或射线探伤20%；，二类焊缝50%超声波探伤抽查率。表面裂纹检查100%渗透探伤检查。

（3）缺陷处理

焊缝内部缺陷须采用碳弧气刨或砂轮将缺陷清除干净并用砂轮修磨成型，补焊前严格检查确认缺陷消除，方可以进行返修。焊缝返修按照规定的焊接工艺进行。

4.2.6 钢衬的防腐

钢衬焊缝探伤检查合格后，将所有安装标识中心线及管节号进行复查，然后将钢衬转防腐工序，进行外表面防腐及内表面焊缝打磨。

涂装材料的使用按设计施工图纸和生产厂家的说明书进行。

不锈钢复合钢衬外表面一般涂装无机改性水泥浆，无机改性水泥浆的配比为每1 000份水泥中加入无机改性添加剂溶液40～50份，水泥标号不低于400号。搅拌均匀后即进行喷涂或涂刷，涂刷过程中经常测量水泥浆厚度，涂层漏涂部位应予修补。配制好的无机改性水泥浆应在1 h左右涂刷完毕，24 h后进行一次淋水养护。

要求涂层均匀，不出现开裂，锈斑、脱落等缺陷，主要技术性能指标：附着力≥3.0 MPa，28 d龄期抗压强度≥40 MPa。

水泥浆未干透前进行一段时间的养护，避免受到雨水和其它液体的污染，更不能有人员践踏。钢衬防腐完毕，注意防止高温、灼热及不利气候条件的有害影响。

5 结束语

不锈钢复合钢衬成熟、高效的制造加工工艺，规范了水电站不锈钢复合钢衬制作过程，在保证质量的基础上，节省施工工期，为水电站早日发电争取了宝贵的时间，具有较大的社会效益。

该工艺工法已成功运用三峡工程、溪洛渡水电站排沙、深孔泄水钢衬的制造，不锈钢复合钢衬制造的各项技术质量指标均满足设计及有关标准、规程规范要求。深得业主、监理以及其他单位的一致好评。

[1]GB/T8165-2008不锈钢复合钢板和钢带[S].

[2]GB/T7734-2015复合板超声检验方法[S].

[3]王守运.三峡泄洪深孔检修门槽复合钢板护角的研制[J].中国三峡建设，2001(07).

[4]NB/T47014-2011钢制压力容器焊接工艺评定[S].

[5]GB/T13148-2008不锈钢复合钢板焊接技术条件[S].

[6]DL 5017-2007水利水电工程压力钢管制造安装及验收规范[S].

TB331

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1672-5387（2017）08-0054-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.016

2017-05-20

陈文松（1968-），女，高级工程师，从事压力容器设计、设备监造、现场施工指导工作。