彭水电站压力钢管主材(WDL610D钢)的焊接技术

彭水电站压力钢管主材（WDL610D钢）的焊接技术

【摘要】∶彭水水电站压力钢管直径达14m，为目前我国水电水利工程之最，钢管主材整体选用

60Kg级的WDL610D。本文主要介绍了该钢材的焊接技术，为今后水电水利工程建设积累经验。

【关键词】∶彭水水电站高强钢压力钢管焊接

1、前言

金属的焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性，主要是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度，包括两方面内容：结合性能（在一定的焊接工艺条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性）和使用性能（在一定的焊接工艺条件下，一定金属的焊接接头对使用要求的适应性）。影响材料焊接性的好坏主要决定于材料的化学成分，并与结构的复杂性、刚性、焊接法、采用的焊接材料、焊接工艺条件及结构的使用条件有密切的关系。具体说，焊接就是由材料、人员、焊接工艺、配套热处理工艺、质检及焊补等构成的一门系统科学。

2、从母材与焊材本身的因素分析高强钢各类缺陷的成因及避免办法

材料因素包括焊件本身和使用的焊接材料，在焊接时都参与熔池或半熔化区内的冶金过程，直接影响焊接质量。母材或焊接材料选用不当时，会造成焊接金属化学成分不合格，机械性能和其他使用性能降低，还会出现气孔，裂纹等缺陷，使结合性能变差。因而正确选用焊件和焊接材料是保证焊接性良好的重要基础，必须十分重视。

WDL610D高强钢是在调质状态下交货的低焊接无裂纹敏感性低合金钢板，其化学成分见表1，机械性能见表2。

WDL610D高强钢含Mn量较高，约为1.20%~1.60%，含P.S量较低的Cr-Ni-Mo-V系合金钢，抗拉强度达到610~730MPa。减少含C量是为了提高WDL610D高强钢的焊接性。为弥补强度的损失，添加了一些合金元素V。

WDL610D高强钢焊接性通常出现两方面的问题：一是焊接引起的各种焊接缺陷，主要是各类裂纹问题。WDL610D高强钢焊接产生的裂纹一般是焊接热裂纹和焊接延迟性冷裂纹。二是焊接时材料性能的变化，主要是热、影响区及焊缝组织发生变化。

2.1、热裂纹的成因及防止

从焊缝热裂纹的形成机理看，影响热裂纹生成的主要因素有合金元素，一次结晶组织，力学因素。其中合金元素是热影响热裂纹倾向最本质的因素，其中主要有以下几个：

硫的影响。钢中的硫是一种很有害的元素，在生产钢材时，硫不可避免地以杂质形式混入钢材，它同铁形成FeS。FeS与铁以及FeO都能形成低熔共晶体。铁同FeS形成的低熔共晶体熔点为985℃，而FeS和FeO形成的低熔共晶体熔点为940℃，它的熔点比钢的熔点要低得多，这些低熔点共晶体在焊接结晶时聚集在晶界上，当焊缝金属大部分已凝固时，它尚未凝固，因而成为产生裂纹的前提。

碳的影响。当低合金钢的含碳量增加时，焊缝产生热裂纹的倾向增大。碳不仅极易与钢中的铬、镍等元素形成低熔点共晶，而且能降低硫在铁中的溶解度，使硫与铁化合成FeS的可能性增加，从而促使形成底熔点共晶，增加产生热裂纹的倾向。

从WDL610D高强钢成分看，含碳量较低，含Mn量较高，Mn/S （含S元素多导致热裂纹）比能达到要求，具有较好的抗热裂纹性能。在正常情况下，焊缝中不会出现热裂纹。但当材料因严重偏析使局部C、S含量偏高时，容易出现热裂纹。在这种情况下，应选用含Mn量较高的焊接材料，以此降低焊缝中含碳量和提高焊缝中的含锰量，可以解决热裂纹问题。

2.2、冷裂纹的成因及防止

材料本身的淬硬性是引起冷裂纹的决定性因素。由于钢的强度级别较高，合金元素的含量较多，因此，与低碳钢相比，焊接性差别就大。碳当量与冷裂纹倾向的关系：材料的淬硬倾向影响冷裂纹倾向，而淬硬倾向又主要取决于钢的化学成分，其中以碳的作用最为明显。因此，可以通过一些经验公式来粗略估计和对比不同材质的冷裂纹倾向。但碳当量不能精确地判断冷裂纹的产生与否，因为冷裂纹的产生除了成分外还与其他因素有关（比如湿度过大时水分较高进入组织导致氢制延迟裂纹，铁锈中也含有大量的氢元素）。WDL610D高强钢之所以号称低焊接裂纹敏感性钢，就是因为它具有合理的碳当量，降低了材料的淬硬倾向。为了避免冷裂纹的产生，需要采取较严格的工艺措施，在焊接过程中严格控制线能量、焊前预热和焊后保温措施，避免焊缝急冷出现淬硬组织。线能量过高，要求的保温缓冷时间就越长；线能量过低，影响焊条的熔敷性，就容易出现未熔、夹渣等非裂纹缺陷！所以，必须在钢板生产厂家的指导下，通过严格的焊接工艺评定，确定一个最合适的线能量范围和配套加温措施，这是确保大规模生产降低缺陷率的最重要因素。

焊接延迟裂纹的基本特征是它往往在焊接完成并且当焊接件冷却到200-150℃以下温度发生，有时甚至可以在接头焊完并放置数小时甚至几十小时以后出现，即这种裂纹形成有明显的延迟性。延迟裂纹除了发生在焊缝内部以外，更经常会出现在焊道层下、焊趾和焊根等部位的热影响区。这种裂纹有时也发生在焊缝终端的弧坑部位呈龟裂状。通过对延迟性裂纹形成进行成分分析，为了避免延迟性裂纹，必须采取焊前预热和焊后保温等措施，确保导致延迟裂纹的氢元素（它与金属反映后形成钉扎效应，破坏焊缝晶界的形成，导致开裂，刨开后出现通常称为“白点”的组织）在一定的温度下有时间获得足够的能量从焊缝中逸出。同时通过严格去绣、坡口打磨和保证空气的相对湿度，尽可能减少氢元素进入焊缝组织的机会。

2.3、彭水压力钢管焊接方法及焊材的选取

半自动气体保护焊焊接；纵环缝焊彭水压力钢管加劲环焊接在厂内进行，选用CO

2

接都在洞内进行，受施工条件所限，纵环缝的焊接都选取最为成熟的手工电弧焊。焊接材料是决定焊接质量的主要因素。焊接材料的选择是根据WDL610D高强刚的力学性能、化学成分、焊接钢性及钢管坡口形式和使用要求选取。电弧焊焊条直径为φ3.2mm、φ

焊丝4mm，焊条牌号为CHE607，其熔敷金属化学成分和力学性能分别见表3和表4。CO

2

直径为φ1.2mm，焊丝牌号亦为同一厂家生产的CHW-50C6，其焊丝化学成分和熔敷金属力学性能分别见表5和表6。选取以上焊接材料必须具有出厂合格证明和质量保证书。

表4 CHE607焊条焊接熔敷金属的力学性能

3、焊接工艺要点

首先以厂家提供的焊接工艺指导书结合现场的实际情况分析拟订工艺评定的焊接工艺，再通过实验验证各项机械性能无误后编制正式焊接的工艺。

WDL610D高强钢的焊接要点：

高强钢板焊接采用预热措施，预热宽度以焊缝中心线两侧各3倍板厚，且不小于100mm。须预热的焊缝在背缝清根前也须预热。预热温度测定宽度为焊缝两侧各3倍板厚范围，且不小于100mm，距焊缝中心线各50mm处对称测量，每条焊缝测量点不应少于3对。WDL610D高强钢预热温度取100~120℃。

焊接层间温度＜220℃，焊接线能量控制在20-35KJ/CM。

对参加WDL610D高强钢焊接的施工人员和施工管理人员进行技术交底，以了解WDL610D高强钢的焊接特点、控制项目及控制方法。焊工按水利部要求进行培训并考核合格，持操作证书和等级证书的合格焊工上岗。

焊接注意事项：

（1）焊工要严格按照WDL610D高强钢的焊接工艺评定实验指导书进行施焊。

（2）焊接检查员在施焊过程中，必须严格监测和控制预热温度、层间温度和焊接线能量，并对每条焊缝的实际施焊规范技术参数进行监控。

（3）焊接时不能在母材上引弧，应在坡口内或引弧板上引弧。

（4）工卡具的去除严禁用锤击法，应用碳弧气刨或气割在离管壁2mm以上外切除，严禁损伤母材，然后用砂轮打磨平整，并进行渗漏探伤和磁粉探伤。由于特殊原因中途停焊时，应立即进行后热保温，再次焊接时应全部进行预热后方可按原焊缝的质量要求

进行焊接。

4、焊后消氢工艺

焊后消氢，采用加热到150-200℃后，保温1h，分阶段降温方法，加热宽度为焊缝两侧各100mm以上。

5、焊缝质量检验

焊缝焊后，首先进行外观检查。外观检查合格后方可进行内部质量检查，内部质量无损检查在焊缝焊完后48h后进行。

如果出现了问题就要进行修补，修补时注意以下几点：

在焊缝内部超标缺陷、表面裂纹修补前，应分析其产生原因，制定切实可行的修补方案。

局部焊缝修补时预热应在修补处四周150mm范围内进行，预热温度控制在80-100℃。

焊缝缺陷修补施焊与原焊缝相同，焊接修补后要后热，后热温度与原焊缝相同。

修补后按原焊缝的质量要求，对修补处极其附近进行100%检查，其中内部质量检验应在修补完成后48h后进行。

彭水钢管要求进行100%的超声检验和30%的X射线透照，要求首先用超声检验并全部返修合格后再用X射线透照复检。

6、WDL610D钢板的焊接工艺评定

纵、环缝焊接前，按照规范和招标文件的规定，首先进行焊接工艺评定（全过程由监理旁站）。模拟洞内制造、安装要遇到的平仰焊、立焊、横焊几种对接接头和模拟凑合节应力状态的窗口拘束裂纹试验分别进行了工艺评定。焊接方式均采用手工电弧焊，选用CHE607焊条，用远红外履带式加热板焊前预热到120℃后开焊，焊接过程中层间温度控制在100~200℃，焊后160℃保温1h后空冷（我们根据以往经验认为50mm厚度以下高强度调质钢可不作焊后应力处理，所以焊接工艺评定时的后热温度只考虑了满足消氢和避免焊后急冷导致淬硬性的要求）。焊接完成后，委托西南交通大学结构工程实验中心作了各项检测，实验的各项数据如下：

接头拉伸试验结果（平仰焊为一块试板，立、横焊各自一块试板）详见下表：

12件式样的接头侧弯试验结果弯曲角度全部大于100度（弯头直径为48mm），检验结果全部合格。

接头冲击韧性试验结果（-20℃）详见下表：

最高硬度试验结果（HV10）详见下表：

窗口拘束裂纹试验结果：由于高强钢的焊接裂纹敏感性，本电站压力钢管直径超大，又设有凑合节，我们根据以往经验，按照《压力钢管制造安装及验收规范》（5017-93）条文说明中的规定，作了模拟凑合节在大刚度条件下焊接是否会出现裂纹的窗口拘束裂纹试验（招投标文件中并无此规定），经72h拘束时间后对焊缝进行纵横向各个断面的破开检查，均未发现裂纹。

为了验证冲击试验数据的合理性，我们查阅了WDL610D钢焊接性能方面的材料，材料中举了一个厚度为46 mm的球罐焊接实例，焊条选用猴王焊条厂出产的J607RH，工艺评定时作了热处理和不经热处理两种状态的系列冲击韧性对比实验，两种实验结果与我们所做焊接工艺评定结果一致。钢厂有如下结论：相同焊接位置下施焊的接头，焊态与焊后热处理状态的相比，焊缝及热影响区的低温韧性变化不明显。

西南交通大学结构工程实验中心作出的实验结果为合格，对比钢厂就该钢材的实验结果例证，我们认为所进行的焊接工艺评定是合理的。

7、纵环缝焊接顺序

本电站设计水头140m，压力钢管

纵缝受环向拉应力σ= 1.4×14000/（2×40）=245MPa

环缝受拉应力=245MPa/2=137MPa

由于纵缝受力是环缝的2倍，本着尽可能让每条焊缝自由收缩、尽量降低焊接拘束应力的原则，不管是大节制造、安装，还是瓦片安装，都按照先纵缝、后环缝的顺序施焊，并且在安装过程中，沿安装方向逐条进行环缝焊接，不得跳焊。除开凑合节最后一条合拢环缝，其余焊缝都能自由收缩。

8、结语

彭水压力钢管高强钢管壁的焊接，通过认真分析该钢材容易出现的各类缺陷的成因，制定针对性的焊接工艺措施来进行控制。再通过认真、细致的焊接工艺评定和严格的过程控制，从每一道工序中影响质量的细微环节着手精心操作，最终获得了不错的质量，5条洞压力钢管纵缝总计1408.9米，超声波一次探伤合格率高达97.86%，环缝总计4721.56米，超声波一次探伤合格率高达96.62%，经处理再用超声波复探合格后，最后用X射线做30%抽查，合格率为100% 。

作者简介

姚秀全，男，1972年生。现任中国水电七局机电安装分局彭水项目部副经理兼总工程师。从事起重运输和金属结构技术管理工作12年，工程师。

万天明，男，1963年生。1983年7月于重庆大学本科毕业，获工学士学位。从事焊接和金属结构技术工作24年，高级工程师。

黎小林，男，1978年生。现任中国水电七局机电安装分局彭水项目部副总工程师。从事金属结构技术管理工作8年，助理工程师。