国产800MPa级强度高压钢岔管制造技术

国产800MPa级强度高压钢岔管制造技术

吴鹏

中国葛洲坝集团路桥工程有限公司 湖北 宜昌  443000

摘要：长龙山抽水蓄能电站钢岔管采用国产800MPa级SX780CF高强钢制造，其HD值达到了4800m·m，HD值世界第一。在钢岔管的制造施工过程中，采用了新技术新工艺，对关键重要工序进行了严格的管控，确保了钢岔管的制造施工质量。通过输水系统的充排水试验、机组的多工况甩负荷考验，证明了长龙山抽水蓄能电站工程钢岔管的制造施工质量满足设计及规范要求，其成功经验可以为国内外同类型抽水蓄能电站钢岔管的制造提供参考。

关键词：抽水蓄能电站、高压钢岔管、高HD值

1.引言

长龙山抽水蓄能电站位于浙江省安吉县境内，紧邻已建天荒坪抽水蓄能电站，地处华东电网负荷中心，至安吉县城公路里程25km，至杭州、上海、南京三市分别为80km、175km、180km。长龙山抽水蓄能电站工程装机规模2100MW(6×350MW)，电站枢纽主要由上水库、引水系统、地下厂房系统、尾水系统、下水库工程组成，工程等级为一等，工程规模为大（1）型。主要建筑物按1级建筑物设计，次要建筑物按3级建筑物设计。输水系统采用三洞六机斜井式布置，沿水流方向依次为上库进/出水口、上库事故检修闸门井、引水上平洞、引水上斜井、引水中平洞、引水下斜井、引水下平洞、钢岔管、高压支管段。

过去我国水电站用高强度钢岔管绝大部分从国外进口，如日本NKK公司的 HITEN610UZ 型、德国P500M型、日本JFE钢铁公司JFE−HITEN690M型等。长龙山抽水蓄能电站采用国内舞阳钢铁有限责任公司研制生产的SX780CF型高强度调质钢进行制造，取代进口同等级钢材为国内水电站制造高强度钢岔管。我项目部在该钢岔管制造拼装及焊接过程中，吸取公司其他项目钢岔管的制造经验，采用卧式的拼装方式和先纵缝后环缝的焊接工艺顺序，确保了长龙山电站钢岔管制造顺利高效实施，可为今后抽水蓄能电站高强度钢岔管的拼装焊接提供参考。

2.工程概况

长龙山抽水蓄能电站引水钢岔管距厂房上游边墙60m，采用对称“Y”型内加强月牙肋型钢岔管，分岔角为75°，主管直径为4.0m，支管直径为2.8m，钢岔管公切球半径为2351.7mm，主、支管壁厚均为66mm，月牙肋厚138mm。岔管最大外形尺寸约为5.91m×6.97m×4.87m，单个岔管重49t，承受的最大内水压力约为1200m水头（含水锤压力），其HD值规模位于世界第一。

3.钢岔管的瓦片制造

3.1瓦片下料前的准备工作

（1）下料场地应具备可固定下料平台的基础，场地需清除干净，避免无杂物和障碍影响放样、下料等工作。

（2）原材料到货后，按照要求对钢板进行外观检查，无损检测、钢板力学性能和化学成分复验，均满足合同要求。

（3）制造方案已获监理批复，制造设备已进场并经监理验收合格，开工申请已办理，具备开工条件。

3.2瓦片制造

（1）下料工序：瓦片下料采用钻孔法控制厚板切割质量。岔管瓦片及月牙肋均采用数控切割机切割下料，半自动切割机制备坡口。岔管壳体板厚为66mm，月牙肋板厚为138mm。为保证切割质量，数控切割下料前进行喷粉检查，对喷粉检查合格后的构件的各个角点进行预钻孔，保证了岔管构件下料的切割质量。

（2）坡口加工工序：壳板焊接坡口采用半自动仿形切割，预留1mm切割余量，再用磨光机去除氧化层和淬硬层。合格后，对切割面进行100%MT无损检测，确保了待焊母材部位无缺陷。

（3）卷制工序：瓦片采用“五段式”卷制法配合立体弧度样板检测。为确保瓦片卷制成型质量，岔管瓦片采取“五段式”卷板方法进行卷制，并采用立体样板检查弧度，避免因岔管锥度导致样板倾斜带来的测量误差。岔管瓦片在250mm×3000mm卷板机进行卷制，根据瓦片规格情况，下料时对不规则瓦片的长度以及宽度方向均留有余量，使瓦片形成规则的扇形，待瓦片卷制完成后进行余量的切割。

4.钢岔管的拼装

4.1拼装前的准备工作

（1）钢岔管的拼装场地具备可固定拼装胎架的基础，场地需清除干净，需在拼装区域放地样，用于检测岔管拼装尺寸满足设计图纸要求。

（2）经过理论受力计算，设计强度和刚度满足要求的支承胎架。搭设可靠的拼装胎架，设置了6道弧形胎板，该弧形胎板采用数控下料，其弧度误差控制在2mm以内。

（3）在场地上放出钢岔管外型轮廓及主管、支管中心轴在地面上的投影线，并作出明显标记供钢岔管拼装、校验使用。

（4）将钢岔管瓦片待焊坡口区域20mm范围内的铁锈、熔渣、油垢、水迹清除干净，焊接区域应打磨并露出金属光泽。

4.2厂内组装

每套钢岔管净重约为49t，为便于制造组装，分为7个拼装单元。

钢岔管在制造厂内整体组装采用先主锥后副锥，先主后次的方式，保证预组装尺寸偏差达到规范和图纸的要求，综合考虑采用以下组对方法，组装顺序见表1。

表1                            钢岔管整体组装顺序表

5.钢岔管的焊接

5.1钢岔管焊接前准备工作

用砂轮机清理焊缝及焊缝坡口两侧各10～20mm范围内的氧化皮、铁锈、熔渣、油污、水迹及其它杂物，并打磨坡口露出金属光泽；对母材部分的缺陷作彻底打磨处理，并做好记录。每一焊道焊完后也应及时清理，检查合格后再进行焊接。

5.2 钢岔管的焊接

岔管采用整体组装完成且外形尺寸验收合格后进行整体焊接的方式，岔管所有焊缝在整体组装验收合格后方可焊接。为确保焊接质量，减小焊接变形和应力，总体顺序是先焊接纵缝，再焊接环缝［1]。

5.2.1焊接工艺参数

（1）预热温度

焊接采用手工电弧焊，正常焊接、定位焊、返修工序预热温度为100~120℃。

（2）焊接层间温度及线能量

焊接时层间温度控制范围为100~200℃，焊接线能量不大于36KJ/cm。

（3）工艺参数

表2                           焊条电弧焊焊接工艺参数

5.2.2焊接顺序

纵缝焊接顺序：岔管整体外形尺寸检查→3号锥节纵缝焊接→5号锥节纵缝焊接→月牙肋与3、5号锥节连接焊缝焊接→1号锥节纵缝焊接

环缝焊接顺序：1号与3、5号锥节连接环缝焊接→2号锥节纵缝焊接→2号与1号锥节连接环缝焊接→4号锥节纵缝焊接→3号与4号锥节连接环缝焊接→6号锥节纵缝焊接→5号与6号锥节连接环缝焊接→岔管整体外形尺寸焊后检查→大管口处闷头与2号锥节连接环缝焊接→小管口处闷头与4号锥节连接环缝焊接→小管口处闷头与6号锥节连接环缝焊接

5.2.3焊接方法

钢岔管所有焊缝焊接均采用焊条电弧焊，钢岔管纵缝、环缝焊接采用多层多道、对称、分段退步的焊接工艺。焊接人员分2～3班连续施焊，纵缝每班安排1名焊工，环缝每班安排6名焊工。

多层多道焊接，焊接线能量控制10～36kJ/cm 范围内，每层每道熔渣、飞溅物清理干净，注意层间接头错开30mm。

组合焊缝焊接顺序：组合焊缝全长16m。每班安排5人同步分区对称焊接，双侧对称从中心向两端倒退分段施焊，先内侧施焊3~4层，背缝清根，然后外侧施焊，再内侧施焊，最后盖面，使整圈收缩一致。

5.3焊接过程中应注意的问题

（1）焊接环境出现风速大于8m/s、相对湿度大于85%、环境温度低于10℃时，应采取有效的防护措施，无防护措施时，应停止焊接工作。

（2）定位焊时应根据工艺评定的结果对相应板厚的钢板进行预热，且预热温度应比主焊缝的预热温度高20～30℃，预热宽度以焊缝中心150mm范围内；定位焊位置应距焊缝端头部30mm以上，其长度应在80mm以上且至少焊两层，通常定位焊间距为100～400mm，长度应在50mm以上，厚度不大于正式焊缝的1/2，但不大于8mm。定位焊应在后焊一侧的坡口内。

（3）双面焊接时，单侧焊接后应用碳弧气刨或砂轮进行背面清根，将焊在清根侧的定位焊缝金属清除。对需预热的高强度钢板，清根前应预热；焊前预热的焊缝开始施焊后连续焊接完成，因故停止施焊时，需对加热部位采取保温措施直至再次施焊。

（4）为有效的控制好焊接线能量，要求用Φ4.0mm焊条焊接时，每根焊条焊接长度＞90mm，每一层厚度不超过6mm；用Φ3.2mm焊条焊接时，每根焊条焊接长度＞70mm，每一层厚度不超过4mm；焊道宽度超过10mm时，需进行分道。焊接时层间温度不低于预热温度，且不高于200℃。

（5）为防止冷裂纹的产生，在焊接完成后应立即采取后热处理，800MPa高强钢250～300℃，保温时间控制在1h～1.5h。之后采用石棉被保温缓冷至环境温度。后热处理完成后，对焊缝两侧的焊渣、飞溅物、码板等打磨干净，打磨宽度为200mm，焊缝表面严禁打磨，以备外观检查。

6.钢岔管焊缝质量控制

6.1焊缝质量检查

钢岔管纵缝焊接完毕后，首先对焊缝的外观进行检查，用0.5m长的样板检查纵缝处弧度，其间隙应≤4.0mm。纵缝焊接完毕后，需测量两端管口的实际外周长，并在相应管口边缘部位用石笔将实际周长标记出来。

焊接完成48h后对焊缝内外两面两侧进行100%的超声波探伤，并对纵缝、环缝各进行50%的TOFD复探。公司自检合格后，业主委托的第三方检测机构对岔管焊缝进行无损检测，合格后进入下一道工序。

单个岔管焊缝全长为124.224m，超声波无损检测发现超标缺陷长度0.045m，焊缝一次合格率达到99.9%。

6.2钢岔管缺陷处理

焊缝的外观检查发现有裂纹、未熔和等表面缺陷时，必须用角磨机将缺陷磨掉，经磁粉检验或渗透检验无缺陷后，再对缺陷处进行表面修补，修补的焊接工艺与正式焊缝的焊接工艺相同。

焊缝内部质量发现有超标缺陷时，严格按已制定的焊接工艺进行，同一部位返修次数不超过1次；若超过上述规定，应找出原因，要制订可靠的技术措施，且必须经技术总负责人指导进行，且将返修的部位记录列入技术档案。

7.钢岔管水压试验

为检验钢岔管的制造和焊接施工质量，验证结构的可靠性，部分消除钢岔管的尖端应力并使尖状缺陷钝化，防止缺陷扩张［3］，保证钢岔管安全运行，根据规范要求，对该电站钢岔管进行水压试验。结合实际运行条件和相关计算成果，确定水压试验最大压力为10MPa。岔管水压试验分为两个阶段：预压试验和水压试验。

预压试验过程为：0MPa→升压至2.0MPa，稳压30min→卸压至0MPa，稳压时，对岔管焊缝、试验管路进行检查，应无渗水和其他异常情况。水压试验进行两个加载循环，第一个加载循环过程为：0MPa→升压至2.0MPa，稳压30min→升压至4.0MPa，稳压30min→升压至6.0MPa，稳压60min→升压至8.0MPa，稳压60min→升压至9.0MPa，稳压60min，对岔管进行检查，应无渗水和其他异常情况→卸压至8.0MPa，稳压30min→卸压至6.0MPa，稳压30min→卸压至4.0MPa，稳压30min→卸压至2.0MPa，稳压30min→最后卸压至0MPa。

水压试验：第二个加载循环过程同第一个加载循环过程，在升压至9.0MPa，稳压60min后，情况正常后继续升压至10MPa，稳压60min，然后卸压至9.0MPa，稳压30min后按第一个循环进行卸压至初始状态。

单个岔管实际水压加压值最大为10.015MPa，满足设计要求。在制造厂完成水压试验后整体运输至现场交货，减少岔管制造周期和多次拼装工序，确保了岔管的制造质量。

8.结论

（1）长龙山抽水蓄能电站钢岔管是国内额定水头在710m以上首例全面采用国产高强钢板制造的，岔管制造板材采用舞阳钢铁有限责任公司研制生产的SX780CF型高强度调质钢，钢岔管的各项技术性能指标均满足设计和规范的要求。

（2）长龙山抽水蓄能电站钢岔管的制造难度较大，制造过程中采取新的施工工艺，保证了长龙山抽水蓄能电站钢岔管的制造质量。钢岔管经历了输水系统充水、机组近12个月运行及多工况甩负荷的考验，通过对布置在岔管各部位的永久钢板应变计的连续观测，各部位应力值均在设计允许值控制范围内。

（3）目前，长龙山抽水蓄能电站6台机组均已投产发电，并通过充水、单机和双机甩负荷试验，安全发电运行至今，机组运行状况良好，各项性能指标优良，均满足三峡集团企业标准要求，引水钢岔管在制造厂内完成水压试验后整体运输至工地的技术应用为后续类似工程挺供了借鉴，具备推广应用价值。

参考文献

［1］ 张俊松. 800MPa级钢材压力钢管岔管焊接技术研究[J].水利水电施工，2010：70~72.

［2］ 辜家明. 水电站 Rm ≥800MPa 高强钢岔管焊接工艺［J］．电焊机，2012（2）:11 − 15.

［3］ 李旭. 高强钢 B780CF岔管制造工艺与水压试验研究［D］．郑州大学，2015.

作者简介：吴鹏（1988-），男，贵州思南县人，工程师，主要从事水电水利工程项目管理。