赛珠水电站球形岔管焊接
【摘 要】结合赛球水电站球形岔管的焊接工艺，介绍了高水头球形岔管焊接工艺参数的选取，并强调了只有选取了恰当工艺参数才能保证整个球岔的质量控制，确保电站运行的安全。
【关键词】球形岔管；焊接工艺；赛珠水电站
1、概述
随着水电建设的高速发展，在水电站压力钢管使用的材料强度等级越来越高的，作为压力钢管中受力最复杂、水压力最高的岔管，钢材的选用更加严格。随着材料选用的强度等及的提高，相应焊接技术要求也会相应提高。并且作为水压较高的岔管段经常会出现异种钢材的焊接的情况，因此对焊接的工艺要求更加严格，如果选择焊接工艺和控制焊接的相关措施不严格，就会出现质量问题，危及工程后期运行的安全，造成事故。本人将以云南赛珠水电站球形岔管为例，介绍整个焊接工艺的选择和各种分析，希望对同行们在压力钢管焊接方面具有一定的借鉴意义。
赛珠水电站是云南省洗马河干流开发的第二个梯级电站，为一个混合式开发电站，电站额定水头668m，总额定引用流量17.7m3/s，总装机99（3*33）MW。电站压力钢管全部为暗管布置，电站引水系统采用一洞三机供水方式，主管内径2.0m，在1#球形岔管前过渡到内径1.6m，主管材质桩号引4+063.184m前为16MnR，桩号引4+063.184m后为WDB620（经岔管后的主、支管材质为16MnR）。钢管板材厚度为12mm～34mm，主管经1#球岔后一侧由3#支管向3#机供水，另一侧由内径1.28m主管到2#球岔，分别由1#、2#支管向1#机、2#机供水。
球形岔管主要参数见下表1：
由于球岔设计水头高，并且20MnMo可焊性与普通的压力容器钢板有很大的差别，再者由于球壳与加强环连接焊缝板厚相差较大，必须严格控制焊接工艺技术。因此我们在制造前对球岔的主要用钢材进行严格的分析，并进行了严格的工艺实验和评定程序。具体将在下面的内容中进行详细介绍。
表1 赛珠水电站球形岔管参数
项目1#球岔2#球岔
设计压力8MPa8MPa
试验压力10MPa10MPa
球壳内径2300mm1900mm
球壳壁厚36mm30mm
球壳材质15MnNbR15MnNbR
补强环、连接
段材质20MnMo
（δMax190mm）20MnMo
（δmax134）
主管内径1600mm1280mm
支管内径900mm，1280mm900mm
分岔角度110°（50°+60°）102°（51°+51°）
重量10t7t
2、简单介绍球岔的制作流程
整个球形岔管的制作不仅仅在焊接方面需要重视，在岔管的成型过程也给予了高度的重视，球壳下料完成后，我们选择了专业的热压厂家进行成型压制，确保岔管几何尺寸的准确。
球岔的制造工艺流程如下：
选材一矫料一划线一下料一热压（成形）一预热焊接一探伤检查一划线（选择在焊缝上）一割孔一车孔一焊支管加强环（防变形）一焊主加强环一探伤l拍片、检查一自然冷至室温一焊主（支）管连接段一打磨、探伤、拍片一焊导流板一整体退火一复探。
3、确定焊接工艺
3.1对主要材料的焊接性评价
3.1.1 15MnNbR焊接性评价：
炭当量计算分析，按照国际焊接学会（ⅡW）推荐公式的进行：
Ceq=（C+Mn/6+Cr/5+Mo/5+V/5+Ni/15+Cu/15）%
Ceq≤0.45%
根据一般经验，Ceq<0.5%，说明材料具有较好的焊接性能，预热温度较低。
3.1.2 20MnMo焊接性评价
A、炭当量计算分析
Ceq=（C+Mn/6+Cr/5+Mo/5+V/5+Ni/15+Cu/15）%
Ceq≤0.63%
根据一般经验，Ceq=0.63%>0.5%B、焊接冷裂纹敏感性分析
化学成分冷裂纹敏感指数
pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Cr/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5BPcm=0.37%
焊接冷裂纹系数Pc
Pc=Pcm+h/600+[H]/60（h为最大板厚50mm，[H]为焊缝中扩散氢含量1.0～5.0）Pc=0.47%
防止焊接裂纹所需最低预热温度Tp
Tp=1440Pc-392（℃） Tp=223℃（最大Pc时）
根据实际复验化学成分计算
Pcm=0.29% Pc=0.39%Tp=169.6℃
为了准备的确定母材的焊接性能，对材料复检化学成分，结果如料进行了复检成份，检查结果如下表：
CSiMnPSCr
0.190.321.180.0140.0050.11
NiMoVTiCu
0.060.21//0.18
B、焊接热裂纹倾向分析
热裂纹倾向公式：
Ce=C+2S+（Si-0.4）/7+（Mn-0.8）/8+P/3
带入上表复验成分值计算得：Ce=0.24=评估参考值，说明材料有热裂纹倾向，必须引起焊接过程的高度重视。
以上数据说明材料20MnMo整体焊接性能较差，需要较高预热温度和执行严格的焊接工艺，具有热裂纹倾向，焊接施工时需认真对待。
3.2焊接工艺
3.2.1 15MnNbR焊接工艺
经过对上面的成果分析，确定焊材选用大西洋CHE557R（φ4），坡口形式：对称X形（50°±2°），主要工艺参数：无预热，层间温度≤100℃，线能量范围15.4—19.8KJ/cm（立焊），无后热，经焊接工艺评定，此工艺合格，机械性能试验，焊缝处母材断裂时抗拉强度为539.0Mpa。
3.2.2 20MnMo焊接工艺
成果分析后，确定焊材选用大西洋CHE62CFLH（φ4），主要工艺：焊前预热180℃～210℃：利用履带式电热片加热，加热片选用LDD330*700，按照焊缝周长均布围绕于外侧焊缝，紧贴加热，温度测量采用红外线测温枪，测温时测点设于焊缝两侧100mm，单侧测点不低于6点，以测得数据作为调整温度控制依据，避免温差过大，防止冷裂纹的产生。层间温度≤150℃，用红外线测温枪测量，线能量范围10.1—35.4KJ/cm（立焊），电流135A～145A，电压23V～24V，焊接速度4.3～13.9（cm/min），焊接采用多层多道焊。后热温度200℃～250℃，加热及控温与预热相同，后热保温时间：大于1h。经焊接工艺评定，此工艺完全合格，机械性能试验时，焊缝处母材断裂时抗拉强度为587.1～588.2Mpa。经超声波探伤和X射线透照，球壳与补强环焊缝一次合格率达到100%，除2#球岔2#支管侧补强环与连接段发现夹渣缺陷（经一次返修合格）外，整个球岔焊接未发现其它缺陷，其它焊缝均一次合格。
3.3焊接步骤
第一步：半球壳（15MnNbR）+半球壳（15MnNbR）
第二步：球壳（15MnNbR）+补强环（20MnMo）
第三步：补强环（20MnMo）+连接段（20MnMo）
3.4焊接方式
（1）球壳（15MnNbR）+补强环（20MnMo）焊缝焊接（2人同时施焊，先内后外）：
焊接方式见示意图1：
（2）补强环（20MnMo）+连接段（20MnMo）的焊缝焊接由于内径只有900mm，不能进行多人焊接，由1人按1、2→3、4顺序交替施焊，见示意图2：
3.5焊接流程
由于本球岔的焊接全部为一类焊缝，故施焊前必须按要求将坡口两侧20mm范围内的铁锈、油垢及水迹清除干净，使之露出金属光泽。20MnMo热裂纹敏感性较高，所以对全部20MnMo焊缝严格按要求进行焊前预热后焊后进行后热。在焊接过程中，层间温度不低于130℃。
施焊时为减少球岔焊接变形.采用以下工艺方法及过程：
（1）对称、分段均匀施焊，分段长度为200～400mm。（2）先焊内侧焊缝。当焊到内侧焊缝厚度的三分之二时，对外侧坡口用碳弧气刨清根，并对清根后的内侧焊缝100% 超声波探伤检查合格后将内侧焊缝一次焊满，最后补焊外侧焊缝。（3）球岔的全部焊缝进行100%超声波探伤和100%射线透照检查。（4）球岔整体退火处理后，对焊缝进行超声波探伤和射线拍片复查。根据本工程需要，水压试验安排在安装就位后进行整体水压试验。
4、焊接完成后对球岔的热处理
由于该球岔属高压容器类，在生产制造中，热处理是重要的工艺环节，是确保球岔质量达到设计要求、充分发挥其机械及物理性能潜力的关键手段。热处理曲线图3。
热处理完成后经过对随炉试板的机械性能试验，材料15MnNbR、20MnMo、15MnNbR+20MnMo试件母材的抗拉强度略有下降，侧弯180°无裂纹，冲击功（AKV）提高，硬度值降低，热处理后未出现回火脆性和再热裂纹，焊缝经X射线透照合格，达到了消应热处理的效果。
5、安装就位后的水压试验
水压试验曲线图4
（1）本工程球岔设计压力为8Mpa，故试验最高压力为1.25*8=10Mpa。（2）先进行两次0～5Mpa～0MPa的低压力值试验，以消除测试系统的非线性误差。（3）然后从零压力开始.压力每升高2MPa，稳压10分钟，测量一次应变，直至试验压力达到10MPa。整个试验过程中，无渗水及其它异常现象（4）水压试验放空后，对岔管所有焊缝经100%超声波检查，焊缝全部合格。
6、结束语
（1）通过热处理及水压试验后对焊缝的复查，未发现任何质量缺陷。（2）该电站已安全投入运行，直到现目前，两个球岔运行情况良好，说明在水电站球形岔管的制作施工中，通过选用恰当的焊接参数和合理的工艺措施，完全能保证球岔产品的质量，达到规范和设计要求。（3）随着水电建设的不断发展，能在新材料、新工艺的实践中提供一点借鉴意义。
参考文献
[1]水利水电工程压力钢管制造及验收规范L/T5017-2007中国电力出版社出版发行.
[2]机械设计手册.机械工业出版社出版、发行.
[3]水电站机电设计手册（金属结构二） 水利电力出版社.
作者简介
伍小安（1974-），男，四川广安人，安装二处处长，从事水利水电技术和管理工作。
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