国产S690QL钢在水电站压力钢管的应用

李俭

摘要：老挝色边色纳姆水电站采用国内生产的S690QL低合金调质高强钢板，这种高强钢在焊接过程容易出现冷裂纹、热影响区（HAZ）软化和脆化的问题，对焊接技术要求高，焊接难度大。为确保压力钢管的制作、安装质量，编制了详细的焊接工艺，通过焊接性能试验和配套焊材研究，探索出了线能量可靠的、适用于大批量高强钢结构产品制造的焊接工艺技术，形成了一套具有极高实际操作价值的焊接工艺评定方案。对国内外同类型高强度压力钢管的制作和安装有一定的借鉴和指导意义。

关键词：S690QL高强钢，焊接工艺，水电站，压力钢管

Application of Domestic S690QL Steel in Penstock of Hydropower Station

LI Jian

（Sinohydro Jiajiang Hydraulic Machinery Co.， Ltd.， Leshan， Sichuan Province， 614100 China）

Abstract： The low alloy S690QL steel plate is used for the Xe Pian-Xe Namnoy hydropower station in Laos. The high strength steel is easy to appear cold crack， HAZ softening and embrittlement in the welding process， which requires high welding technology and is difficult to weld. In order to ensure the fabrication and installation quality of penstock， a detailed welding process is developed. Through the welding performance test and the research of supporting welding materials， the welding technology which is reliable in line energy and suitable for large quantities of high-strength steel structure products manufacturing is explored， and a set of welding process evaluation scheme with extremely high practical value is formed. It is of great significance for the manufacture and installation of the same type of high-strength Penstock at home and abroad.

Key Words： High strength steel of the S690QL; Welding procedure; Hydropower station; Penstock

1.概述

老撾色边色纳姆水电站位于老挝南部占巴色省和阿速坡省境内，工程总装机410MW，共4台机组。工程由水库、输引水系统、厂房等建筑物组成。引水系统由调压井、引水隧洞、压力管道、尾水渠组成，采用四管四机布置形式，压力管道包括高压主管、岔管和高压支管，其中连接引水隧洞和水轮机的户外压力钢管及支管、岔管均采用S690QL钢材，设计内水压力为7.25MPa，压力钢管管径3.6m，壁厚34～56mm，轴线长度约769米，岔管管壁厚度46～64mm，月牙肋厚度120mm，单个岔管最重达53.81吨，总质量约3095吨。本工程800MPa级钢材采用首钢集团秦皇岛首秦金属材料有限公司生产的牌号为S690QL的高强钢板。这是国产800MPa级S690QL钢首次在大型高水头电站上进行应用，无论是制造，还是安装，均有一定难度。

2.材料性能

根据合同要求，该项目用压力钢管材料的选择须根据欧洲EN10025-6标准进行选取，欧洲标准EN10025-6屈服强度和抗拉强度满足该工程要求的钢材为S690QL，该规范要求的S690QL钢板的化学成分见表1，力学性能见表2，冲击韧性值见表3。

注：表列数值为 3 个试样的平均值，同时规定其中一个试样的最小值不应低于平均值的 30%。

S690QL的最小屈服强度可达到690MPa，属于低合金高强钢，具有足够高的强度、低的韧脆转变温度和一定的延伸率，机械性能优良^[1]。然而高强钢的缺点就在于其较差的焊接性和局限性^[1]。S690QL交货状态为调质状态（淬火+回火），在低碳的基础上加入了可以提高淬硬性的合金元素，焊后组织为马氏体，其转变温度Ms较高，若在Ms点附近冷却速度过快，来不及“自回火”，冷裂倾向较大。加入Cr，V，Nb，V等合金元素提高了淬硬性，这些元素会引起再热裂纹。焊接过程中如果线能量过大或冷却速度较慢，则在焊接热影响区极易发生软化或脆化现象。因此在制定焊接工艺时应着重注意焊接热输入、预热温度、层间温度的控制，为避免冷裂纹的产生，尽量降低焊接接头的含氢量。并且采用合适的线能量进行焊接，减少高温停留时间，降低热影响区脆化程度^[3]。

3.焊接工艺

本工程设计水头高，且采用800MPa级的S690QL钢制造压力钢管、岔管和支管，无论制造还是安装均有一定的难度，经从800MPa级材料的比选、下料、拼装、焊接、安装、检测、试验等多方面全面综合考虑，认为保证压力钢管制造和安裝质量的关键在于制定合理的焊接工艺措施，并且对焊接工艺参数及生产过程进行严格的控制^[4]。S690QL钢在我国水电站上应用较少，可以获得的技术资料有限，因此有必要通过焊接工艺评定试验来评价钢材及其配套焊材的焊接性，为焊接施工提供可靠的依据。

3.1焊接方案的制定

按照相关标准和现场施工情况，针对19mm×40mm的钢板对接，本项目制定了两套试验方案，方案一是采用埋弧焊方法，方案二是采用焊条电弧焊方法。若试件评定合格，则此工艺可支持采用埋弧焊或手工电弧焊的所有对接及角接接头。焊接工艺评定试验严格按照DL/T5017-2007《水电水利工程压力钢管制造及安装验收规范》及ASME锅炉及压力容器规范第IX卷《焊接及钎焊评定》等国内外权威标准进行，全面考察试板接头的力学性能、致密性及连续性。

3.1.1试验钢板

试验钢板的化学成分见表4，机械性能见表5.

3.1.2试验焊材

试验用焊材是由天津大桥有限公司为S690QL焊接研制的专用配套焊材，其相关内容见表6.

3.2坡口准备

准备尺寸为为19mm×40mm的S690QL钢板4件，开X型坡口，坡口角度、根部钝边、根部间隙见图1所示，埋弧焊采用平焊位置，手工电弧焊采用立焊位置。

3.3焊接前预热温度及层间温度的控制

预热主要是为了降低焊接接头的冷却速度，防止裂纹的产生，提高抗裂性能。焊接过程中要严格控制层间温度，避免层间温度过高，使热影响区的温度下降。本试验中，焊前预热温度控制在100～150℃，焊接过程中最大层间温度不超过200℃。

3.4焊接工艺参数

要开发出适用于高强钢焊接的焊接工艺技术是非常复杂的工作，需要同时考虑很多因素。其中最重要的一个因素就是焊接热输入，需要将焊接热输入限制在一定合理范围内，因此焊接过程中应选用合适的电流、电压、焊接速度等工艺参数，以获得最佳热输入^[5]，焊接过程中采用的焊接工艺参数见表7，表8所示。

3.5焊接过程控制措施

（1）焊前预热温度为100℃～120℃，预热范围在点焊位置大于3倍板厚范围。焊接结束前应确保焊缝温度维持在合理的温度区间范围之内。

（2）引弧或者息弧要在坡口内或引弧、息弧板上进行，禁止在坡口以外的母材表面引弧，注意接头处、道间、层间的清理^[6]。

（3）焊接过程中，焊道要控制好厚度，不要太厚或者太薄，不要使焊道过宽，尽量采取窄焊道，使焊道成型良好。

（4）焊接过程中不能随意停止焊接。开始施焊后要连续焊接完成，若由于各种原因导致停止施焊，应对加热部位进行保温直至再次施焊或立即进行后热处理。

（5）若出现焊接中止的情况，重新开始焊接作业前，须先确认已焊部位无裂纹，重新按要求预热后方可继续施焊。

3.6 焊接结果及分析

3.6.1 无损检测

根据合同技术条款及相关规范要求，焊接完成后48小时对试件进行无损检测，包括焊缝外观检查、射线检测，检测结果表明未出现任何缺陷，满足AWSD1.1标准和合同要求。

3.6.2宏观金相检验

焊缝金属宏观金相照片表明焊缝融合良好，无裂纹、未熔合、未焊透、气孔、夹杂等缺陷。

3.6.3弯曲试验

根据合同技术规范和ASME标准要求，将加工好的4件侧弯试样进行弯曲，弯曲时压头直径d为60mm，弯曲角度为180°，对弯曲后的试样进行检查，试验结果满足GB/T2653-2008标准规范要求。

3.6.4拉伸试验

拉伸试验执行GB/T2651-2008标准，将加工好的4件拉伸试样进行拉伸试验，检测拉伸强度，实测抗拉强度、屈服强度、伸长率均大于标准值。

3.6.5冲击试验

冲击试验执行GB/T2650-2008标准，将准备好的冲击试样（取样位置位于上、下表面，缺口位置分别位于焊缝中心、热影响区，每组3件试样，规格尺寸10mm×10mm×55mm）放在冲击试验机上，在-20℃下进行夏比冲击试验，其吸收能量满足相关规范要求。

3.6.6硬度检测

对焊接结构的上、中、下表面各一排进行布氏硬度检测，每排包含焊缝、两侧的热影响区、两侧的母材，每个区域各三个单独的压痕，硬度均没有超过标准值，满足标准GB/T231.1-2009规范要求。

两个试验方案的实施过程及检测结果表明，试件的无损检测及机械性能均满足规范标准要求，具备可行性，可以指导施工。在施工现场可以根据操作空间、焊接工件的结构尺寸和环境条件等进行灵活选择。

4.压力钢管制造与安装过程质量控制

为了保证施工质量和生产效率，所有800MPa级钢管纵缝焊接、加筋环、止推环焊接均采用埋弧焊，定位焊、焊接缺陷返修、安装环缝焊接均采用手工电弧焊。焊接过程严格按照制定的焊接工艺规程执行，同时鉴于本项目所采用S690QL钢材的特殊性，除严格按照焊接工艺规程进行作业外，在以下方面也必须予以特别控制：

4.1 焊接质量控制要点

（1）所有焊接作业，必须由持有焊工资格证，且通过现场考核，具有类似钢结构焊接经验的合格焊工完成。

（2）建立焊缝追溯制度，每条焊缝必须标识相应的焊工编号，以方便出现焊接缺陷进行倒查，并对每条焊缝的编号、焊工编号、焊接时间、探伤结果进行记录，每月底对当月焊接质量进行分析，并提出改进措施。

（3）定期组织质量工程师、焊工进行学习，贯彻相关质量标准、工艺要求，分析质量问题的原因，并及时进行改正，不断提升质量管理水平。

（4）焊材的储存、烘焙和使用严格按照相关制度执行。

（5）焊接过程，必须严格按照焊接工艺规程进行操作，不得随意改变焊接工艺参数。

（6）根据工艺评定报告，对需要预热的焊缝必须按照要求进行焊前预热，其定位焊缝和主缝均应预热，且定位焊预热温度较主焊缝预热温度提高20～30℃，并在焊接过程中保持预热温度;层间温度不应低于预热温度，且不高于200℃。

（7）每次焊接作业前，应将所有拟焊面及坡口两侧各50mm～100mm范围内的锈污、氧化皮、油污、水及其他杂物清理干净;每道焊缝焊完后都要及时将杂物清理干净，并经检查合格后才可继续进行焊接作业^[7]。

（8）焊接过程中注意检查层间温度和层间清理。层间温度检查应在每层开焊前测量，层间温度最低不能低于最低预热温度100℃，最高温度不超过200℃。层间清理应保证下道焊接时能熔合良好。

（9）每条焊缝应连续焊完，当因故中断焊接时，应立即采取后热处理（按温度控制流程），防止产生裂纹。在重新焊接前，应将表面清理干净，确认无裂纹后，开始预热，方可按原工艺继续施焊。

5.结论

（1）国产800MPa级高强钢S690QL在老挝色边色纳姆水电站得到了成功应用，该项目从2019年并网发电投入运行以来，一直运行良好，压力钢管的制作安装质量经受住了考验，可以为国内外同类型电站压力钢管的制作、安装提供一定的借鉴和指导。

（2）近年来，随着水电行业的不断发展，水电站设计水头和装机容量不断提高，对水电站压力钢管用钢的强度、韧性、可焊性等方面的要求也越來越高。抗拉强度800MPa级别的易焊接高强度钢板在大型水电站和抽水蓄能电站应用愈加广泛。通过对800MPa级高强钢进行研究、推广应用，解决高强、特厚水电钢制造、应用难题，可以为工程施工提供借鉴和指导，满足水电发展需要，推动水电升级和高效制造，取得较好的社会经济效益。

参考文献：

[1] 陈楠.首秦公司屈服强度690MPa级高强度结构钢工艺研究[D].燕山大学.2016：D1-D4.

[2]李立.S690QL钢激光-感应复合焊工艺研究[D].华中科技大学.2019：D19-D20.

[3]戴为志.钢结构高强钢焊接性及关键技术[J].金属加工（热加工），2020，7：J27-J32.

[4]陈初龙，余健，铁朝虎.国产790MPa级高强钢在呼和浩特抽水蓄能电站中的应用[J].水电站机电技术，2016，1：J57-J60.