水电工程中大曲率高水头压力钢管制造技术研究与应用

水电工程中大曲率高水头压力钢管制造技术研究与应用

仇杰

中国水利水电第八工程局有限公司 湖南长沙 410004

【摘要】 随着绿色能源的快速发展，水利水电工程持续开发建设，千米级高水头引水式电站因契合我国西部地理环境条件而得以蓬勃发展。该类电站的特点为水头超高、径厚比偏小。因其建设中使用压力钢管的特殊性，其径厚比已超出规范要求，采用常规金结制造技术工艺生产费工费时，制造成本高，生产效率低……，本人负责的技术团队对此类型压力钢管制造技术和工艺流程进行了技术研究，对制造过程中采用的制作方案进行不断的优选和探讨，为以后类似电站压力钢管的制造提供了合理、高效、科学的施工工艺和制造方案。

【关键字】 高强钢有关技术指标分析；冷卷工艺技术措施；焊接工艺技术措施；成品检测。

一、引言

我们承建的水电站引水压力钢管设计最高水头1091m，岔管试验压力为16.5MPa。钢管材料采用Q345R和ADB610D两种，其中Q345R钢管壁厚12～34mm，管径φ1.6~φ1.4m；ADB610D钢管壁厚24～34mm，管径φ1.3~φ0.8m。本文着重研究高强钢部分钢管的卷制和焊接等制造工艺，本工程高强钢钢管具体各小径厚比管节如下表：

表1  高强钢部分管节径厚比

按照GB50766-2012《水电水利工程压力钢管制作及安装验收规范》要求：当屈服强度450＜R eL (R p0.2)≤540N/mm2钢管内径和壁厚关系D/δ≥48时，瓦片允许冷卷，否则应热卷或冷卷后热处理。随着国内钢材冶炼技术的提高，国产高强度调质钢性能越来越优良，高强度调质钢压力钢管采用小进给量多次卷制的冷卷不热处理工艺制造方案的实行已具备实际操作的条件和实现冷卷的可能。

由于本电站设计引用水头超高，在进人孔、岔管等位置集中应力大，且径厚比较小，正式卷制前需进行冷卷试验，冷卷试验采用小进给量多次反复卷制并使用震动时效法消除冷卷过程产生的卷制应力，试验结果经评审合格后方可进行冷卷加工和钢管的正式生产。

二、冷卷工艺技术措施

2.1工艺准备

制造前作好技术准备、物资准备、人员准备、设备工装准备等准备工作，为保证钢管制造质量和制造进度奠定基础。

1)技术准备：技术人员仔细分析图纸，充分理解设计思想，绘制下料生产图，绘制工装制造图，编制生产工艺和特殊过程作业指导书；对生产相关人员进行全员进行技术交底等。

2)物资准备：根据技术人员编制的物资计划，及时采购生产用物资，保证生产辅助资料供给。

3)人员准备：安排相关技能水平高、施工经验丰富的作业人员及时进场，针对本工程特点对相关操作人员进行培训和交底。

4)设备工装准备：按设备配置及时组织设备进场，制造需用的工装、工具、样板等。

拟定冷卷工艺试验方案并组织召开专家会，对方案进行评审和论证。

2.2材料检验

钢管材料采用鞍山钢铁集团有限公司生产的高强钢，钢的牌号为ADB610D。其中钢的化学成分（熔炼分析）符合表2的规定。钢板的拉伸、弯曲、冲击试验结果符合表3的规定。交货状态为：TMCP+回火（T）。

表2  ADB610D钢的化学成分（熔炼分析）%

表3  ADB610D钢力学性能

钢板进场时会同监理、业主共同进行检验，首先查验产品质量证明书和钢板表面质量及几何尺寸，然后进行100%超声波探伤检查，最后进行力学性能和化学成份抽样检验。

原材料抽样检测取样按照钢板炉批号进行（同时保证覆盖所有板厚），每个炉批号钢板取两件试样，其中一件送第三方具备国家认可资质的检测机构进行化学成分、机械性能试验，另一件留存备用。钢板原材料试样在垂直钢板压延方向取样，预先在钢板上划出试样切割线，划线时用划针做标记，然后利用半自动切割机进行切割取样，试样切割后将氧化渣清理干净，取样后在试样上用油漆笔清晰标注钢板炉批号、材质、板厚及试板编号。

2.3板材划线、切割

（1）平板

钢板使用前应检查有无急弯、卷角、扭曲等变形，如有应对钢板进行平板。若因吊装或运输原因造成钢板不平度超差时也应进行调平处理。

平板在卷板机上进行，采用平尺检查平直度应≤2mm/m，调平时，进板方向须与钢板轧制方向相同。平板时应采用小进辊量反复多次滚压，平板过程中应及时清扫辊筒与钢板表面的氧化皮等杂物，以免对钢板造成损伤。

（2）划线

钢板划线严格按下料工艺图要求进行。划线前须核对材质及材料规格与下料工艺图及配料图要求的是否一致。

划线先采用计算机三维模拟放样，生成下料平面图，根据下料平面图采用数控喷粉法在钢板上划线，确保下料准确。所有划线只许划在钢管管壁内侧，并应注意控制钢板压延方向与钢管卷板方向一致，对高强钢钢板严禁打样冲眼。

钢板划线在下料平台上进行，划线平台与切割平台共用，平台应经常修整平齐，以确保划线准确。

（3）切割

切割在具有足够刚度的数控切割平台上进行，为确保切割精度，切割平台平面度不超过2mm。钢板气割前应清除切割边缘50mm范围内的锈斑、油污等杂物，气割后清除熔渣和飞溅物等。

切割时采用中性焰，正确控制切割氧压力、气割速度、预热火焰能率（采取中偏下限的预热火焰能率施工）、割嘴与钢板的倾斜角度、割嘴离钢板表面的距离（一般控制在3～5mm）等气割工艺参数。氧气、乙炔均采用集中供气方式供应，确保其压力稳定、充足。氧气、乙炔纯度（氧气纯度高于99.5%）均须满足切割要求。数控切割机进行切割时，注意监控切割机行走轨迹和程序运行是否正常，及时进行参数调整。采用数控切割机对工件正式切割前，均预运行一次，确认无误后方点火进行切割。

2.4卷制工艺试验

试验选用电站压力钢管D/δ值为26的岔管部分材料进行，选定用于岔管部分的板厚为34mm，卷制成直径890mm的半圆柱型瓦片。所用板材在进场后进行了化学成分及机械性能检测；板材下料前进行100%超声波和100%磁粉探伤检查，确定原材料质量合格，然后划线切割下料（钢板两端各留100mm压头余量，卷制完成后割除），清除杂物后在3WYB6036卷板机上进行卷制。卷制前在板材外表面用划针做两组间距分别为500mm和1000mm的卷制变形测量基准线。

2.4.1瓦块卷制

瓦片在卷板机上冷弯卷制成型，卷板所用样板弧度误差小于0.5mm。在瓦块卷板前清扫瓦块上杂物，防止损坏设备和瓦块表面；首先将管节瓦块两端头在卷板机上进行压头处理，以保证钢管纵缝处弧度满足要求。压头在60×3600mm卷板机上进行，先用较厚的钢板卷制成胎具（弧度曲率比钢板所需弧度曲率稍大），再将试验钢板放在胎板上并将辊筒轴线与滚压线调整平行，然后滚压两端头。压头过程中，设备负荷大，设备操作人员“点动”控制辊筒下降量（每次下降5～8mm），对钢板进行少量、多次反复压制，滚压过程中用标准样板检查弧度用压头样板检查，直至钢板与样板间隙小于0.5mm时，开始进行正式卷板。卷板时分别对各区域按照素线滚压线进行卷制，卷板同时不得锤击钢板，以免在钢板上出现任何痕迹。卷板过程注意采用较小的辊压量（5～8mm），反复多次卷制成形，接近卷制半径时逐渐减少辊压量，在卷制过程中不断用样板检查比较，以免卷制过量。卷板完成将瓦块吊离卷板机，自由状态直立于拼装平台上，用样板检查弧度不超过2mm，瓦块无急弯，并检查瓦块的弦长和三维对角线长度，以保证瓦块不出现大的扭曲。

图一 钢板压头、卷制示意图

2.4.2瓦块检测

试板卷制完成后用放大镜进行目视检查，并进行100%磁粉探伤和100%超声波探伤检查。经检查，瓦块内外表面及切割缝棱角处均未发现肉眼可见缺陷，磁粉探伤检测合格。同时测量两组基准线间距变化，实际测量数据分别为518mm和1037mm。

2.4.3瓦块平整

瓦块检测合格后切割去除其两端头的压头余量，利用卷板机将瓦块压平并再次对其进行磁粉探伤检查。瓦块压平方式与卷制压头基本一致，同样采用“点动”控制辊筒下降量，多次反复压制，逐步将瓦块压制平整，并用1000mm钢板尺检查其平整度。瓦块压制平整后再次对间距为1000mm两测量基准线之间距离进行测量，实际检测数据为1040mm。

2.4.4取样试验

瓦块压制平整并检查合格后，在钢板中心位置用等离子切割机切取两块为400×200mm（长×宽）的试板。送云南省黑色冶金产品质量监督检验站进行弯曲、拉伸和冲击试验，各试验试件按下列图示采用机械加工制作。

图二 性能试验试样取样示意图

卷制试板机械性能检测及原材料5%应变时效试验检测数据如下表：

表4  试样力学性能检测数据表

经过对D/δ值为26的高强钢钢管进行冷卷试验并对试样进行相应的塑性及韧性等性能检测，检测数据显示卷制后的各项机械性能参数均在规范允许范围内，满足相关国家标准及设计要求。

三、焊接工艺技术措施

31焊接材料

610MPa级高强钢焊接选用大西洋焊条厂生产的CHE62CFLH焊条。

3.2焊条的保管及使用

（1）焊条应放置于通风、干燥相对湿度不大于60%和室温不低于5℃的专设库房内，并离地面和墙壁距离均不小于300mm。焊条的烘干温度为350～400℃，保温时间为1～2h。烘焙后的焊条应保存在100～150℃的恒温箱内，药皮应无脱落和明显的裂纹。

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

3.3焊接预热和层间温度要求

（1）预热和恒温采用远红外加热片为主，用火焰为辅的加热方式。远红外线加热器装置沿焊缝长度方向布置。

（2）610MPa级高强钢需要预热焊接，预热温度为100～120℃，焊接层间温度均为100～200℃。

（3）预热区的宽度应为焊缝中心线两侧各100mm范围，其温度测量在距焊缝中心线各50mm处对称测量，每条焊缝测量点不小于3对，测量间距为1000mm。

（4）预热温度经初检、复检、终检达到要求，由监理签字开焊单后方可进行焊接。对正式施焊前的预热温度计入焊工工艺记录卡中。

（5）岔管焊接完成后立即进行后热处理，后热温度为150～200℃，保温时间不小于1h，设专人负责预热和后热，并做好记录。

3.4焊接热输入和焊接规范

高强钢焊接热输入均控制在17～40kJ/cm范围内，具体焊接规范见下表。

表5  高强钢部分焊接规范表

3.5定位焊接

（1）高强钢和环境气温低于5℃、相对湿度大于90%时，定位焊接均需预热到温度为120～150℃，采用火焰预热。

（2）定位焊缝应设置在焊接接头平焊位和便于采用砂轮打磨的一侧。

（3）管节纵缝两端不得有定位焊缝。应在距离其端部40mm后可进行定位焊接。

（4）定位焊缝长度为80mm～100mm，定位焊缝距离为250～300mm，定位焊缝接厚度不超过10mm。

（5）正式焊接时，将高强钢管节的纵缝、环缝的定位焊缝采用碳弧气刨和砂轮清除干净。定位焊缝不得留在这些重要焊缝内。

3.6正式焊接

（1）纵缝焊接

手工焊纵缝分段跳焊，多层多道，控制角变形和线能量。在焊接过程中，可根据钢管拼装尺寸进行适当调整。

焊缝主坡口设在钢管内壁，内缝焊接填充3～4层后对背缝进行气刨清根、清理、打磨、焊接，再进行内缝焊接。焊接过程中，经常用样板检查钢管弧度，并根据变形情况，随时调整内缝及外缝焊接顺序。

（2）环缝及组合缝焊接

环缝焊接时安排2名焊工分别在对称位置，由焊工自内往外（径向）采用相同焊接工艺要求施焊。高强钢需进行预热处理。焊缝主坡口设在钢管内缝，焊完内缝后对外缝进行气刨清根、清理、打磨，再进行焊接。分段倒退，多层多道，减少应力集中，控制线能量。

在焊接过程中，每焊接一层（一道）后必须用风铲逐层逐道对焊缝进行锤击，将焊道内残留的药皮、熔渣、飞溅等清理干净，必要时可用角磨机进行打磨处理，同时将焊缝锤击出细小麻坑，尽量减少焊接残余应力。

由于部分管径相对较小，最小直径只有0.8m，焊接活动空间很小。高强钢又在预热温度下进行焊接，所以只能在管节内外各一人进行分段退焊焊接。分段焊缝长度为300～400mm。

其余焊接要求严格按GB50766-2012标准进行。

3.7焊接检查

严格按GB50766标准进行焊接接头外观和内部检查。焊缝焊接完成后，先通过肉眼、检验尺等对其进行外观检查。在焊接完成24h以后进行内部质量无损检测。内部质量无损检测采用超声波及X射线检测，表面采用磁粉或着色无损探伤检查。

无损检测人员须经过专业培训，通过国家专业部门考试，并取得无损检测资格证书。评定焊缝质量由II级或II级以上的无损检测人员担任。

一、二类焊缝焊接完毕，由焊工自检后打上钢印（高强钢不打钢印，采用油漆编号，并做好记录，并由焊工签字）。

所有的一、二类焊缝都进行100%超声波和100%磁粉无损探伤，同时对610MPa级高强钢管道的一、二类焊缝进行50%TOFD探伤，对所有T型缝进行100%TOFD探伤，重点对易出现缺陷的位置进行检查，并尽量抽到每一个焊工的焊缝。经检测，焊缝一次合格率达到98.99%。

四、结束语

实践证明，对径厚比超规范的钢管冷卷焊接施工工艺是可行的。本工艺为今后类似电站压力钢管的制造提供合理、高效、科学的施工工艺方案，为制造规范的完善提供可靠依据。

参考文献：

[1] GB50766-2012《水电水利工程压力钢管制作及安装验收规范》

[2] 李英会.天湖水电站二期高水头压力钢管制安施工关键技术.陕西水利. 2020

[3]  张伟 薛伟伟. 水利水电工程压力钢管制作技术. 东北水利水电. 2013

作者简介

仇杰，1982年12月，男，汉族，湖南宁乡，本科，高级工程师，

研究方向：金属结构设计与制造

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