摘 要：三峽1～6#機無伸縮節(jié)的壓力鋼管，*一條合攏焊縫是高強調質鋼厚板在強約束條件下的焊接，技術難度很大。但經(jīng)過試驗研究制定出合理的焊接工藝，施工前準備工作充分，現(xiàn)場嚴格按工藝執(zhí)行。實踐證明，合攏縫采用對接式接頭是可行的。
關鍵詞：壓力鋼管； 合攏縫； 焊接； 三峽工程
1 概述
1.1 壓力鋼管布置
三峽水利樞紐電站壩后式廠房壓力鋼管直徑12.4 m，由上至下分為上斜段、上彎段、斜直段、下彎段、下平段和廠內段，長122.797 m。下平段和廠內段按明管設計，其中左廠7-14#壓力鋼管下平段布置有伸縮節(jié)；1-6#壓力鋼管取消了伸縮節(jié)，用10 m長墊層管來適應廠壩間的鋼管位移，此處鋼管按彈性墊層管設計。為了使下彎段與下平段間受力明確，在彈性墊層管上游端設置了三道止推環(huán)，經(jīng)10 m彈性墊層管及1.22 m延伸段鋼管與蝸殼進口端連接。本文主要討論1～6#機無伸縮節(jié)壓力鋼管*一條合攏焊縫的焊接。
1.2 湊合節(jié)安裝的施工難點
無伸縮節(jié)壓力鋼管與蝸殼焊接合攏時，蝸殼外圍的混凝土和通過主廠房上游墻內穿墻管的外圍混凝土均已澆筑完成，合攏焊縫是在強約束條件下施焊。眾所周知，高強調質鋼厚板的強約束焊接技術難度很大，會產(chǎn)生很大的焊接應力和變形，曾有個別工程出現(xiàn)裂縫和座環(huán)混凝土拉裂的問題。
為此，如何借鑒已建工程的成功經(jīng)驗，解決三峽壓力鋼管湊合節(jié)合龍焊縫焊接問題，選擇適宜的焊縫形式和確定正確的焊接工藝，將是三峽壓力鋼管施工成功的關鍵技術之一。
鑒于上述原因，1～6#壓力鋼管湊合節(jié)合攏焊縫在正式施工前，三峽總公司特委托水電八局三峽機電制造安裝項目部模擬現(xiàn)場焊接工況，進行焊接試驗和研究，為合攏焊縫接頭選型提供依據(jù)，同時擬定出切實可行的焊接施工工藝。
1.3 湊合節(jié)鋼管的材質
蝸殼打壓，割除焊縫熱影響區(qū)后鋼管合攏段總長2 700 mm。合攏段由兩個管節(jié)組成，其中標準管節(jié)長1 800 mm，湊合節(jié)長900 mm。鋼管管壁材質為NK-HITEN610U2，厚度60 mm，系高強度調質鋼，其化學成份及機械物理性能指標見表1。
2 焊接試驗
2.1 試驗內容
本試驗為了模擬施工工況，在厚板中間開窗口，兩側加筋板，將試板兩端焊在窗口上，分別進行搭接與對接兩種接頭形式試驗，試板布局示意圖見圖1、圖2。
試驗過程中測定試板焊接過程產(chǎn)生的拘束應力。焊后測量焊縫的殘余應力，利用超聲波及射線探傷來判斷焊縫是否產(chǎn)生裂紋。對焊接接頭的機械性能分兩種情況處理：對接接頭用常規(guī)試驗（拉伸、彎曲、沖擊、硬度）進行檢驗，搭接接頭通過疲勞試驗進行檢驗。為了對搭接接頭性能有較為全面的了解，本試驗對不同參數(shù)的角焊縫焊趾及焊根的應力集中系數(shù)進行有限元分析計算。
2.2 對接試驗
2.2.1 試板焊接
所有試驗用板材是NK-HITEN610U2，焊接材料為MK.J607RH，規(guī)格為3.2，4.0，對接試板總長2 000 mm，寬560 mm，厚度為56 mm；3組試板分3種坡口間隙，分別是10 mm、6 mm、3 mm。對接試板坡口形式見圖3，焊接主要參數(shù)見表2。
G-1試板全部采用3.2的焊條焊完，由于試板間隙大，焊接時先采用沿坡口側壁全面堆焊，然后采用多層多道焊接。G-2、G-3試板焊接時，正反面前三層及蓋面采用3.2的焊條，其余用4.0的焊條焊成，3.2的焊條焊接電流為95～140 A，4.0的焊條使用焊接電流為160～195 A。3副試板均進行150～180℃×2 h后熱處理。焊接順序是焊完大坡口側60%左右，背面清根，焊完背面再焊大坡口側。
2.2.2 試驗結果分析
對接試驗主要數(shù)據(jù)歸納見表3。
①在試驗過程中焊縫沒有拉裂，經(jīng)UT和RT檢驗焊縫質量合格；
②解除約束后焊縫的自由收縮量為2.73 mm；
③間隙10 mm的對接試件比3 mm、6 mm試件拘束應力有明顯增加，間隙6 mm和3 mm試件拘束應力差別不明顯。
④焊縫本應收縮4.9 mm左右，但在拘束的條件下：①因剛性較大，窗口承擔了0.63 mm的拉伸變形，變形很小，意味著基本上對座環(huán)影響不大；②試板承擔了（2.73~0.63）mm拉伸變形。
⑤試驗表明拘束應力及變形均在彈性范圍內。而實際鋼管的相對自由段總長為10m，遠大于試板長度，由此可判定實際鋼管的拘束應力遠小于試驗條件下的拘束應力。
2.3 搭接試驗
2.3.1 搭接試板焊接
搭接試板采用搭接板和基板之間1 mm、4 mm兩種間隙進行試驗，有4組試板，其中兩組試板沒有使用U形卡具，間隙控制較差，另兩組用U卡具進行了固定。試板的焊接順序是：4條角焊縫先后次序為兩焊工先將一端兩角焊縫焊完，再焊另一端兩角焊縫。
2.3.2 試驗結果分析
①搭接試板平均拘束應力1 mm間隙是58 MPa，4 mm間隙是61 MPa，拘束應力很小。
②對搭接試板焊后進行了拉伸疲勞試驗，從疲勞試驗結果看，由于焊趾處應力集中嚴重，所以，焊趾處*開裂，屬于低周疲勞。對應200 MPa的應力下，疲勞壽命*為5 099次，大于設計要求的1000次。對應應力44.44 MPa的*疲勞壽命為133 620次。試驗表明搭接板與基板之間間隙對疲勞沒有明顯的影響。但是，在焊接前為了保證搭接板與基板之間的間隙而采取了強制性措施（如通過U形卡固定）的試板，其疲勞壽命下降很多，甚至不到?jīng)]強制控制間隙試板的一半。
③有限元計算表明，搭接接頭內側焊縫焊趾處應力集中系數(shù)大于外側焊縫焊趾處的應力集中系數(shù)，焊趾處的應力集中系數(shù)遠遠大于焊根處應力集中系數(shù)。計算表明外側接頭焊趾處主應力集中系數(shù)在6左右，內側焊趾處主應力集中系數(shù)在9左右。應力集中系數(shù)結果見表4。
3 4#機壓力鋼管下平段湊合節(jié)合攏縫的焊接
通過上述接頭試驗，綜合考慮現(xiàn)場施工條件和國內水電工程實踐經(jīng)驗，*決定湊合節(jié)合攏焊縫采用對接接頭，在焊接過程中錘擊焊縫，以減少拘束應力。試驗結果表明：錘擊焊縫后拘束應力、焊縫收縮、試板變形等均下降25%左右，對機械性能沒有影響。
根據(jù)上述試驗，特制定了現(xiàn)場實際施工時的焊接工藝和錘擊消應工藝，并嚴格按工藝執(zhí)行。以4#機合攏縫為例，簡述1～6#機合攏焊縫的實際焊接情況。
3.1 現(xiàn)場焊接的主要焊接工藝
湊合節(jié)合攏環(huán)縫周長為39.144 m，由10名焊工分10段對稱焊接。坡口間隙要求≤3 mm，間隙過大的對坡口面進行了堆焊，并保持間隙均勻；對于坡口面的清理要求打磨至金屬光澤，還應保證表面平滑。
焊接順序是：總體順序為焊完大坡口側60%左右，背面清根，焊接背面小坡口側，小坡口側留兩層不焊，待焊完大坡口側以后，*焊完小坡口側。其中正、反面前3層（含打底層）及蓋面采用3.2的焊條，其余用4.0的焊接焊成。3.2的焊條焊接電流為110～140 A，4.0的焊條適用電流為160～185 A。焊接完成后，立即進行150～180℃×2 h后熱消氫處理。焊接工藝參數(shù)均與試驗時一致。
3.2 錘擊工藝及要求
①錘擊由專人實施，1個焊工配1個人錘擊，錘擊過程由技術（質檢）員進行監(jiān)督。
②錘擊采用C6型風鏟，將風鏟釬頭磨成R=5 mm的球狀圓頭。
③氣源壓力應能確保風鏟工作壓力在0.63 MPa（額定壓力）左右。（注：管路各氣壓損耗約0.2 MPa）
④在分段焊接的每1小段里，除打底和蓋面層外，每焊1層進行錘擊，錘至表面光亮為止。
3.3 施工監(jiān)測結果和分析
4#機合攏焊縫及鋼管變位測量、軸向拘束應力測量數(shù)據(jù)見表5。
表5中焊縫平均收縮量為4.90 mm；鋼管拉出墻的量表示鋼管在軸向拘束應力作用下產(chǎn)生彈性變形時，鋼管測點相對于混凝土墻的變位，表中取平均值；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示在蝸殼端離合攏縫分別為700、900、1100mm距離的圓截面，應力測試按截面圓周的鐘點位置布點，括弧內數(shù)值表示鐘點位置，對應的數(shù)據(jù)表示應力值。座環(huán)經(jīng)全站儀工業(yè)測量系統(tǒng)全過程監(jiān)測沒有變位。
上述數(shù)據(jù)表明：焊縫收縮比試驗時大將近2心mm，這是因為合攏焊縫的拘束度遠遠小于試驗焊縫的拘束度。所以拘束應力也小很多，試驗的平均拘束應力是170 MPa（3 mm間隙），現(xiàn)場焊接時平均拘束應力是67 MPa。
3.4 焊縫內部質量控制
合攏縫焊接過程中除進行一系列監(jiān)測以外，其焊縫內部也進行了嚴格的控制，焊接過程中背面清根后進行了干粉MT檢測，檢查是否存在表面裂紋，及時發(fā)現(xiàn)焊縫缺陷。焊接結束后，對39.144 m長的合攏環(huán)縫進行了*的UT檢測和50%的RT檢測，其中UT探傷一次合格率為99.0%，RT探傷一次合格率為*。
4 結論
1～6#無伸縮節(jié)壓力鋼管合攏焊縫的焊接，雖然在強拘束條件下施焊，而高強度調制鋼厚板的強拘束焊接技術難度很大，但經(jīng)過試驗研究制定出合理的焊接工藝，施工前準備工作充分，現(xiàn)場嚴格按工藝執(zhí)行。實踐證明，合攏縫采用對接式接頭是可行的。
作者：*三峽總公司金結檢測中心 程 惠
關鍵詞：壓力鋼管； 合攏縫； 焊接； 三峽工程
1 概述
1.1 壓力鋼管布置
三峽水利樞紐電站壩后式廠房壓力鋼管直徑12.4 m，由上至下分為上斜段、上彎段、斜直段、下彎段、下平段和廠內段，長122.797 m。下平段和廠內段按明管設計，其中左廠7-14#壓力鋼管下平段布置有伸縮節(jié)；1-6#壓力鋼管取消了伸縮節(jié)，用10 m長墊層管來適應廠壩間的鋼管位移，此處鋼管按彈性墊層管設計。為了使下彎段與下平段間受力明確，在彈性墊層管上游端設置了三道止推環(huán)，經(jīng)10 m彈性墊層管及1.22 m延伸段鋼管與蝸殼進口端連接。本文主要討論1～6#機無伸縮節(jié)壓力鋼管*一條合攏焊縫的焊接。
1.2 湊合節(jié)安裝的施工難點
無伸縮節(jié)壓力鋼管與蝸殼焊接合攏時，蝸殼外圍的混凝土和通過主廠房上游墻內穿墻管的外圍混凝土均已澆筑完成，合攏焊縫是在強約束條件下施焊。眾所周知，高強調質鋼厚板的強約束焊接技術難度很大，會產(chǎn)生很大的焊接應力和變形，曾有個別工程出現(xiàn)裂縫和座環(huán)混凝土拉裂的問題。
為此，如何借鑒已建工程的成功經(jīng)驗，解決三峽壓力鋼管湊合節(jié)合龍焊縫焊接問題，選擇適宜的焊縫形式和確定正確的焊接工藝，將是三峽壓力鋼管施工成功的關鍵技術之一。
鑒于上述原因，1～6#壓力鋼管湊合節(jié)合攏焊縫在正式施工前，三峽總公司特委托水電八局三峽機電制造安裝項目部模擬現(xiàn)場焊接工況，進行焊接試驗和研究，為合攏焊縫接頭選型提供依據(jù)，同時擬定出切實可行的焊接施工工藝。
1.3 湊合節(jié)鋼管的材質
蝸殼打壓，割除焊縫熱影響區(qū)后鋼管合攏段總長2 700 mm。合攏段由兩個管節(jié)組成，其中標準管節(jié)長1 800 mm，湊合節(jié)長900 mm。鋼管管壁材質為NK-HITEN610U2，厚度60 mm，系高強度調質鋼，其化學成份及機械物理性能指標見表1。
2 焊接試驗
2.1 試驗內容
本試驗為了模擬施工工況，在厚板中間開窗口，兩側加筋板，將試板兩端焊在窗口上，分別進行搭接與對接兩種接頭形式試驗，試板布局示意圖見圖1、圖2。
試驗過程中測定試板焊接過程產(chǎn)生的拘束應力。焊后測量焊縫的殘余應力，利用超聲波及射線探傷來判斷焊縫是否產(chǎn)生裂紋。對焊接接頭的機械性能分兩種情況處理：對接接頭用常規(guī)試驗（拉伸、彎曲、沖擊、硬度）進行檢驗，搭接接頭通過疲勞試驗進行檢驗。為了對搭接接頭性能有較為全面的了解，本試驗對不同參數(shù)的角焊縫焊趾及焊根的應力集中系數(shù)進行有限元分析計算。
2.2 對接試驗
2.2.1 試板焊接
所有試驗用板材是NK-HITEN610U2，焊接材料為MK.J607RH，規(guī)格為3.2，4.0，對接試板總長2 000 mm，寬560 mm，厚度為56 mm；3組試板分3種坡口間隙，分別是10 mm、6 mm、3 mm。對接試板坡口形式見圖3，焊接主要參數(shù)見表2。
G-1試板全部采用3.2的焊條焊完，由于試板間隙大，焊接時先采用沿坡口側壁全面堆焊，然后采用多層多道焊接。G-2、G-3試板焊接時，正反面前三層及蓋面采用3.2的焊條，其余用4.0的焊條焊成，3.2的焊條焊接電流為95～140 A，4.0的焊條使用焊接電流為160～195 A。3副試板均進行150～180℃×2 h后熱處理。焊接順序是焊完大坡口側60%左右，背面清根，焊完背面再焊大坡口側。
2.2.2 試驗結果分析
對接試驗主要數(shù)據(jù)歸納見表3。
①在試驗過程中焊縫沒有拉裂，經(jīng)UT和RT檢驗焊縫質量合格；
②解除約束后焊縫的自由收縮量為2.73 mm；
③間隙10 mm的對接試件比3 mm、6 mm試件拘束應力有明顯增加，間隙6 mm和3 mm試件拘束應力差別不明顯。
④焊縫本應收縮4.9 mm左右，但在拘束的條件下：①因剛性較大，窗口承擔了0.63 mm的拉伸變形，變形很小，意味著基本上對座環(huán)影響不大；②試板承擔了（2.73~0.63）mm拉伸變形。
⑤試驗表明拘束應力及變形均在彈性范圍內。而實際鋼管的相對自由段總長為10m，遠大于試板長度，由此可判定實際鋼管的拘束應力遠小于試驗條件下的拘束應力。
2.3 搭接試驗
2.3.1 搭接試板焊接
搭接試板采用搭接板和基板之間1 mm、4 mm兩種間隙進行試驗，有4組試板，其中兩組試板沒有使用U形卡具，間隙控制較差，另兩組用U卡具進行了固定。試板的焊接順序是：4條角焊縫先后次序為兩焊工先將一端兩角焊縫焊完，再焊另一端兩角焊縫。
2.3.2 試驗結果分析
①搭接試板平均拘束應力1 mm間隙是58 MPa，4 mm間隙是61 MPa，拘束應力很小。
②對搭接試板焊后進行了拉伸疲勞試驗，從疲勞試驗結果看，由于焊趾處應力集中嚴重，所以，焊趾處*開裂，屬于低周疲勞。對應200 MPa的應力下，疲勞壽命*為5 099次，大于設計要求的1000次。對應應力44.44 MPa的*疲勞壽命為133 620次。試驗表明搭接板與基板之間間隙對疲勞沒有明顯的影響。但是，在焊接前為了保證搭接板與基板之間的間隙而采取了強制性措施（如通過U形卡固定）的試板，其疲勞壽命下降很多，甚至不到?jīng)]強制控制間隙試板的一半。
③有限元計算表明，搭接接頭內側焊縫焊趾處應力集中系數(shù)大于外側焊縫焊趾處的應力集中系數(shù)，焊趾處的應力集中系數(shù)遠遠大于焊根處應力集中系數(shù)。計算表明外側接頭焊趾處主應力集中系數(shù)在6左右，內側焊趾處主應力集中系數(shù)在9左右。應力集中系數(shù)結果見表4。
3 4#機壓力鋼管下平段湊合節(jié)合攏縫的焊接
通過上述接頭試驗，綜合考慮現(xiàn)場施工條件和國內水電工程實踐經(jīng)驗，*決定湊合節(jié)合攏焊縫采用對接接頭，在焊接過程中錘擊焊縫，以減少拘束應力。試驗結果表明：錘擊焊縫后拘束應力、焊縫收縮、試板變形等均下降25%左右，對機械性能沒有影響。
根據(jù)上述試驗，特制定了現(xiàn)場實際施工時的焊接工藝和錘擊消應工藝，并嚴格按工藝執(zhí)行。以4#機合攏縫為例，簡述1～6#機合攏焊縫的實際焊接情況。
3.1 現(xiàn)場焊接的主要焊接工藝
湊合節(jié)合攏環(huán)縫周長為39.144 m，由10名焊工分10段對稱焊接。坡口間隙要求≤3 mm，間隙過大的對坡口面進行了堆焊，并保持間隙均勻；對于坡口面的清理要求打磨至金屬光澤，還應保證表面平滑。
焊接順序是：總體順序為焊完大坡口側60%左右，背面清根，焊接背面小坡口側，小坡口側留兩層不焊，待焊完大坡口側以后，*焊完小坡口側。其中正、反面前3層（含打底層）及蓋面采用3.2的焊條，其余用4.0的焊接焊成。3.2的焊條焊接電流為110～140 A，4.0的焊條適用電流為160～185 A。焊接完成后，立即進行150～180℃×2 h后熱消氫處理。焊接工藝參數(shù)均與試驗時一致。
3.2 錘擊工藝及要求
①錘擊由專人實施，1個焊工配1個人錘擊，錘擊過程由技術（質檢）員進行監(jiān)督。
②錘擊采用C6型風鏟，將風鏟釬頭磨成R=5 mm的球狀圓頭。
③氣源壓力應能確保風鏟工作壓力在0.63 MPa（額定壓力）左右。（注：管路各氣壓損耗約0.2 MPa）
④在分段焊接的每1小段里，除打底和蓋面層外，每焊1層進行錘擊，錘至表面光亮為止。
3.3 施工監(jiān)測結果和分析
4#機合攏焊縫及鋼管變位測量、軸向拘束應力測量數(shù)據(jù)見表5。
表5中焊縫平均收縮量為4.90 mm；鋼管拉出墻的量表示鋼管在軸向拘束應力作用下產(chǎn)生彈性變形時，鋼管測點相對于混凝土墻的變位，表中取平均值；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示在蝸殼端離合攏縫分別為700、900、1100mm距離的圓截面，應力測試按截面圓周的鐘點位置布點，括弧內數(shù)值表示鐘點位置，對應的數(shù)據(jù)表示應力值。座環(huán)經(jīng)全站儀工業(yè)測量系統(tǒng)全過程監(jiān)測沒有變位。
上述數(shù)據(jù)表明：焊縫收縮比試驗時大將近2心mm，這是因為合攏焊縫的拘束度遠遠小于試驗焊縫的拘束度。所以拘束應力也小很多，試驗的平均拘束應力是170 MPa（3 mm間隙），現(xiàn)場焊接時平均拘束應力是67 MPa。
3.4 焊縫內部質量控制
合攏縫焊接過程中除進行一系列監(jiān)測以外，其焊縫內部也進行了嚴格的控制，焊接過程中背面清根后進行了干粉MT檢測，檢查是否存在表面裂紋，及時發(fā)現(xiàn)焊縫缺陷。焊接結束后，對39.144 m長的合攏環(huán)縫進行了*的UT檢測和50%的RT檢測，其中UT探傷一次合格率為99.0%，RT探傷一次合格率為*。
4 結論
1～6#無伸縮節(jié)壓力鋼管合攏焊縫的焊接，雖然在強拘束條件下施焊，而高強度調制鋼厚板的強拘束焊接技術難度很大，但經(jīng)過試驗研究制定出合理的焊接工藝，施工前準備工作充分，現(xiàn)場嚴格按工藝執(zhí)行。實踐證明，合攏縫采用對接式接頭是可行的。
作者：*三峽總公司金結檢測中心 程 惠
