马鹿塘水电站二期工程斜井段钢管焊接工艺

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　　【摘要】：马鹿塘水电站二期工程斜井段压力钢管安装是长距离的洞内安装，且斜井段倾角大，给安装和焊接工作带来了诸多不便，本文就本工程斜井段钢管焊接工艺作以阐述，以供同类工程借鉴。
　　关键词：斜井段 钢管焊接 气孔
　　 一.工程简况
　　 马鹿塘水电站二期工程位于云南省文山州境内最大的河流盘龙河上，麻栗坡县境内。工程以发电为主要目的,采用混合式开发，工程等级为Ⅱ等大(2)型，最大坝高154米，装机容量300MW，水库总库容5.4565亿m3，具有年调节能力。
　　 压力钢管道采用“三平两斜”布置方案。上平段底坡10%，管径5m，长度约为200m，安装工程量为580.85t，后接空间弯管；上斜段倾角60度，管径5m，长度约162m，安装工程量为525.92t，后接垂直弯管；中平段为平坡，管径5m，末端管径变为4.8m，长度约96m, 安装工程量为218.88t，后接垂直弯管；下斜段倾角48度，管径4.8m，长度为174m，安装工程量为554.57t，后接垂直弯管；下平段管径4.8m，长度约30m，安装工程量为61.81t，后接分岔管。
　　二、焊接设备及人员
　　2.1焊接材料
　　 焊接材料是决定焊接质量的主要因素。焊接材料的选择根据16MnR的力学性能、化学成分、接头钢性及钢管的坡口形式和使用要求选取，选取焊条为E5015焊条。
　　2.2焊接人员
　　 焊接人员除合格的焊工外，配备专门的焊接技术人员，焊接检查员和无损检验员。参加16MnR钢焊接施工人员和施工管理人员均进行技术交底，以了解16MnR钢的焊接特点、控制项目及控制方法。焊工按水利部标准进行培训和考核合格，持操作证书和等级证书的合格焊工上岗。
　　2.3焊接设备
　　 在马鹿塘水电站工程压力钢管安装工程开工前,项目部组织技术人员对施工现场气候条件进行了分析研究。施工地域盘龙河流域地处低纬度地区，属南亚热带高原季风气候类型，其南面临海洋，西北与云贵高原接壤。受地形及海拔的较大差异和水汽来源等诸多因素的影响，加之工程施工工作面均在地下洞室进行，洞室内全年风速大于１０m/s，洞室地下水资源丰富造成洞内湿度过大，相对湿度过大后易造成焊缝表面气孔。
　　 马鹿塘钢管所有焊缝均为全位置焊缝，项目部原设想压力钢管焊接采用CO2气体保护半自动焊，CO2气体保护焊焊接速度快，需要焊工人员少且焊接质量较高，同时对焊工技术要求相应也较高，经多次技术讨论并结合施工现场实际工作环境条件，认为CO2气体保护焊并不能满足该工程质量要求。原因有：（１）风速：CO2气体保护焊对风速的要求较严格，风速等于４~８m/s时，需在焊接部位设置挡风盒或挡风帐篷，当风速大于８m/s时，不能采用CO2气体保护焊。（２）CO2气体：上斜井段、下斜井段均为长距离，CO2气体不便于运至工作面，且CO2气体保护焊对CO2的纯度要求较高，要求纯度须达到９９.５%，施工所在地域无可生产高纯度的CO2企业。（３）水分：洞室内的水汽过大，钢管安装后焊缝部位会迅速被水汽浸湿，焊缝上会生成大量的水滴；CO2气体保护焊对焊接位置的水分要求很高，焊接部位有水分或CO2气体的纯度不够也会产生水分，在焊接过程中会在焊缝内部产生气孔，严重的会导致焊接区裂纹。
　　 综合考虑CO2气体保护焊的优缺点后，计划采用手工电弧焊，手工电弧焊的焊接设备选用ZX7―500型IGBT逆变手工弧焊机。该焊机参数稳定、调节灵活和安全可靠，适用于全位置焊接，焊缝成型美观，有完善的保护，适用于各种焊条，易引弧且飞溅小，比传统焊机综合节电４０%以上，最终所有钢管安装焊缝均采用手工电弧焊。
　　三、钢管焊接
　　3.1预热
　　 通过分析16MnR钢的焊接性，此钢Ceq=0.4５%（碳当量）超过0.4%。当管板厚度δ≥32mm时，钢管焊接需要用履带式电加热器进行100―150ºC加热0.5h，在马鹿塘工程中16MnR钢板厚度为δ〈１８~２２mm〉的钢板，钢管焊接不需要预热。
　　3.2焊接工艺
　　 钢管对口前，修整坡口及清理坡口两侧各50mm范围内的氧化皮、铁锈、油污、水迹及其它杂物。定位焊一般焊在后焊侧坡口内，后焊坡口施焊前必须清除定位焊道，定位焊长应为80mm，间距350mm。
　　 焊接检查员在施焊过程中严格监测和控制道间温度及焊接线能量，并对每条焊缝进行实际施焊规范参数记录。双面焊的焊缝，一侧焊后，另一侧可采用碳弧气刨清根。清根时埋弧焊必须清到第一道缝完全露出，手工焊第一道缝必须完全清楚。碳弧气刨清根用压缩空气包含水分和油分加以限制。多层多道焊时，将每道的溶渣、飞溅仔细清理，自检合格后，方可进行下一道焊接。焊缝的表面尽可能平滑，咬边、焊瘤、焊趾过度角过大的部位要用细纱轮仔细打磨，使表面光滑平滑平整。每条焊缝进行编号，并记下施焊焊工姓名或代号存档。为保证钢管焊缝焊接质量，每班组安排四名焊工同时进行焊接工作。
　　四、焊接存在问题及解决方案
　　4.1存在问题
　　 在压力钢管焊接过程中，由于受地下洞室气候条件制约,天气晴朗时,洞室内水汽在中午10点后自行消除,风向为由斜井底部向顶部流通,经调压井流向露天;天气阴或者下雨时,洞室水汽终日不退,洞室外部水汽由调压井口反流入洞内,洞内相对湿度更大.由于焊接工作为24小时工作制,加之08年汛期期间,马鹿塘地区雨量较往年多,天气多半为阴天或雨天,焊缝焊接完成后进行超声波无损检测，钢管焊缝下部多处出现气孔，气孔均在焊缝表面下４~ ６mm处，严重影响了焊接质量。由于大多数焊缝均存在同样问题，且项目所有焊工均参加过昆明掌鹫河供水管道焊接工作，反复出现同样的问题，导致焊工心理压力过大，给压力钢管焊接工作带来很大的影响。
　　4.2解决方案
　　 1）针对整个洞室内存在的水汽，在洞内斜井底部和顶部各设置一台大功率通风机，根据天气变化情况随时改变通风机风向,不间断进行通风，降低洞内湿度。
　　 2）在焊接工作进行前，对焊缝表面上的铁锈进行彻底的打磨；
　　 3）焊前预热温度50～75℃，层间温度50～200℃。预热宽度为焊缝中心两侧各150mm范围内，测温点位于被加热面的反面，距焊缝中心50mm处对称测量，测温装置选用接触式测温仪。焊接环缝每隔一米测一对，不少于10对，20～30分钟测量一次。由于钢管下部焊缝处水分过大，使用电加热板存在不安全因素，加热方式采用采用火焰加热，加热设备选用汽油喷灯，保证焊接过程中水分不进入焊接区域，确保焊缝表面干燥，减少焊接区气孔和裂纹生成。焊缝加热见图焊缝加热示意图。
　　
　　
　　 加热过程中加热火焰保持均匀，加热的速度保持缓慢升温。定位焊的预热温度50～75℃，背缝清根时，应保证预热温度。每道焊缝保证连续焊完，因故需中断焊接时，至少应焊三层以后，并要缓慢冷却，再次焊接前重新进行预热。焊接过程中，层间温度不应低于预热温度。层间温度测量应在焊道上。施焊时要求内外焊缝同时进行,保证焊缝温度均衡。
　　4.3处理结果
　　 采用焊缝预热方法后，在钢管焊缝完成焊接操作后，进行超声波无损检测，焊缝焊接区气孔大幅减少，焊接区也无裂纹产生。无损检测发现的极少气孔，气孔均在焊缝表面下1~ 2mm处，原因是在焊接过程中由于个别焊工技术原因，更换焊条时搭接部位产生了个别气孔。焊接修补后进行超声波无损检测，所有焊缝均为气孔出现。
　　5结语
　　 本文通过对马鹿塘水电站压力钢管安装的焊接方法做出总结，使用的设备、工具装备等结构简单、经济实用、易于保证质量，工艺方法合理、简洁，可供同类型工程钢管焊接过程中出现的问题借鉴参考。
　　
　　第一作者简介：
　　姓名：胡安和
　　性别：男
　　出生年月：1974年5月
　　职称：高级工程师
　　所学专业：水利水电动力工程
　　工作单位：中国水电建设集团十五工程局有限公司
　　现从事何工作：水利水电工程施工
　　
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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