影响压力钢管对接焊缝质量因素分析

王鹏飞，宋 歌，张 添，赵光辉，张成仁

（河南省水利第二工程局，450016，郑州）

一、工程概况

河南省前坪水库输水洞电站布置在主坝右侧， 包括进口引渠段、进水塔段、洞身段、压力钢管段、电站锥阀段、尾水池段、退水闸灌溉闸段、尾水渠等部分。 输水洞进口引渠段底板高程为361.0m，进水塔采用分层取水型式， 洞身段采用有压圆形隧洞，后通过压力钢管连接锥阀和电站，电站安装3 台机组，电站尾水池后建灌溉节制闸和退水闸， 灌溉节制闸为两孔箱型结构，每孔净宽度为3.0 m；退水闸为单孔箱型结构，净宽为3.5 m。 输水洞总长约338.0 m，其中进水引渠段长约60.0 m，进水塔段长22.0 m，洞身段长约256.0 m。 事故检修闸门和工作闸门均为平面固定轮钢闸门， 分别配备1 台2 000 kN 固定卷扬式启闭机和4 台400 kN/630 kN/800 kN/1000kN液压启闭机。

输水洞电站压力钢管为洞身段与电站水轮机（生态基流锥阀）连接钢管，压力钢管均采用Q345C 钢材制作，压力钢管总长度为230m，钢管规格为：DN4000 mm×厚 24 mm，DN3600 mm×厚 22 mm，DN2800 mm×厚 20 mm，DN2400 mm×厚 18 mm，DN2200 mm×厚 16mm，DN1800 mm×厚 16mm，DN1750 mm×厚 16 mm， 岔管 3 节，弯管 1 节，锥管 2 节，凑活节 6 节，穿墙管 3 节。

二、压力钢管安装措施分析

由于输水洞电站对压力钢管对接焊缝质量要求较高， 坡口采用“Y”形，单面焊接双面成型工艺，因此压力钢管对接焊缝经试验对比后均采用CO2气体保护焊焊接，以提高焊接质量，减小变形，提高工作效率。

压力钢管焊缝类别为岔管的所有焊缝及厂房内明管环缝均为一类和二类焊缝，探伤采用5%RT 检测和100%UT 检测， 要求焊接一次合格率为95%以上。

压力钢管由专业生产厂家提供成品，压力钢管进场以后进行现场验收，验收合格后进行安装。

1.钢管清口

①钢管清口采用砂轮机磨去管口两侧不少于50 mm 的氧化层、熔渣、毛刺，并用钢丝刷或毛刷将管口两侧的泥土、 浮锈等杂物清理干净。②钢管接口处必须清理干净，保证管道内没有异物和灰尘，以免影响安装质量。

2.测量放样

利用测量控制网布置压力钢管控制点，根据控制点采用全站仪测量放样出压力钢管的位置、 高程、 中心线。在管道安装之前，采用水准仪和全站仪重新复核压力钢管的中心线和高程位置，并做好相关测量记录，经测量复核无误后方可进行下一步施工。

3.钢管吊装、组对

①钢管接口清理完毕后，对要进行吊装、组对的管节再次检查确认其管节内没有杂物。

②起重、吊装过程中应采取适当的吊装方式严防管节间相互碰撞、挤压； 对清理后达到安装要求的管节，管口部位进行保护，防止吊装过程中产生变形。

③在吊装管节时，采用专用吊装工具进行固定，确保管节在起吊过程中受到最小的变形力。

④钢管吊装前，首先在已放样的钢管位置下放置钢管支架，钢管支架采用工字钢制作，每节钢管安装两个支架， 然后将钢管吊装至支架上，采用垫板进行调整位置及固定。

⑤根据前坪水库输水洞电站压力钢管段的施工计划安排，将副厂房上游第一管节作为安装起始节，由副厂房向输水洞进口方向进行安装。 采用50 t 吊车和20 t 平板车相互配合将清理合格的管节运至安装现场，再根据校核后的测量基准点对管节中心线和高程位置进行调整，经专业技术人员检查合格后，方可用工字钢将管节临时固定于已放样的支架上，经专职安全生产管理人员检查固定牢固后，运用同样方法将第二节管节运至相应安装位置，并以已固定好的第一节管节为基准调校第二节管节的中心线和高程位置。 当两个相邻管节间间隙过大时，应采用倒链和千斤顶进行辅助调整直至管节间间隙满足SL 432—2008 规范要求。 将两节管节组对完成后，应再次复核管节倾斜度和中心线位置偏差，运用相关测量方法，使组对后管节上、下游管口的中心误差控制在5 mm 以内， 便可将钢管临时固定。

4.钢管固定及陶瓷衬垫安装

利用支架上的垫板调整钢管位置，使组对的两节钢管安装精度满足规范要求，规范安装精度要求参照SL 432—2008 如表 1 所示。

钢管安装精度满足要求后，采用电弧焊焊接沿接缝处进行点焊，点焊间距1 m， 点焊完成后采用U 形铁将两节钢管焊接固定牢靠。 钢管采用U形铁焊接固定牢靠后，采用砂轮机将两节钢管接缝处的点焊打磨掉，并将坡口及钢管口内、 外侧清理干净，然后在钢管接缝外侧张贴SC-A2 型陶瓷衬垫，规格为600 mm×27 mm。

表1 钢管规范安装精度要求

三、压力钢管焊接质量控制分析

压力钢管制造与安装环节是一道重要工序，压力钢管的焊接过程则是重中之重，此过程决定着压力钢管的最终质量，而焊接过程中人的因素显得最为重要。 严格控制压力钢管焊接人员资质，最大可能地减少人为原因对焊缝质量影响。

1.焊工资格

①从事压力钢管焊接的焊工或焊接操作工， 应按照SL 35—2011 标准要求考试，取得焊工合格证书并且在有效期内。 ②焊工或焊接操作工在施工中焊接的钢材种类、焊接方法和焊接位置等均与焊工本人考试合格的类别相适应。 ③焊工或焊接操作工参加焊接工作中断6 个月以上者，应重新进行考试，考试合格后方可从事压力钢管焊接工作。

2.设备因素

前坪水库输水洞电站压力钢管采用CO2气体保护焊焊接，由于在管道内部施焊，作业空间有限，坡口形式为“Y”形，要求单面施焊双面成型，因此每条焊缝沿一个方向施焊。 焊接前先进行打底焊，厚度约2 mm，焊接完成后将焊渣敲打清理干净，并用砂轮机将焊缝磨平，清理干净后进行焊缝填充焊。 填充焊分层进行，每层厚度约4～5 mm， 每层填充焊焊接完成后，均将焊渣敲打清理干净，并采用砂轮机将焊缝磨平，然后再进行下一层填充焊施工，按此要求直至焊缝填平。 填充焊焊接完成后，将焊渣敲打清理干净， 并采用砂轮机将焊缝磨平，然后进行盖面焊，盖面焊焊接厚度约2 mm（高出钢管内壁），盖面焊完成后将焊渣敲打清理干净，后用砂轮机再将整条焊缝打磨平整。

（1）焊接设备

选用额定输入电压为单相220V 50/60Hz，型号为 MIG-210T，及与之匹配的送丝装置，型号76ZY01/DC24V。

（2）焊接材料

保护气体为 80%Ar+20%CO2混合气体，气体纯度CO2不低于99.5%，Ar 不低于 99.9%， 含水量不超过0.1%。 焊丝选用 H711 Φ1.2 mm。

（3）焊接工艺参数

在现场施焊操作中发现，有些焊工在使用CO2气体保护焊时，焊接电流、电弧电压以及焊丝伸出长度的选择上不合适，显得不够熟练，造成焊接过程中的电弧不够稳定、飞溅以及未焊透等缺陷，影响焊缝成型质量和一次合格率。

要保证稳定的焊接质量，只有选择合适的焊接电流和与之相匹配的电弧电压。 如果在焊丝直径和焊接电流一定时，当电弧电压偏低，则会引起电弧变短， 导致电弧引燃困难，施焊不稳定；当电弧电压偏高，则会引起熔滴颗粒形状变大、 频率变缓，弧长变长、焊缝变宽，而导电咀也会因为电弧电压过高而烧毁； 施焊时，电弧燃烧时间与施焊回路电感量的大小息息相关，而施焊回路电感量的大小又关系熔滴颗粒的稳定、熔深及焊缝最终成型。 如果在焊丝直径和施焊电流、电压一定的情况下，当施焊回路电感量选择过小时，就会造成熔深不够，此时再增大施焊电流、电压，也只会使熔池的液态金属从熔池中溢出，造成未熔合或未焊透现象。 所以施焊时使用的焊丝直径、板材厚度和施焊设备不同，施焊回路电感量也不相同，施焊前应通过焊接工艺试验来确定具体焊接工艺参数；焊丝伸出长度过大或过小，就会导致施焊时产生飞溅、施焊不稳定和气体保护效果变差，甚至引起喷嘴堵塞。 经试验对比发现， 当焊丝伸出导电咀的长度在10～20 mm 时，施焊质量更容易控制。

送丝速度快慢决定着施焊电流的大小，而施焊电流的大小直接影响着焊缝的熔深。 施焊电流越小则送丝的速度越慢，焊缝的熔深越浅。

在实际施焊过程中，应按照板材厚度、施焊方式、坡口形式等选择合适的焊丝直径，再根据焊丝直径确定施焊电流，选用合适的施焊回路电感量， 减小飞溅的产生， 提高焊接质量。 焊接工艺参数见表2。

表2 焊接工艺参数

（4）环境因素

现场施焊过程中，环境（如温度、湿度和风速） 对焊接质量的影响不容忽视。 当遇到风速和相对湿度过大时，焊缝中会存在气孔、夹渣或咬边现象，影响一次焊接合格率。 因此在施焊时， 如遇有穿堂风或风速超过2.0 m/s；相对湿度在90%以上；雨天、 雪天及环境温度低于-5℃等情况，应采取可靠挡风、挡雨雪措施，如无法采取可靠措施则应停止焊接活动，等达到环境要求时再进行焊接活动。

（5）管理因素

实行三检制，强化监督管理。 在施焊过程中，每一条焊缝都实行“三检制”， 即作业班组初检、 工程科复检、质检部终检，经三检合格后由有资质的无损检测人员进行检测，检测合格后方可进行下一步施工。

焊接前进行技术交底。 由专业技术人员制定相关施工方案后再对相关管理的人员和操作人员进行技术交底， 操作过程中应做好相关记录，强化过程控制，使每一个工序在施焊前、施焊中、施焊后都处于可控状态。

四、结 语

由于压力钢管直径相对较大，在施工过程中，对压力钢管对接焊缝质量产生影响的因素除技术因素和环境因素外， 人的主观因素也尤为重要，因此，专业技术管理人员和施工操作人员必须提高自身素质，培养良好的职业习惯， 在施工中加强事前、事中质量控制，事后质量检测，通过对焊接过程的总结、探索、分析，增强业务水平，提高一次焊接合格率。