三峡1～6#压力钢管凑合节合拢焊缝的焊接
建筑天下| http://www.667e.com |08-22 13:18:37| 结构设计|人气:923次
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三峡1～6#压力钢管凑合节合拢焊缝的焊接
摘 要：三峡1～6#机无伸缩节的压力钢管，最后一条合拢焊缝是高强调质钢厚板在强约束条件下的焊接，技术难度很大。但经过试验研究制定出合理的焊接工艺，施工前准备工作充分，现场严格按工艺执行。实践证明，合拢缝采用对接式接头是可行的。
关键词：压力钢管； 合拢缝； 焊接； 三峡工程
1 概述
1.1 压力钢管布置
三峡水利枢纽电站坝后式厂房压力钢管直径12.4 m，由上至下分为上斜段、上弯段、斜直段、下弯段、下平段和厂内段，长122.797 m。下平段和厂内段按明管设计，其中左厂7-14#压力钢管下平段布置有伸缩节；1-6#压力钢管取消了伸缩节，用10 m长垫层管来适应厂坝间的钢管位移，此处钢管按弹性垫层管设计。为了使下弯段与下平段间受力明确，在弹性垫层管上游端设置了三道止推环，经10 m弹性垫层管及1.22 m延伸段钢管与蜗壳进口端连接。本文主要讨论1～6#机无伸缩节压力钢管最后一条合拢焊缝的焊接。
1.2 凑合节安装的施工难点
无伸缩节压力钢管与蜗壳焊接合拢时，蜗壳外围的混凝土和通过主厂房上游墙内穿墙管的外围混凝土均已浇筑完成，合拢焊缝是在强约束条件下施焊。众所周知，高强调质钢厚板的强约束焊接技术难度很大，会产生很大的焊接应力和变形，曾有个别工程出现裂缝和座环混凝土拉裂的问题。
为此，如何借鉴已建工程的成功经验，解决三峡压力钢管凑合节合龙焊缝焊接问题，选择适宜的焊缝形式和确定正确的焊接工艺，将是三峡压力钢管施工成功的关键技术之一。
鉴于上述原因，1～6#压力钢管凑合节合拢焊缝在正式施工前，三峡总公司特委托水电八局三峡机电制造安装项目部模拟现场焊接工况，进行焊接试验和研究，为合拢焊缝接头选型提供依据，同时拟定出切实可行的焊接施工工艺。
1.3 凑合节钢管的材质
蜗壳打压，割除焊缝热影响区后钢管合拢段总长2 700 mm。合拢段由两个管节组成，其中标准管节长1 800 mm，凑合节长900 mm。钢管管壁材质为NK-HITEN610U2，厚度60 mm，系高强度调质钢，其化学成份及机械物理性能指标见表1。
2 焊接试验
2.1 试验内容
本试验为了模拟施工工况，在厚板中间开窗口，两侧加筋板，将试板两端焊在窗口上，分别进行搭接与对接两种接头形式试验，试板布局示意图见图1、图2。
试验过程中测定试板焊接过程产生的拘束应力。焊后测量焊缝的残余应力，利用超声波及射线探伤来判断焊缝是否产生裂纹。对焊接接头的机械性能分两种情况处理：对接接头用常规试验（拉伸、弯曲、冲击、硬度）进行检验，搭接接头通过疲劳试验进行检验。为了对搭接接头性能有较为全面的了解，本试验对不同参数的角焊缝焊趾及焊根的应力集中系数进行有限元分析计算。
2.2 对接试验
2.2.1 试板焊接
所有试验用板材是NK-HITEN610U2，焊接材料为MK.J607RH，规格为3.2，4.0，对接试板总长2 000 mm，宽560 mm，厚度为56 mm；3组试板分3种坡口间隙，分别是10 mm、6 mm、3 mm。对接试板坡口形式见图3，焊接主要参数见表2。
G-1试板全部采用3.2的焊条焊完，由于试板间隙大，焊接时先采用沿坡口侧壁全面堆焊，然后采用多层多道焊接。G-2、G-3试板焊接时，正反面前三层及盖面采用3.2的焊条，其余用4.0的焊条焊成，3.2的焊条焊接电流为95～140 A，4.0的焊条使用焊接电流为160～195 A。3副试板均进行150～180℃×2 h后热处理。焊接顺序是焊完大坡口侧60%左右，背面清根，焊完背面再焊大坡口侧。
2.2.2 试验结果分析
对接试验主要数据归纳见表3。
①在试验过程中焊缝没有拉裂，经UT和RT检验焊缝质量合格；
②解除约束后焊缝的自由收缩量为2.73 mm；
③间隙10 mm的对接试件比3 mm、6 mm试件拘束应力有明显增加，间隙6 mm和3 mm试件拘束应力差别不明显。
④焊缝本应收缩4.9 mm左右，但在拘束的条件下：①因刚性较大，窗口承担了0.63 mm的拉伸变形，变形很小，意味着基本上对座环影响不大；②试板承担了（2.73~0.63）mm拉伸变形。
⑤试验表明拘束应力及变形均在弹性范围内。而实际钢管的相对自由段总长为10m，远大于试板长度，由此可判定实际钢管的拘束应力远小于试验条件下的拘束应力。
2.3 搭接试验
2.3.1 搭接试板焊接
搭接试板采用搭接板和基板之间1 mm、4 mm两种间隙进行试验，有4组试板，其中两组试板没有使用U形卡具，间隙控制较差，另两组用U卡具进行了固定。试板的焊接顺序是：4条角焊缝先后次序为两焊工先将一端两角焊缝焊完，再焊另一端两角焊缝。
2.3.2 试验结果分析
①搭接试板平均拘束应力1 mm间隙是58 MPa，4 mm间隙是61 MPa，拘束应力很小。
②对搭接试板焊后进行了拉伸疲劳试验，从疲劳试验结果看，由于焊趾处应力集中严重，所以，焊趾处最先开裂，属于低周疲劳。对应200 MPa的应力下，疲劳寿命最低为5 099次，大于设计要求的1000次。对应应力44.44 MPa的最低疲劳寿命为133 620次。试验表明搭接板与基板之间间隙对疲劳没有明显的影响。但是，在焊接前为了保证搭接板与基板之间的间隙而采取了强制性措施（如通过U形卡固定）的试板，其疲劳寿命下降很多，甚至不到没强制控制间隙试板的一半。
③有限元计算表明，搭接接头内侧焊缝焊趾处应力集中系数大于外侧焊缝焊趾处的应力集中系数，焊趾处的应力集中系数远远大于焊根处应力集中系数。计算表明外侧接头焊趾处主应力集中系数在6左右，内侧焊趾处主应力集中系数在9左右。应力集中系数结果见表4。
3 4#机压力钢管下平段凑合节合拢缝的焊接
通过上述接头试验，综合考虑现场施工条件和国内水电工程实践经验，最后决定凑合节合拢焊缝采用对接接头，在焊接过程中锤击焊缝，以减少拘束应力。试验结果表明：锤击焊缝后拘束应力、焊缝收缩、试板变形等均下降25%左右，对机械性能没有影响。
根据上述试验，特制定了现场实际施工时的焊接工艺和锤击消应工艺，并严格按工艺执行。以4#机合拢缝为例，简述1～6#机合拢焊缝的实际焊接情况。
3.1 现场焊接的主要焊接工艺
凑合节合拢环缝周长为39.144 m，由10名焊工分10段对称焊接。坡口间隙要求≤3 mm，间隙过大的对坡口面进行了堆焊，并保持间隙均匀；对于坡口面的清理要求打磨至金属光泽，还应保证表面平滑。
焊接顺序是：总体顺序为焊完大坡口侧60%左右，背面清根，焊接背面小坡口侧，小坡口侧留两层不焊，待焊完大坡口侧以后，最后焊完小坡口侧。其中正、反面前3层（含打底层）及盖面采用3.2的焊条，其余用4.0的焊接焊成。3.2的焊条焊接电流为110～140 A，4.0的焊条适用电流为160～185 A。焊接完成后，立即进行150～180℃×2 h后热消氢处理。焊接工艺参数均与试验时一致。
3.2 锤击工艺及要求
①锤击由专人实施，1个焊工配1个人锤击，锤击过程由技术（质检）员进行监督。
②锤击采用C6型风铲，将风铲钎头磨成R=5 mm的球状圆头。
③气源压力应能确保风铲工作压力在0.63 MPa（额定压力）左右。（注：管路各气压损耗约0.2 MPa）
④在分段焊接的每1小段里，除打底和盖面层外，每焊1层进行锤击，锤至表面光亮为止。
3.3 施工监测结果和分析
4#机合拢焊缝及钢管变位测量、轴向拘束应力测量数据见表5。
表5中焊缝平均收缩量为4.90 mm；钢管拉出墙的量表示钢管在轴向拘束应力作用下产生弹性变形时，钢管测点相对于混凝土墙的变位，表中取平均值；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示在蜗壳端离合拢缝分别为700、900、1100mm距离的圆截面，应力测试按截面圆周的钟点位置布点，括弧内数值表示钟点位置，对应的数据表示应力值。座环经全站仪工业测量系统全过程监测没有变位。
上述数据表明：焊缝收缩比试验时大将近2心mm，这是因为合拢焊缝的拘束度远远小于试验焊缝的拘束度。所以拘束应力也小很多，试验的平均拘束应力是170 MPa（3 mm间隙），现场焊接时平均拘束应力是67 MPa。
3.4 焊缝内部质量控制
合拢缝焊接过程中除进行一系列监测以外，其焊缝内部也进行了严格的控制，焊接过程中背面清根后进行了干粉MT检测，检查是否存在表面裂纹，及时发现焊缝缺陷。焊接结束后，对39.144 m长的合拢环缝进行了100%的UT检测和50%的RT检测，其中UT探伤一次合格率为99.0%，RT探伤一次合格率为100%。
4 结论
1～6#无伸缩节压力钢管合拢焊缝的焊接，虽然在强拘束条件下施焊，而高强度调制钢厚板的强拘束焊接技术难度很大，但经过试验研究制定出合理的焊接工艺，施工前准备工作充分，现场严格按工艺执行。实践证明，合拢缝采用对接式接头是可行的。
作者：中国三峡总公司金结检测中心 程 惠
结构设计
摘 要：三峡1～6#机无伸缩节的压力钢管，最后一条合拢焊缝是高强调质钢厚板在强约束条件下的焊接，技术难度很大。但经过试验研究制定出合理的焊接工艺，施工前准备工作充分，现场严格按工艺执行。实践证明，合拢缝采用对接式接头是可行的。
关键词：压力钢管； 合拢缝； 焊接； 三峡工程
1 概述
1.1 压力钢管布置
三峡水利枢纽电站坝后式厂房压力钢管直径12.4 m，由上至下分为上斜段、上弯段、斜直段、下弯段、下平段和厂内段，长122.797 m。下平段和厂内段按明管设计，其中左厂7-14#压力钢管下平段布置有伸缩节；1-6#压力钢管取消了伸缩节，用10 m长垫层管来适应厂坝间的钢管位移，此处钢管按弹性垫层管设计。为了使下弯段与下平段间受力明确，在弹性垫层管上游端设置了三道止推环，经10 m弹性垫层管及1.22 m延伸段钢管与蜗壳进口端连接。本文主要讨论1～6#机无伸缩节压力钢管最后一条合拢焊缝的焊接。
1.2 凑合节安装的施工难点
无伸缩节压力钢管与蜗壳焊接合拢时，蜗壳外围的混凝土和通过主厂房上游墙内穿墙管的外围混凝土均已浇筑完成，合拢焊缝是在强约束条件下施焊。众所周知，高强调质钢厚板的强约束焊接技术难度很大，会产生很大的焊接应力和变形，曾有个别工程出现裂缝和座环混凝土拉裂的问题。
为此，如何借鉴已建工程的成功经验，解决三峡压力钢管凑合节合龙焊缝焊接问题，选择适宜的焊缝形式和确定正确的焊接工艺，将是三峡压力钢管施工成功的关键技术之一。
鉴于上述原因，1～6#压力钢管凑合节合拢焊缝在正式施工前，三峡总公司特委托水电八局三峡机电制造安装项目部模拟现场焊接工况，进行焊接试验和研究，为合拢焊缝接头选型提供依据，同时拟定出切实可行的焊接施工工艺。
1.3 凑合节钢管的材质
蜗壳打压，割除焊缝热影响区后钢管合拢段总长2 700 mm。合拢段由两个管节组成，其中标准管节长1 800 mm，凑合节长900 mm。钢管管壁材质为NK-HITEN610U2，厚度60 mm，系高强度调质钢，其化学成份及机械物理性能指标见表1。
2 焊接试验
2.1 试验内容
本试验为了模拟施工工况，在厚板中间开窗口，两侧加筋板，将试板两端焊在窗口上，分别进行搭接与对接两种接头形式试验，试板布局示意图见图1、图2。
试验过程中测定试板焊接过程产生的拘束应力。焊后测量焊缝的残余应力，利用超声波及射线探伤来判断焊缝是否产生裂纹。对焊接接头的机械性能分两种情况处理：对接接头用常规试验（拉伸、弯曲、冲击、硬度）进行检验，搭接接头通过疲劳试验进行检验。为了对搭接接头性能有较为全面的了解，本试验对不同参数的角焊缝焊趾及焊根的应力集中系数进行有限元分析计算。
2.2 对接试验
2.2.1 试板焊接
所有试验用板材是NK-HITEN610U2，焊接材料为MK.J607RH，规格为3.2，4.0，对接试板总长2 000 mm，宽560 mm，厚度为56 mm；3组试板分3种坡口间隙，分别是10 mm、6 mm、3 mm。对接试板坡口形式见图3，焊接主要参数见表2。
G-1试板全部采用3.2的焊条焊完，由于试板间隙大，焊接时先采用沿坡口侧壁全面堆焊，然后采用多层多道焊接。G-2、G-3试板焊接时，正反面前三层及盖面采用3.2的焊条，其余用4.0的焊条焊成，3.2的焊条焊接电流为95～140 A，4.0的焊条使用焊接电流为160～195 A。3副试板均进行150～180℃×2 h后热处理。焊接顺序是焊完大坡口侧60%左右，背面清根，焊完背面再焊大坡口侧。
2.2.2 试验结果分析
对接试验主要数据归纳见表3。
①在试验过程中焊缝没有拉裂，经UT和RT检验焊缝质量合格；
②解除约束后焊缝的自由收缩量为2.73 mm；
③间隙10 mm的对接试件比3 mm、6 mm试件拘束应力有明显增加，间隙6 mm和3 mm试件拘束应力差别不明显。
④焊缝本应收缩4.9 mm左右，但在拘束的条件下：①因刚性较大，窗口承担了0.63 mm的拉伸变形，变形很小，意味着基本上对座环影响不大；②试板承担了（2.73~0.63）mm拉伸变形。
⑤试验表明拘束应力及变形均在弹性范围内。而实际钢管的相对自由段总长为10m，远大于试板长度，由此可判定实际钢管的拘束应力远小于试验条件下的拘束应力。
2.3 搭接试验
2.3.1 搭接试板焊接
搭接试板采用搭接板和基板之间1 mm、4 mm两种间隙进行试验，有4组试板，其中两组试板没有使用U形卡具，间隙控制较差，另两组用U卡具进行了固定。试板的焊接顺序是：4条角焊缝先后次序为两焊工先将一端两角焊缝焊完，再焊另一端两角焊缝。
2.3.2 试验结果分析
①搭接试板平均拘束应力1 mm间隙是58 MPa，4 mm间隙是61 MPa，拘束应力很小。
②对搭接试板焊后进行了拉伸疲劳试验，从疲劳试验结果看，由于焊趾处应力集中严重，所以，焊趾处最先开裂，属于低周疲劳。对应200 MPa的应力下，疲劳寿命最低为5 099次，大于设计要求的1000次。对应应力44.44 MPa的最低疲劳寿命为133 620次。试验表明搭接板与基板之间间隙对疲劳没有明显的影响。但是，在焊接前为了保证搭接板与基板之间的间隙而采取了强制性措施（如通过U形卡固定）的试板，其疲劳寿命下降很多，甚至不到没强制控制间隙试板的一半。
③有限元计算表明，搭接接头内侧焊缝焊趾处应力集中系数大于外侧焊缝焊趾处的应力集中系数，焊趾处的应力集中系数远远大于焊根处应力集中系数。计算表明外侧接头焊趾处主应力集中系数在6左右，内侧焊趾处主应力集中系数在9左右。应力集中系数结果见表4。
3 4#机压力钢管下平段凑合节合拢缝的焊接
通过上述接头试验，综合考虑现场施工条件和国内水电工程实践经验，最后决定凑合节合拢焊缝采用对接接头，在焊接过程中锤击焊缝，以减少拘束应力。试验结果表明：锤击焊缝后拘束应力、焊缝收缩、试板变形等均下降25%左右，对机械性能没有影响。
根据上述试验，特制定了现场实际施工时的焊接工艺和锤击消应工艺，并严格按工艺执行。以4#机合拢缝为例，简述1～6#机合拢焊缝的实际焊接情况。
3.1 现场焊接的主要焊接工艺
凑合节合拢环缝周长为39.144 m，由10名焊工分10段对称焊接。坡口间隙要求≤3 mm，间隙过大的对坡口面进行了堆焊，并保持间隙均匀；对于坡口面的清理要求打磨至金属光泽，还应保证表面平滑。
焊接顺序是：总体顺序为焊完大坡口侧60%左右，背面清根，焊接背面小坡口侧，小坡口侧留两层不焊，待焊完大坡口侧以后，最后焊完小坡口侧。其中正、反面前3层（含打底层）及盖面采用3.2的焊条，其余用4.0的焊接焊成。3.2的焊条焊接电流为110～140 A，4.0的焊条适用电流为160～185 A。焊接完成后，立即进行150～180℃×2 h后热消氢处理。焊接工艺参数均与试验时一致。
3.2 锤击工艺及要求
①锤击由专人实施，1个焊工配1个人锤击，锤击过程由技术（质检）员进行监督。
②锤击采用C6型风铲，将风铲钎头磨成R=5 mm的球状圆头。
③气源压力应能确保风铲工作压力在0.63 MPa（额定压力）左右。（注：管路各气压损耗约0.2 MPa）
④在分段焊接的每1小段里，除打底和盖面层外，每焊1层进行锤击，锤至表面光亮为止。
3.3 施工监测结果和分析
4#机合拢焊缝及钢管变位测量、轴向拘束应力测量数据见表5。
表5中焊缝平均收缩量为4.90 mm；钢管拉出墙的量表示钢管在轴向拘束应力作用下产生弹性变形时，钢管测点相对于混凝土墙的变位，表中取平均值；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示在蜗壳端离合拢缝分别为700、900、1100mm距离的圆截面，应力测试按截面圆周的钟点位置布点，括弧内数值表示钟点位置，对应的数据表示应力值。座环经全站仪工业测量系统全过程监测没有变位。
上述数据表明：焊缝收缩比试验时大将近2心mm，这是因为合拢焊缝的拘束度远远小于试验焊缝的拘束度。所以拘束应力也小很多，试验的平均拘束应力是170 MPa（3 mm间隙），现场焊接时平均拘束应力是67 MPa。
3.4 焊缝内部质量控制
合拢缝焊接过程中除进行一系列监测以外，其焊缝内部也进行了严格的控制，焊接过程中背面清根后进行了干粉MT检测，检查是否存在表面裂纹，及时发现焊缝缺陷。焊接结束后，对39.144 m长的合拢环缝进行了100%的UT检测和50%的RT检测，其中UT探伤一次合格率为99.0%，RT探伤一次合格率为100%。
4 结论
1～6#无伸缩节压力钢管合拢焊缝的焊接，虽然在强拘束条件下施焊，而高强度调制钢厚板的强拘束焊接技术难度很大，但经过试验研究制定出合理的焊接工艺，施工前准备工作充分，现场严格按工艺执行。实践证明，合拢缝采用对接式接头是可行的。
作者：中国三峡总公司金结检测中心 程 惠
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