中国水利水电第六工程局有限公司 辽宁沈阳
摘要:辽宁清原抽水蓄能电站引水系统下斜井及高压支管段采用800MPa级高强钢，为了更好的了解其焊接工艺特性，本文主要对800MPa级高强钢焊接工艺进行分析与研究
关键词: 800MPa级高强钢 压力钢管 焊接工艺
1.工程概况
辽宁清原抽水蓄能电站位于辽宁省清原满族自治县北三家乡境内，输水系统由引水系统和尾水系统两部分组成，总长约为3899.2m。输水系统均用一洞两机的布置形式，共有三套独立的输水系统。输水系统采用由主管、岔管和支管组成，总量约为2.8万t，钢管材质主要为500MPa级、600MPa级、800MPa级钢板，钢板厚度范围为26mm~62mm，钢管管径为φ6.8m~φ2.5m。每个标准节长度为3m，其中800MPa级压力钢管约8045吨，上述压力钢管制作均在现场钢管加工厂进行制作。为了不影响工程的整体施工计划，压力钢管在制作中，将两个标准节组焊成一大节。800MPa级压力钢管制作作为重要施工环节，特别是焊接工艺更是施工中的重点和难点。
2.试验材料及焊接设备
2.1钢材
800MPa级钢板化学成分及力学性能和工艺性能参数如下表所示：
表2.1-1 800MPa级钢板化学成分
.png)
注：当钢板厚度≤80mm，Ni含量≥0.7%；当钢板厚度80mm＜δ≤100mm，Ni含量≥0.9%；
表2.1-2 800Mpa级钢板的力学性能和工艺性能
.png)
2.2焊接材料
本工程800MPa级钢板选用焊材为低合金高强钢用埋弧焊丝XY-S80A配氮碱型烧结焊剂XY-AF8OSD，焊剂呈浅灰色球形颗粒状，粒度12~50目。焊丝脱渣容易并且焊缝金属S、Р含量低，具有优良的低温冲击韧性和抗裂性。主要用于抽水储能、大型水电站800MPa级高强钢压力管道焊接。也适用于船舶、桥梁等行业。焊剂在使用前，进行烘干处理，烘干温度为350℃，烘干2h后方可使用。
2.3焊接设备
选用焊接设备为MZ-1250EM20埋弧焊，包含埋弧焊直流电源、埋弧焊交流电源、埋弧焊焊车、电缆、导轨四部分。
双丝埋弧焊选用交直流搭配型，有效减少了焊接过程中出现磁偏吹现象，并且焊机有过热保护、过流保护、欠压保护等等多种保护功能，可以有效防止焊机意外事故的发生。埋弧焊小车采用数字化显示，可以更加直观的观察焊接参数，还可以通过实际电流电压参数及时调整，也对管理人员监控提供方便并保证工程质量。
3.焊接工艺试验过程及结果
3.1试板坡口制备
对钢板厚度在34mm及以下时，采用“V"形坡口，钝边2mm；对钢板厚度在34mm~40mm区间时(含40mm)，采用“Y”形坡口，钝边厚度随着板厚增加而增大，取值区间为5mm~ 8mm；当钢板厚度大于40mm时，采用不对称“X"形坡口。下图为板厚44mm坡口示意图，
.png)
图3.1-1 坡口示意图
3.2焊接工艺试板焊接方法
本次焊接试验过程中，我们分别对800MPa级钢板进行了手工焊条电弧焊、埋弧焊焊接，手工焊条电弧焊主要针对于压力钢管制作加劲环对接接头焊接，埋弧焊主要用在压力钢管纵缝和环缝焊接中。
3.3焊接工艺试板焊接参数确定
本文中主要介绍双丝埋弧焊焊接参数，我们通过查阅资料、以及其他行业使用情况，并结合我们现场实际情况编写了焊接参数。下表为800MPa级钢板焊接工艺卡：
.png)
.png)
.png)
图4.1-1 焊缝宏观照片 图4.1-2 TOFD检测
4.试验结果分析及评定
4.1宏观检查
下图为现场试验焊缝，表面成型良好，焊缝余高也满足要求，焊缝和母材过渡良好，未发现咬边等缺陷。经自检探伤检测，在图谱中显示内部质量无缺陷，焊缝满足技术要求。
4.2力学性能试验（拉伸、弯曲 、冲击、应变）
表4.2-1 800MPa级钢板力学性能报告
.png)
结论：本评定按GB 50766-2012以及NB/T47014-2011规定焊接试件，检验试样、测定性能，确认试验记录正确。评定结果（合格、不合格）：合格
通过焊接工艺力学试验报告结果分析，试件经表面外观检查，超声、磁粉探伤全部合格；埋弧自动焊对接试件，其力学性能检测结果全部合格，检测成果符合相关规范要求，其焊接工艺参数可以作为压力钢管焊接工艺规程编制的依据。
5.双丝埋弧焊注意事项
1.电流电压关系
本电站中我们选用的埋弧焊机为双电极双丝，必须要将电流电压前后丝关系调整为最佳，前丝为大电流小电压，后丝为小电流大电压，前丝大电流的原因是先获得较大的熔深，后丝大电压，原因一：使熔池摊开，获得光滑过渡的焊缝，要是前后丝参数不匹配，焊缝极易出现波浪形尖角，从而影响焊缝美观程度，并且咬边等表面缺陷发生率大大提高。原因二：由于后丝为交流，交流特性曲线中有一零点，如果电压过小后，后丝极易出现断弧现象。
2.焊件倾斜角度对焊缝的影响
.png)
【1】
在试验中，试验板始终处于水平状态，但是在现场实际焊缝中可能会出现焊件倾斜状态，焊件倾斜后会出现两种情况，上坡焊、下坡焊，上坡焊会使熔池向焊接反方向流动，从而出现尖角型焊缝，下坡焊会使熔池向焊接方向流动，焊缝由两侧开始凝固，由于焊缝中间未及时凝固，并且处于下坡方向，这样会造成驼峰型焊缝，焊缝成型不好会造成力学性能达不到要求，从而留下安全隐患。所以在后续生产性焊接中要加强注意。
3.环境条件
在下述环境条件下,焊接部位应有可靠的防护屏障和保温措施才能进行焊接：
1.气体保护焊风速大于 2m/s,其他焊接方法风速大于8m/s。
2.相对湿度大于90%时。
3.雨雪环境，高强钢环境温度0℃以下。【2】
4.钢板预热及后热
首先预热装置选用陶瓷加热片装置，对母材没有伤害，最主要一点是能均匀加热母材，虽然加热片优点突出，但是我们还应注意预热时预热区的宽度应为焊缝中心线两侧各3倍板厚且不应小于100mm。应在距离焊缝中心各50mm处对称测量温度,而当板厚大于70mm时,应在距离焊缝中心各70mm处对称测量温度。预热温度处于80℃-150℃，每条焊缝测量点间距不应大于2m,且不应少于3对。800MPa级钢板还应进行后热处理，后热温度为150℃-200℃，保温时间不小于1h。
5.坡口清理
在焊接试验中，坡口必须打磨平滑且露出金属光泽，坡口内不允许出现其他可能造成缺陷的杂物，例如油污铁锈等杂物。
6.结束语
通过焊接工艺试验结果表明，拟定的焊接工艺中各项参数合理可行焊接接头力学性能良好，满足设计及规范的相关要求，双丝埋弧焊不仅效率提高，焊接质量也随之提升，本次焊接工艺研究为辽宁抽水蓄能电站后续大批量生产打下了坚实基础。
参考文献：
【1】实用焊接工艺手册第二版
【2】GB50766-2012
作者简介
岳强（1987-），男，高级工程师，主要从事水利水电工程施工工作。
钟华（1996-），男，助理工程师，主要从事水利水电工程施工工作。