水电站压力钢管的焊接技术及消应工艺探讨

摘要：近几年来，我国水电站压力管道发展速度快，在其安装过程中，焊接技术是其中最重要的一个环节，焊接技术的质量好坏对整个压力管道安装甚至是水电站的安全使用都具有直接影响。因此必须保证水电站压力管道在焊接时的施工质量，同时，在焊接过程中，由于钢材强度越来越高，对于焊接消应处理技术还不够完善，对此，本文通过新疆某水电站的压力钢管焊接技术和消应处理方法，做一些分析和探讨。

关键字：压力管道；焊接技术；消应处理；新疆

中图分类号:TV741 文献标识码：A

水利水电工程是我国的基础产业，对社会生产和人民生活有巨大影响。因此，水电站在结构设计和施工质量等方面就要非常严格。其中，压力钢管是水电工程的重要组成部分，在水电站的运用中，由于水流的不稳定，承受着非常大的内水压力，常因为钢管焊接质量而发生严重事故，对此，针对压力钢管承受水压特点，对钢管材质、焊接材料及焊接技术方面就要提出更高标准，保证水电站的安全使用。

一、国内外压力钢管焊接技术现状

目前，我国很多水电站压力钢管的焊接都使用传统、简单的手工焊，主要是手工电弧焊技术，只有少数的水电工程中会使用到埋弧焊技术，而压力钢管的全位置自动化焊接技术很少被使用。随着水电建设的进程加快，对于大直径厚壁压力钢管的焊接，就要采用新型的焊接技术才可以保证其质量，其中，全位置自动化的焊接技术就可以适应这种钢管施工需要。其次，在国外的焊接技术上，基本采用的是高效率的焊接技术，尤其是埋弧焊技术。但在环缝焊接中，仍然主要使用手工电弧焊。比如在德国的很多水电工程中，就使用熔化极氢弧焊的全位置自动焊接技术，但因为大直径厚壁压力钢管开发难度大，目前这种全位置焊接技术主要用于直径比较小的钢管。

二、新疆某水电站的压力钢管焊接技术和消应工艺分析

（一）、工程概况

新疆某水电站工程是一项具有灌溉、发电、防洪和改善生态等综合利用效益的大型水电站工程。该水电站中的第一座梯级水电站，也是该河唯一具有多年调节性能的控制性龙头水库。该水电站的压力钢管水头高150m，钢管板厚为20-40mm,重2280t，钢管直径为6m，PD值为6.5×104N/cm.引水管全长大约800m，由上弯段、下弯段、斜直段及三条支管和两个岔管组成。坡口的对接焊缝约为600m,角焊缝约为13000m，焊接工程量大，因而焊接质量的要求也就相对更高。

（二）、压力钢管焊接技术应用

2.1压力钢管材质

该水电站的压力钢管采用了国产HT60CF钢，这是国内自主研制开发的一种新型钢，在目前很多水电工程中普遍使用，2005年的三峡水电工程的12台机组蜗壳就采用了HT60CF钢，开启了全国水电站压力钢管使用国产钢管的一个新篇章。HT60CF钢的化学成分见表（3）：

表 1HT60CF钢化学成分

这种钢具有良好的韧性、塑造性和强度，其力学性能也符合国际上对低焊接冷裂敏感性钢的标准要求。

2.2焊接工艺

由于钢管管壁厚度为42-48mm，月牙肋坂厚度为74-88mm,为保证焊接质量，管壁在焊接时采用不对称的X型双面平焊、仰焊和立焊，肋板的对接处用对称的X型坡口双面立焊，管壁与肋板的焊缝焊接时使用坡口双面焊。由于肋板部位对于整个钢管焊接非常重要，故使用进口母材配套焊丝。受安装条件限制，除了在直管纵缝处使用气体保护焊，其他部分都使用手工电弧焊。

在钢管焊接完成后，需要用超声波探伤仪进行检测。安装环缝、岔管的总环缝、肋板对接焊缝、管壁与肋板间的对接和角接焊缝及所有管壁的纵缝处都要探伤检测，其中，钢管的一类焊缝，须使用100%的超声波探伤，钢管的二类焊缝，使用50%超声波探伤，对探伤出现的焊接残余应力就要采取措施消应。

（三）、焊接消应工艺过程

在水电站压力钢管焊接之后会产生焊接残余应力，这是因为焊接金属在焊接后冷却的过程中因收缩而受到相邻金属的限制，焊缝金属就会受到弹性拉伸，形成焊接残余应力，这些应力会对结构的承载能力存在隐患，因此，要对焊接残余应力采取消除措施。消除残余应力的方法有很多种，最常使用的有局部低温势处理技术、磁振动消除应力技术、热时效技术、爆炸法消除应力技术和TIG重熔技术。针对不同的焊接残余应力的参数不同，而采用不同的消除应力技术。

3.1焊接残余应力分析

根据焊接材质的厚度和尺寸及焊接热源传导的方式，将焊接热源分为三种：点状热源、面状热源和线状热源。在对热源形成的焊接温度场可用以下公式（1）算出：

公式（1）

其中，R是与热源间的距离。

根据引水压力钢管在焊接时的安装特点，取出其中任意一条环焊缝做一个坐标系，坐标原点要设在焊缝的中心位置（如图1），由这个坐标系产生对称于横向残余应力的σy和纵向残余应力σx.。

图（1）钢管焊接坐标

钢管是厚壁工件，就要采用多层多道焊方式，焊接之间的温度要控制在比预热温度高的基础上。由于在分析焊接残余应力时，当低碳钢的温度T高于700℃时,其σs=0.故计算焊接残余应力要以700℃作为起点,对各区域进行压缩变形,最后求出焊件在冷却后的残余应力.因此根据公式（1）及图（1），得出钢管焊接时的横向和纵向应力数据，见表（2）、表（3）：

表（3）纵向焊接残余应力

3.2消除焊接残余应力技术

对于本工程的压力钢管焊接技术过程中，焊趾缺陷成为其中最主要的一个缺陷，因此多采用TIG重熔工艺对焊缝进行处理修整，降低由于焊趾造成的应力现象，延长了钢管焊缝的寿命，同时TIG重熔工艺也改善了焊缝区的纵向和横向残余应力。可通过X射线方法进行测量，重熔前后的残余应力对比见表（4）：

表（4）重熔前后残余应力值比对

由表可知：TIG重熔工艺对于焊缝的横向残余应力有非常明显的改善，残余应力的绝对值有下降并趋于均匀。在纵向残余应力虽没有明显的改善，但也有一定效果。考虑到压力钢管的载荷特点和生产要求，TIG重熔技术可以缓和残余应力在横向方面的缺陷，有效的降低了焊接技术的质量损失，抑制焊接裂缝的发展，是对水电站压力钢管质量的有力保证。

结束语：

通过对水电站压力钢管焊接技术及消应处理的探析,为水电站压力管道建设提供了有力的帮助,使得焊接技术在水电站工程建设运用中更为完整,为工程的安全运行也提供了良好的保障。

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