高原高寒条件压力钢管焊接施工工法.doc

高原高寒条件压力钢管焊接施工工法1 •前言在西部水电开发中，经常面临高原高寒气候，在恶劣野外环境下，大型昂贵自动 化焊接设备的运用受到限制，单纯依靠焊条电弧焊不利于有效控制焊接变形，也难以 满足压力钢管大量焊接工作量对工期的要求西藏昌都金河电站引水压力钢管平均海拔3200m, 1月平均气温-6°C,是典型的高 原高寒气候，其压力钢管焊接施工通过简便、有效的工法实践，优化埋弧自动焊接工 艺设计，克服了高寒因素的不利影响，取得了较好的经济和社会效益2 •工法特点2.1高原高寒地区空气稀薄，含氧量低，电弧燃烧不充分，采用空气等离子切割 下料和埋弧自动焊等方法，有效的提高了电弧稳定性和焊接线能量值2.2高原高寒地区日温差大，金河电站实测昼夜最大温差25€,合理组装加劲环、 合理设计坡口等措施有效控制了焊接变形2.3高原高寒地区积温少，尤其冬季干冷漫长，较同纬度东部平原低2(TC,在低 温态焊接施工，采取正确的焊接工艺和热措施可以避免产生焊接裂纹2.4高原高寒地区多雨雪、大风天气，现场合理的工装设计是正常焊接施工的可 靠保证3.适用范围适用于高原高寒条件下压力钢管焊接施工4 •工艺原理4.1充分利用高原日照时间长，大胆采用露天厂房，重点围绕埋弧自动焊接，合 理穿插衔接，优化钢管焊接施工流程。

4.2在单节钢管焊接校形后安装加劲环，直线工期延长，整体变形不易控制，而 利用加劲环强制定形作用，在纵缝外缝焊接后、内缝焊接前进行安装，一方面减小了 因加劲环尺寸偏差对管节形体的破坏，另一方面通过加劲环的有效约束，提高了整体 刚度，减小了纵缝尤其是内缝的变形4.3如果采用气体保护焊，在高原高寒条件下实现有效的热措施和成熟的自动化 操作会比较复杂，通过工艺改进，内外环缝和弯管均采用埋弧自动焊，电弧在焊剂层 下以隐蔽状态大电流稳定燃烧，减小了外部恶劣环境的影响，同时提高了线能量，厚厚的渣壳还起到了后热处理的作用4.4自动角焊小车实现加劲环的全方位CO?保护自动焊接，由于变形小，效率高， 加劲环拼焊由关键工序变为非关键工序，工艺流程更为紧凑4.5在现场焊接施工中引进厂房管理中的实时检测概念，利用超声波探伤仪配合 高温耦合剂及时发现和消除缺欠，避免产品积压，盘活施工场地空间焊后验收 环节通过超声波检测、射线检测及其比照，及时发现可能的时效缺陷5 •工艺流程及操作要点5.1工艺流程金河电站压力钢管制作在现场进行，钢管焊接工艺流程如图5. 1-1图5.1-1钢管焊接工艺流程5.2操作要点5.2.1焊前准备1、 焊接材料：焊材贮藏间保持通风、干燥；焊接材料尽量白天烘焙，避免吸湿； 专人负责领用分发与回收，即领即用，用后及时回收不过夜；焊条置于保温筒内，并 经常检查，保持良好通电加热状态；适当减少焊剂槽中焊剂储量，在焊接区设置风屏; 区分二次烘焙材料，防止误用；焊接过程中注意焊剂扬尘与清扫，层道中不应有焊剂 颗粒残留；油污锈蚀严重的焊丝，剪除禁用。

2、 焊前清理：认真清理坡口内锈污水份，尤其是水、冰、霜冻要彻底清除，在高 原高寒条件坡口内湿气滞留较深，日照降低氧分压的作用有限，必须进行预热焊前 预热不仅可以适当提高母材初始温度降低温度梯度，减少过程吸湿，更重要的是焊前 除湿，避免气孔5. 2. 2坡口加工1、坡口加工：按排料图和工艺卡进行放样，用空气等离子切割机下料，再在铳边 机上按坡口设计要求铳削成型图5. 2. 2-1所示为自制加劲环切割装置图5. 2. 2-1自制加劲环切割装置2、纵缝坡口设计与焊接：压力钢管过水面处高寒工况，坡口设计时首先考虑了如 何提高内部和内壁质量1）坡口型式如图5.2.2-2外坡口深约1/36,保证埋弧焊封底需要，同时使变 形量内外一致；内坡口深约2/36,有利于提高效率；钝边1mm利于拼对，钝边尺寸应与 间隙匹配；间隙1 ~2mm可增加熔透量，减少清根工作，过大则引起周长误差；外坡口 在卷制后角度增加，按60度设计可保证坡口宽度；内坡口虽为埋弧自动焊，但因卷制 后角度减少，管壁较薄，设计时放大至46. 9图示角度为卷制后角度）角度46.9 的设计计算：内坡口深度为8mm,板厚14mm （中性层厚7mm）,钢管内径3500mmo钢管 由两瓦片对拼而成，即存在两对坡口，每一坡口外边较内边弧长增加值为兀*（D外-D 内）/4= n * （3516-3500） /4=12. 56mm。

该弧长增加值包括卷制前坡口外边与内边长度差 h*tga （h为坡口深度，（X为卷制前的坡口角度，即要求解的46. 9该弧长增加值 另一部分通过卷制后角度减少来弥补，减少量为h*tga-h*tg30° （30°即希望获得的 卷制后角度）由 12. 56=h*tga+ h*tga-h*tg30° 解得 a =46. 9°2）外坡口直接在拼装位（钢管竖立）由焊条电弧焊完成，主要优点是：① 式焊接与点固定位焊衔接紧凑因高寒影响坡口内易积水积冰，正式焊前坡口 烘干时定位焊缝骤冷骤热，容易炸裂，导致拼装失败点固后随即焊接，简化了工艺 过程，提高了工作质量和效率② 外坡口封底为内坡口埋弧自动焊创造了条件③ 外坡口在拼装平台上小拘束度焊接，变形容易控制④ 钢管竖立，两瓦片对拼纵缝完全对称3）内坡口在加劲环拼焊完成后由埋弧自动焊完成，主要优点是：① 加劲环的安装“锁定” 了拼装尺寸，这样管节可以90翻身，创造埋弧自动焊 的平焊条件② 埋弧自动焊是一种较为成熟的高效优质焊接方法，大大提高了焊缝内部质量和 内壁焊缝表面质量③ 电弧在焊剂层下燃烧，减少了高寒影响；实现了较大电流（电流密度是焊条电 弧焊的4~6倍）；焊接过程自动调节，操作简单，减少了人为的影响因素。

④ 热效率高，焊接速度快，加快了施工进度，减少了严冬的焊接工作量3、环缝坡口设计与焊接：环缝完全由埋弧自动焊完成环缝在拼装架上点固定位 后（定位焊缝在内坡口内），将该单元管节转吊至滚焊台车，外环缝焊接时保持焊接机 头不动，钢管在保持一定线速度的滚轮架金属滚轮的磨擦作用下匀速转动焊接内坡 口时，埋弧焊焊接机头置于管内，调节焊接小车速度，使之与滚轮线速度约为2： 1（忽 略板厚影响），方向相反，焊缝红外导向灯和导电咀始终竖直指向内坡口中心坡口设 计如图5. 2. 2-3V7777777777/, 7/ / W /////////// 7////////〃/图5. 2. 2-3坡口设计图示角度为卷制后角度；坡口未留间隙以避免烧穿，同时便于组装对缝；钝边3~ 4时可以满足双面自动焊根部焊透要求，钝边过小限制了焊接电流，钝边过大则不易焊 透；由于钢管外周长是很关键的一项验收指标，钢管压头时有不可避免的直边问题， 在坡口设计时以外坡口焊缝为主焊缝，并采取外坡口焊缝先焊的施工工艺5.2.3焊条电弧焊1、焊接过程的连续性在高寒地区，一条焊缝在白天一次焊完是有必要的，焊接 过程的连续减少了焊接清理工作，更重要的是在保持工艺规范不变的情况下提高了线能量值，避免了反复预热，保持了层间温度，防止了焊缝层道间吸湿，减少了高寒影 响。

2、焊接参数的一致性在压力钢管焊接施工中，为防止连续焊接过程能量积累引 起过高线能量，增加易冷淬材料的开裂危害性，在施焊过程中应小规范多层多道焊， 速度适中，保持规范和操作的一致性和对称性5.2.4埋弧自动焊1、埋弧自动焊工艺参数如表5. 2.4-1埋呱焊操作架尺寸示意图中口讪F台A2E-JHWcI 1 I d112.6工字钢z形架•-埋弧自动焊机两台〈兼做紀币八力向滚轮(承压＞1匝宜矗约100.共4个人、“IlkT、帧3滚纶架J -JSQ -J焊机滚轮册r表5. 2.4-1埋弧自动焊工艺参数板厚间隙电流电压焊接速度14 mm3-4mm700-750A34-36V30m/h2、埋弧自动焊简易操作架图5. 2. 4-1埋弧自动焊简易操作架3、埋弧自动焊变形控制(1) 纵缝纵向收缩变形：DL5017-1993标准规定单节钢管长度与设计值之差不应 超过±5・0mm金河电站单节管长2100mm,按板厚6 14,埋弧自动焊三道计算，其纵向 收缩量L=0. 006 x 2100 x 3/14=2. 7mm.实际测量为3mm,均在标准范围之内控制 纵向收缩的措施主要是在保证焊透的情况下适当减少焊接电流，同时调整工艺，避免 因盖面层偏低增加焊缝层数，使变形量增大。

2) 内凹与外凸变形：由于焊缝的角变形和横向收缩在管壁厚度方向的不一致引 起压力钢管管壁在焊缝处形成鼓包和下塌第一层焊缝即C区(如图5. 2. 4-2所示) 的影响至关重要，其变形作用约为其它层的两倍变形的最终取向将取决于内外坡口 的相对熔敷作用当以外坡口为主时，焊后将引起内凹，反之亦然施工中用焊缝量 规仔细检查坡口铳削、组对质量，打底前沿焊缝全长方向预先调整焊接小车，清根时选 择合适的碳棒和操作角度，严格控制C区变形翘曲变形压力钢管图 5. 2. 4-2(3) 环缝横向收缩变形：以内径D=3500mm,板厚6=14mm的钢管对接环缝为例， 实测最大AB=4mm0环缝焊接在自动滚焊台车上进行，层与层之间旋转方向相反，可以 均衡受热，减少横向收缩4) 翘曲变形：翘曲变形型式如图5. 2. 4-2所示翘曲变形主要由纵缝纵向收缩 和加劲环、环缝横向收缩引起5.2.5无损检测与焊后验收在钢管环缝焊接完成后，充分利用滚焊台车，适时进行超声波检测，配合高 温耦合剂使用，满足质量消缺要求，提高了流水作业效率，保证了钢管及时下线在 堆放场地，再按标准比例对特征部位可能缺陷进行扫查，并与射线检测比照各项指 标验收合格后转入防腐施工。

6 •材料与设备本工法采用的主要材料、设备见表6表6主要材料、设备表序 号材料或设备数量单位用途1PE-100空气等离子切割机1台钢板切割2HBJ-9铳边机1台坡口加工3MZ-1-1250埋弧自动焊机2台纵缝、环缝焊接4GR-71自动角焊小车(配ZP7-500焊接电源)2台角焊缝焊接5CTS-23超声波探伤仪、XXQ-2505射线探伤仪1台焊缝无损检测6HJ43K 型号 HJ402-H08MnA)颗粒度 0. 5-3mm; 碳钢焊丝H08MnA, 4)4埋弧焊用焊接材料7・质量控制7.1工程质量控制标准7.1.1焊缝、热影响区无裂纹、气孔、夹渣、弧坑7.1.2余高0〜4,焊缝半宽2~77.1. 3咬边深度＜ 0. 5,长度＜100并且不超过整条焊缝长度的10%7. 1.4无明显飞溅7. 1. 5 角焊缝要求：KV12,0~+3, K〉12, 0 ~+47. 2质量保证措施7.2.1探伤由具备相关II级以上资质的人员进行，标准要求的探伤比例见下表探伤方法RT （射线探伤）UT （超声波探伤）类别I类焊缝II类焊缝I类焊缝II类焊缝比例20%10%50%30%合格级II级III级BI级BII级复验比例5%施工中，II类以上焊缝全部进行超声波检测，包括适时检测和延时检测，实际检 测比例达130%。

按照标准规范要求及时修复发现的焊接缺陷16MnR容易产生的缺陷 主要有未熔合、夹渣性未熔合、片状夹渣（含切割熔渣致夹渣，利用双探头从宽度方 向易探测）、点状夹渣（盖面速度慢，间隙＞。