三峡压力钢管的自动化焊接.pdf

三峡压力钢管的自动化焊接鲍云杰1 ，李宪政1 ，李正江2 ，李林2 ( 1 ．北京时代科教股份有限公司，北京1 0 0 0 8 52 ．葛州坝集团机电公司，湖北宜昌4 4 3 0 0 2 )摘要：大型水电工程压力钢管自动焊接技术一直是胃内水电施工单位重点研究的课题，在三峡工程的建设中，压力钢管焊接安装是一项庞大的工程，为新技术的应用创造难得的机遇，也向焊接工作者提出了巨大的挑战本文结合葛州坝集团机电安装公司在三峡压力钢管自动焊接施工中的突破性实践，对目前国内压力铜管焊接技术进行了总结，对各种常用焊接工艺方法进行了对比，对脉冲M A G 自动焊的工艺、性能和经济效益进行了简要分析O 序言宏伟的三峡水利枢纽工程是长江上具有防洪、发电、航运等综合效益的水利水电工程，左、右岸电站厂房共安装2 6 台单机容量为7 0 0 1 l W 的混流式水轮发电机组，均采用单机单管供水机组引水压力钢管内径为1 2 ．4 m ，最大设计工作水头1 7 S m 压力钢管设计特征值H D = 2 1 7 0 m 2 ，或者P D 值为2 1 ．7X1 0 3 k g f ／c m ，在世界上已建成的电站同类机组中是最大的。

压力钢管设计采用钢衬钢筋砼联合受力结构，压力钢管的材质和壁厚自上而下分为坝内埋管段、上弯段、斜直段( 材质为1 6 M n R ，板厚为 2 6 - - - 3 4 m ) 、下弯段及下平段( 材质为6 0 k g f ／m m 2 级S U M I T E N 6 1 0 F 调质钢，板厚3 4 - - 5 4 衄) 每条钢管由6 8 个管节组焊而成，其制作安装工程量为1 4 5 4 ．5 9 1 吨每条压力钢管纵缝总长度约3 8 0 m ，环缝总长度约2 7 5 0 m ，加劲环及阻水环等的角焊缝总长度约3 8 8 0 m ，即每条压力钢管的累计焊缝长度约7 0 1 0 米重量和结构尺寸如此庞大的三峡压力钢管在工地组圆、焊接纵缝( 制造管节) 、管节加长、焊接环封横焊，然后把管节运输吊装到安装位置，调整固定，焊接安装环缝现场环缝焊接施工环境差、作业条件恶劣、焊接位置复杂多变、对口质量难以保证、结构尺寸大、散热速度快、现场工作量大、质量要求高为三峡压力钢管制定一套科学的焊接施工方案是三峡建设者所面临的重大挑战1 压力钢管焊接技术现状圈1 三峡机组右厂1 5 # ～2 ∞压力钢管布置图压力钢管的制作包括制作场的拼装和压力钢管安装现场的总装。

在制作场里，首先用卷板机将钢板卷成弧形，然后将已卷成弧形的几块瓦片立放在钢下台上对好焊成一节钢管，然后将两节钢管对接焊成一大节钢管( 见图1 ) 在这里，焊接中的焊缝有两种：一种是由瓦片( 弧形钢板) 拼焊成钢管时的立焊缝见图l 的焊缝1 ，其焊接工作量约占压力钢管焊接总工作量的3 0 ％) ；另一种是两节钢管在制作场对接焊接的环缝( 见图l 的焊缝2 ) 在制作场它是横缝，而在压力钢管安装现场它就 是全周长环缝．1 4 1目前国内压力钢管焊接6 0 ％一8 0 ％的工程量仍依靠手工电弧焊完成，焊接生产率低，劳动强度大，作业条件差，生产成本高其中钢管拼装场的钢管纵缝大都采用埋弧自动焊( S A W ) 和手工电弧焊技术，但在直径由≥8 m 的压力钢管上埋弧自动焊的应用受到限制安装环缝全位置焊接，9 5 ％以上仍采用手工电弧焊完成，只有少数电站( 如岩滩电站、五强溪电站及隔河岩电站) 从国外引进设备和材料少量应用半自动气体保护焊技术针对水电工程建设的焊接技术落后于国家建设需要之现状，国内许多高等院校、科研院所及众多施工单位的广大焊接工作者对此十分关注和热心，近几年也做了许多研究工作，并取得了很大的进展。

很多成果在三峡工程中都得到了实际应用国外水电站压力钢管焊接尽量采用高效率焊接方法，图2 制作场制作的压力钢管以便缩短工期，降低成本日本、美国在制作场除广泛使用S A W 技术外，还选用半自动或自动立焊技术，以及F C A W 方法，而安装环缝的焊接仍以S M A W 为主但自上世纪七十年代以来，从未间断过安装环缝的自动化焊接技术的开发研究如日本在新车根、奥吉野、五原等水电站都使用了M A G 全位置自动焊接技术，还有A A W - T I G 全位置自动焊接技术日本尽管有的电站曾采用过上述两种全位置自动焊接技术，但其直径都小于8 m ，美国在吉力( 二) 电站的l O 条直径为1 1 ．4 l n 的压力钢管的安装环缝上采用的仍然是手工电弧焊这表明，大直径厚壁压力钢管采用自动化的全位置焊接技术 仍然是世界性的技术难题 2 自动焊系统的选择三峡水电站大直径引水压力钢管的直径为1 2 ：4 米，现在还没有这么大直径的成品钢管要满足压力钢管焊接的需要，要求自动焊系统能够同时适应制作场和安装现场的技术要求，实现全位置自动焊接经过认真考察，选用美国B L E Y - O 公司全位景自动焊接机构( 实际焊接中也使用了E S A B 的焊接小车) 。

A )3 焊接工艺的比较 ●大直径压力钢管的自动焊接，目前常用的工艺有自保护药芯焊丝、气保护药芯焊丝、实芯焊丝 M A G 焊( 普通气保焊) 和实芯焊丝的脉冲气保焊工艺等自保护药芯焊丝在药芯成份中含有造渣剂、稳弧剂、脱氧剂、合金剂以外，还有造气剂( C a C O 和石墨) 、金属蒸气保护剂( M g 和A I - M g 合金) 、氮化物形成元素( A I 和N i ) 药粉大部分属T i 型1 4 2酸性渣系，碱性渣系极少国内岩滩和隰河岩使用了美国林肯N R 2 0 3 N i I ％焊丝，从工艺评定试验结果看出，其韧性、塑性值较低，搞裂性较差从操作施焊时可见飞溅多( 颗粒大且不易清除) ，烟尘大，易出气孔其唯一的优点是设备简单，操作方便，不易受风的影响( 允许风速1 2 m ／s ) ·气保护药芯焊丝是在吸收焊条和实芯焊丝优点的基础上发展起来的一种气渣联合保护的新型焊丝，广泛应用于焊接低碳钢、低合金高强钢采用药芯焊丝可显著改善电弧工艺性能，提高熔敷效率，降低焊接成本药芯焊丝气保焊与实芯焊丝C 如焊相比，它的飞溅小，不易堵塞焊嘴C 0 2 气体保护型药芯焊丝具有优良的工艺性能和熔敷金属力学性能，而一般的C O z 实芯焊丝不仅飞溅大，焊缝表面成型差，其熔敷金属力学性能也很差，大量的试验也证实了这一点。

国内外目前生产的气保护药芯焊丝大部分属于T i 型酸性渣系氧化性很大，焊缝金属冲击韧性低，只适用于一般碳钢及低合金钢焊接这类焊丝电弧稳定，气孔敏感性小，脱渣好，容易操作，但扩散氢含量高，焊接施工中C o 气孔及氢致冷裂纹的倾向性增大，只适用于一般钢结构焊接为了防止熔敷金属中扩散氢含量过高，及焊缝表面产生麻点斑痕，因此对母材预热温度及层间温度都提出了一定的要求气保护实芯焊丝大部分采用富氨保护，因此焊缝金属的韧性、塑性好，可用于重要结构的焊接药芯焊丝均为钛型酸性渣系焊丝，其焊缝熔敷金属扩散氢含量一般为8 “ ．' l O m l ／l O O g 左右，而实芯焊丝富氨气体保护电弧焊焊缝熔敷金属扩散氢含量一般在0 ．5 m l ／1 0 0 9 以下，远远低于药芯焊丝气保焊合理选择焊接方法及焊接材料是获得优质焊接接头的基础由于三峡压力钢管的重要性，以及对其焊接接头性能提出的严格要求，最终选定了三峡压力钢管自动焊接采用实芯焊丝富氩混合气体保护并配脉冲逆变焊接电源的焊接方案4 脉冲气保焊的应用4 ．1 脉冲气保焊特点熔化极气保焊熔滴过渡有滴状过渡、喷射过渡和短路过渡等几种方式【l 】射流过渡是喷射过渡的主要形式，这种方式过渡频率较高，熔滴尺寸小，电弧稳定并且焊缝成型较好。

要实现射流过渡，焊接电流必须要达到射流过渡的临界电流值熔化极脉冲气保焊，其脉冲波形的主要参数有：基值电流I b ，脉冲电流I p ，脉冲保持时间t p 和脉冲频率邱等，如图3 ，正确选择和组合这些参数，就可以在稳定电弧、控制焊缝成形及限制热输入等方面获得良好效果冈基值电流的作用是维弧，同时预热焊丝和母材脉冲电流是决定脉冲能量的重要因素，脉冲电流值必须大于临界射流电流值才能保证在较低的平均电流下实现射流过渡但是脉冲电流值不是固定不变的，它是随着脉冲持续时间及基值电流的变化而变化脉冲气保焊的主要优点是具有较宽的电流调节范围，焊接过程稳定、无飞溅、可实现低线能量焊接，适合全位置焊和多种有色金属的焊接目前国内比较常见的有芬兰 K E M P P I 公司生产的K e m p p iP r o 系列和奥地利F R O N I U S 公司生产的T R A N S P U L SS Y N E R G I C 系列 和国产T I M EA l l 0 ．5 0 0 P 系列等，试验采用的焊接电源是K c m p p iP r o5 2 0 0 4 ．2 焊接工艺参数试验用母材为1 6 1 v l n R ，6 = 3 0 m m 。

由于压力钢管的钢板较厚，压力钢管的立缝开成双面x 型坡t ：l ^ ( 坡l ：I 形式见图4 ) 焊接方向由下向上，焊前要将坡E l 打磨至金属光泽为了保证焊透，采用半 自动M A G 焊( 非脉冲) 打底，正面的其它层采用自动焊( 脉冲M A G ) ，层问要清理氧化皮钢板的预热温度为8 0 ℃～1 0 0 ℃，层间温度8 0 C , - - , 2 3 0 3 2 ，消氢热处理2 0 0 ℃～2 5 0 ℃，冷却方式为自然冷却背部采用碳弧气刨清根，然后打磨成U 型，然后由自动焊焊接自动焊采用摆动方式，摆动幅度一 4 9 0M p a ) 结论为合格：在．2 0 ℃下进行冲击试验，数据见表2 ，冲击值均高于2 7 A K v ／J ，结论为合格；洛氏硬度 试验的数据见表3 ，焊缝区、热影响区和母材的硬度测试值均小于3 0 0 H V ，结论为合格表2 冲击韧性试验数据试样编号试验温度／℃缺口位置缺口形式冲击值＆√J试验结论S X S G - O I．2 0焊缝V2 6 0 ，2 7 6 ，2 7 8合格S X S G - 0 1．2 0热影响区V1 5 2 ，1 5 2 ，1 0 8合格表3 硬度试验单位：H v试样编号焊缝热影响区母材试验结论l #2 0 6 、2 0 6 、2 0 61 8 3 ，2 2 9 、2 3 6 、2 1 2 ，2 3 2 ，2 1 01 6 4 、1 6 8 、1 5 8 、1 6 1合格2 #2 6 0 、2 6 2 、2 5 72 0 1 ，2 2 3 ，2 3 6 ，2 3 4 ，2 3 4 ，2 1 61 6 1 、1 9 2 、1 6 2 、1 6 6，合格3 #2 0 1 、2 0 4 、2 0 21 9 9 ，2 2 9 、2 3 6 ，2 1 8 ，2 1 2 、1 9 01 5 6 、1 6 4 、1 5 6 、1 5 6合格5 经济效益分析通过大量的工艺试验和评定，自动立焊、自动横焊及自动平角焊已在三峡二期压力钢管制造施工中得到了广泛的应用，全位置自动焊工艺在安装现场环缝焊接也实现了成功应用。

和手工电弧焊相比，立缝自动焊的生产效率提高了2 1 3 倍，减低成本3 6 ％；自动横焊生产效率提高4 ．2 倍，节减低成本4 2 ％；自动平角焊( 加强筋) 生产效率提高了5 倍，降低成本4 3 ％自动焊技术的应用，大大缩短T I 期，保证了焊接质量( 全位置自动焊焊缝外观成型好，提高焊缝无损检测的一次合格率， 平均一次合格率可达9 9 ％以上) ，为施工企业带来了巨大的社会效益和经济效益 6 结论( 1 )大直径厚壁压力钢管采用全位置自动焊接技术仍然是世界性的技术难题，三峡压力钢管采用全位置自动焊技术在国内水电工程建设中实现 了技术突破，增强了旖工企业的核心竞争力；( 2 )脉冲M A G 工艺结合自动焊技术改善了焊缝成型，提高了焊接质量，满足了焊缝区低温冲击韧性的要求：( 3 ) 在三峡压力钢管制造安装工程中。