高原高寒條件壓力鋼管焊接施工工法

1.月I」言

在西部水電開發(fā)中，常常面臨高原高寒氣候，在惡劣野外環(huán)境下，大型昂貴自動

化焊接設(shè)備的運用受到限制，單純依靠焊條電弧焊不利于有效掌握焊接變形，也難以

滿足壓力鋼管大量焊接工作量對工期的要求。

西藏昌都金河電站引水壓力鋼管平均海拔3200m,是典型的高原高寒氣候，其壓

力鋼管焊接施工通過簡便、有效的工法實踐，優(yōu)化埋弧自動焊接工藝設(shè)計，抑制了高

寒因素的不利影響，取得了較好的經(jīng)濟和社會效益。

2.工法特點

2.1高原高寒地區(qū)空氣淡薄，含氧量低，電弧燃燒不充分，承受空氣等離子切割下

料和埋弧自動焊等方法，有效的提高了電弧穩(wěn)定性和焊接線能量值。

2.2高原高寒地區(qū)日溫差大，金河電站實測晝夜最大溫差25℃,合理組裝加勁環(huán)、

合理設(shè)計坡口等措施有效掌握了焊接變形。

2.3高原高寒地區(qū)積溫少，尤其冬季干冷漫長，較同緯度東部平原低20℃,在低

溫態(tài)焊接施工，實行正確的焊接工藝和熱措施可以避開產(chǎn)生焊接裂紋。

2.4高原高寒地區(qū)多雨雪、大風(fēng)天氣，現(xiàn)場合理的工裝設(shè)計是正常焊接施工的牢靠

保證。

3.適用范圍

適用于高原高寒條件下壓力鋼管焊接施工。

4.工藝原理

4.1充分利用高原日照時間長，大膽承受露天廠房，重點圍繞埋弧自動焊接，合理

穿插連接，優(yōu)化鋼管焊接施工流程。

4.2在單節(jié)鋼管焊接校形后安裝加勁環(huán)，直線工期延長，整體變形不易掌握，而利

用加勁環(huán)強制定形作用，在縱縫外縫焊接后、內(nèi)縫焊接前進展安裝，一方面減小了因

加勁環(huán)尺、J偏差對管節(jié)形體的破壞，另一方面通過加勁環(huán)的有效約束，提高了整體剛

度，減小了縱縫尤其是內(nèi)縫的變形。

4.3假設(shè)承受氣體保護焊，在高原高寒條件下實現(xiàn)有效的熱措施和成熟的自動化操

作會比較簡單，通過工藝改進，內(nèi)外環(huán)縫和彎管均承受埋弧自動焊，電弧在焊劑層下

以隱蔽狀態(tài)大電流穩(wěn)定燃燒，減小了外部惡劣環(huán)境的影響，同時提高了線能量，厚厚

的渣殼還起到了后熱處理的作用。

4.4自動角焊小車實現(xiàn)加勁環(huán)的全方位CO）保護自動焊接，由于變形小，效率高,

4

加勁環(huán)拼焊由關(guān)鍵工序變?yōu)榉顷P(guān)鍵工序，工藝流程更為緊湊。

4.5在現(xiàn)場焊接施工口引進廠房治理中的實時檢測概念，利用超聲波探傷儀協(xié)作高

溫耦合劑準(zhǔn)時覺察和消退在線缺欠，避開產(chǎn)品積壓，盤活施工場地空間。焊后驗收環(huán)

節(jié)通過超聲波檢測、射線檢測及其比照，準(zhǔn)時覺察可能的時效缺陷。

5.工藝流程及操作要點

5.1工藝流程

現(xiàn)場鋼管焊接工藝流程如圖5.K

〈［焊前預(yù)備）T坡口加工卜》|卷板|縱縫組對一腳縫外坡口焊條電弧焊卜＞

I加勁環(huán)點固與焊接IT縱縫內(nèi)坡口埋弧自麗IT環(huán)縫向IT環(huán)縫外坡口自動焊卜＞

環(huán)縫內(nèi)坡口埋弧自動焊I■?陞時無損檢測［VT、UT）后驗收（UT、RT））

圖5.1鋼管焊接工藝流程

5.2操作要點

5.2.1焊前預(yù)備

1、焊接材料：焊材貯藏間保持通風(fēng)、枯燥；焊接材料盡量白天烘焙，避開吸濕；

專人負責(zé)領(lǐng)用分發(fā)與回收，即領(lǐng)即用，用后準(zhǔn)時回收不過夜；焊條路于保溫筒內(nèi)，并

常常檢杳，保持良好通電加熱狀態(tài)；適當(dāng)削減焊劑槽中焊劑儲量，在焊接區(qū)設(shè)珞風(fēng)屏；

區(qū)分二次烘焙材料，防止誤用；焊接過程中留意焊劑揚塵與清掃，層道中不應(yīng)有焊劑

顆粒殘留；禁用油污銹蝕嚴峻的焊絲。

2、焊前清理：認真清理坡口內(nèi)銹污水份，尤其是水、冰、霜凍要徹底去除，在高

原高寒條件坡口內(nèi)濕氣滯留較深，日照降低氧分壓的作用有限，必需進展預(yù)熱。焊前

預(yù)熱不僅可以適當(dāng)提高母材初始溫度降低溫度梯度，削減過程吸濕，更重要的是焊前

除濕，避開氣孔。

5.2.2坡口加工

1、坡口加工：按排料圖和工藝卡進展放樣，用空氣等離子切割機下料，再在銃邊

機上按坡口設(shè)計要求銃削成型。圖522-1所示為自制加勁環(huán)切割裝路。

圖5.2.2-1自制加勁環(huán)切割裝至各圖

2、縱縫坡口設(shè)計與焊接：壓力鋼管過水面處高寒工況，坡口設(shè)計應(yīng)首先考慮如何提

高內(nèi)部和內(nèi)壁質(zhì)量。

1）坡口型式如圖522-2。外坡口深約1/3,保證埋弧焊封底需要，同時使變形量

內(nèi)外全都；內(nèi)坡口深約2/38,有利于提高效率；鈍邊1mm利于拼對，鈍邊尺寸應(yīng)與間隙

匹配；間隙1mm?2mm可增加熔透量，削減清根工作，過大則引起周長誤差；外坡口在

卷制后角度增加，按60。設(shè)計可保證坡口寬度；內(nèi)坡口雖為埋弧自動焊，但因卷制后角度

削減，管壁較薄，設(shè)計時放大至46.9。（圖示角度為卷制后角度）。角度46.9。的設(shè)計計

算：內(nèi)坡口深度為8mm，板厚14mm（中性層厚7mm）,鋼管內(nèi)徑3500mm。鋼

管由兩瓦片對拼而成，即存在兩對坡口，每一坡口外邊較內(nèi)邊弧長增加值為兀X（D

外

-D）4-4=7tX（3516mm-3500mm）+4=12.56mm。該弧長增加值包括卷制前坡口外

內(nèi)

邊與內(nèi)邊長度差hXtga（h為坡口深度，a為卷制前的坡口角度，即要求解的46.9°）；

該弧長增加值另一局部通過卷制后角度削減來彌補，削減量為卜乂唔（14><1830。（30。即期

望獲得的卷制后角度

圖522-2坡口型式圖

2）外坡口直接在拼裝位（鋼管直立）由焊條電弧焊完成，主要優(yōu)點是:

程的連續(xù)削減了焊接清理工作，更重要的是在保持工藝標(biāo)準(zhǔn)不變的狀況下提高了線能

量值，避開了反復(fù)預(yù)熱，保持了層間溫度，防止了焊縫層道間吸濕。

2、焊接參數(shù)的全都性。在壓力鋼管焊接施工中，為防止連續(xù)焊接過程能量積存引

起過高線能量，增加易冷淬材料的開裂危害性，在施焊過程中應(yīng)小標(biāo)準(zhǔn)多層多道焊，

速度適中，保持標(biāo)準(zhǔn)和操作的全都性和對稱性。

5.2.4埋弧自動焊

1、埋弧自動焊工藝參數(shù)如表5.2.4o

表5.2.4埋弧自動焊工藝參數(shù)

板厚間隙電流電壓焊接速度

14mm3mm~4mm700A~750A34V-36V30m/h

2、埋弧自動焊簡易操作架尺寸如以下圖524-1所示。

圖5.2.4-1埋弧自動焊簡易操作架尺寸示意圖（單位：mm）

3、埋弧自動焊變形掌握

1）縱縫縱向收縮變形：DL5017-1993標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定單節(jié)鋼管長度與設(shè)計值之差不應(yīng)超

過±5.0mm。金河電站單節(jié)管長2100mm,按板厚（314埋弧自動焊三道計算，其縱向

收縮量為△L=0.006x2100x3/14=2.7mm。實際測量為3mm,均在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。掌握

縱向收縮的措施主要是在保證焊透的狀況下適當(dāng)削減焊接電流，同時調(diào)整工藝，避開

因蓋面層偏低增加焊縫層數(shù)，使變形量增大。

2）內(nèi)凹與外凸變形：由于焊縫的角變形和橫向收縮在管壁厚度方向的不全都引起

壓力鋼管管壁在焊縫處形成鼓包和下塌。第一層焊縫的影響至關(guān)重要，其變形作用約

為其它層的兩倍。變形的最終取向?qū)⑷Q于內(nèi)外坡口的相對熔敷作用。當(dāng)以外坡口為

主時，焊后將引起內(nèi)凹，反之亦然。施工中用焊縫量規(guī)認真檢查坡口銃削、組對質(zhì)量,

打底前沿焊縫全長方向預(yù)先調(diào)整焊接小車，清根時選擇適宜的碳棒和操作角度，嚴格

掌握第一層焊縫變形。

J壓力鋼管

內(nèi)凹

外凸

翹曲變形

圖524-2焊縫翹曲變形示意圖

3）環(huán)縫橫向收縮變形：以內(nèi)徑D=3500mm,板厚b=14mm的鋼管對接環(huán)縫為例，

實測最大△B=4mm。環(huán)縫焊接在自動滾焊臺車上進展，層與層之間旋轉(zhuǎn)方向相反，可

以均衡受熱，削減橫向收縮。

4）翹曲變形：翹曲變形型式如圖5.2.4-2所示c翹曲變形主要由縱縫縱向收縮和

加勁環(huán)、環(huán)縫橫向收縮引起。

5.2.5無損檢測與焊后驗收

在鋼管環(huán)縫焊接完成后，充分利用滾焊臺車，在線適時進展超聲波檢測，協(xié)作高

溫耦合劑使用，滿足質(zhì)量消缺要求，提高了流水作業(yè)效率，保證了鋼管準(zhǔn)時下線。在

堆放場地，再按標(biāo)準(zhǔn)比例對特征部位可能缺陷進展掃查，并與射線檢測比照。各項指

標(biāo)驗收合格后轉(zhuǎn)入防腐施工。

6.材料與設(shè)備

本工法承受的主要材料、設(shè)備見表6。

表6主要材料、設(shè)備表

序號材料或設(shè)備單位數(shù)量用途

1PE-100空氣等離子切割機臺1鋼板切割

2HBJ-9銃邊機臺1坡口加工

3MZ-1-1250埋弧自動焊機臺2縱縫、環(huán)縫焊接

GR-71自動角焊小車

4臺2角焊縫焊接

（配ZP7-5OO焊接電源）

CTS-23超聲波探傷儀、

5臺1焊縫無損檢測

XXQ-25O5射線探傷儀

HJ431（型號HJ402-H08MnA）顆粒度0.5mm

6——埋弧焊用焊接材料

-3mm；碳鋼焊絲H08MnA,（p4

7.質(zhì)量掌握

7.1工程質(zhì)量掌握標(biāo)準(zhǔn)

7.1.1焊縫、熱影響區(qū)無裂紋、氣孔、夾渣、弧坑。

7.1.2余高0?4mm,焊縫半寬2mm?7mm。

7.1.3咬邊深度SO.5mm，長度SlOOmm并且不超過整條焊縫長度的I0%o

7.1.4無明顯飛濺。

715角焊縫要求:K<12,O-+3,K>12,0?+4。

7.2質(zhì)量保證措施

7.2.1探傷由具備相關(guān)n級以上資質(zhì)的人員進展，標(biāo)準(zhǔn)要求的探傷比例見卜.表

7.2.1。

表7.2.1探傷比例的標(biāo)準(zhǔn)要求

探傷方法RT（射線探傷）UT（超聲波探傷）

類別I類焊縫H類焊縫I類焊縫II類焊縫

比例20%10%50%30%

合格級II級III級B【級BII級

復(fù)驗比例5%

施工中，n類以上焊縫全部進展超聲波檢測，包括適時檢測和延時檢測，實際檢

測比例達130%。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)要求準(zhǔn)時修復(fù)覺察的焊接缺陷。16MnR簡潔產(chǎn)生的缺

陷主要有未熔合、夾渣性未熔合、片狀夾渣（含切割熔渣致夾渣，利用雙探頭從寬度

方向易探測）、點狀夾渣（蓋面速度慢，間隙>0.8,電弧前端漏下的焊劑顆粒造成）、

氣孔（由于高寒條件冷凝作用強，攪拌作用差，CO2來不及逸出形成氣孔）等，施工

中有針對性的加強了過程掌握，縱縫、環(huán)縫一次合格率均在95%以上。

7.2.2丁字焊縫、有可疑波形或推斷不準(zhǔn)時射線拍片比照。

7.2.3焊縫每個工位標(biāo)識焊工鋼印號，并在工序檢查表中記錄，表達可追溯性。

7.2.4碳弧氣刨清根時，碳棒直徑不超過8mmo

8.安全措施

8.1埋弧自動焊

8.1.1埋弧焊機掌握箱外殼必需蓋好，防雨防滲水。

8.1.2埋弧焊用電纜符合焊機額定焊接電流容量，連接局部結(jié)實，并常常檢查各局

部導(dǎo)線的觸點是否良好、絕緣性是否牢靠。

8.1.3在焊接過程中應(yīng)保持焊劑連續(xù)掩蓋，以免焊劑中斷、露出電弧。

8.1.4在調(diào)整送絲機構(gòu)及焊機工作時，手不得觸及送絲機構(gòu)的滾輪。

8.1.5清掃、回收焊劑時應(yīng)防止焊工吸入焊劑粉塵。

8.1.6常常留意偏心焊咀或滾輪磨損狀況，如覺察磨損過甚，馬上更換。

8.2焊條電弧焊

8.2.1可燃、易燃物料應(yīng)遠離電弧區(qū)。

8.2.2焊工應(yīng)使用適宜的面罩和遮光鏡片，配好防水膠鞋、口罩等勞動保護用品。

8.2.3在鋼管內(nèi)部等狹小區(qū)域焊接時，應(yīng)保持通風(fēng)換氣。

8.2.4制止將過熱的焊鉗浸在水中，熱焊鉗應(yīng)空冷后再使用。

8.2.5接地線或零線時，先接接地體或零干線，后接設(shè)備外殼，撤除則反之。

8.2.6焊接設(shè)備二次端的焊把線上既不準(zhǔn)接地，也不準(zhǔn)接零。

8.3碳弧氣刨

8.3.1氣刨時電流較大，要防止焊機過載發(fā)熱。

8.3.2氣刨時大量高溫液態(tài)金屬及氧化物從電弧下被吹出，應(yīng)嚴防燙傷和火災(zāi)。

8.3.3氣刨時噪聲、有害煙塵較大，操作者應(yīng)配好勞動保護用品。

9.環(huán)保措施

9.1施工期間應(yīng)遵守《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-1996)的二級標(biāo)準(zhǔn)，保證在

施工場界及敏感受體四周的總懸浮顆粒物(TSP)的濃度值掌握在其標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)。

9.2施工期前，依據(jù)《建筑施工工場界噪音限值》

(GB12523-90),對施工場地產(chǎn)生的噪音加以掌握

9.3埋弧自動焊絲與C02焊絲、藥芯焊絲等其它焊絲相比，焊接煙塵量最小。

9.4焊接燼頭、渣殼等廢棄物專人清掃，集中處理，避開污染土質(zhì)。

10.效益分析

10.1本工法是工廠緊湊型流水作業(yè)在安裝現(xiàn)場的成功應(yīng)用，圍繞壓力鋼管焊接與

變形，合理設(shè)計下料、坡口加工、卷制、拼焊、加勁環(huán)安裝、無損檢測與驗收等工序

的組織施工，流程合理，連接緊湊，人機協(xié)調(diào)，較好發(fā)揮了有限資源的最大優(yōu)勢。

10.2本工法著眼野外環(huán)境作業(yè)簡便、高效的要求，圍繞壓力鋼管焊接自動化程度的

提高與焊接接頭質(zhì)量的牢靠保證，從經(jīng)濟、技術(shù)、環(huán)保角度合理比選自動焊接設(shè)備，就

地取材，自制關(guān)心工裝，取得了明顯的經(jīng)濟效益。

11.應(yīng)用實例

11.1工程概況

11.1.1金河電站引水壓力鋼管承受三個Y形岔管，均為三梁岔，全長為556.657m。

主管(甲3500,16MnR,610-24)一條，總長為372.881m；次管((p2450,I6MnR,322)二

條，總長為70.756m；支管((pl700,16MnR,316)四條，總長113.020m。鋼管設(shè)有加勁

環(huán)、止水環(huán)、灌漿孔螺塞等附件。

11.1.2壓力鋼管焊接主要包括鋼管對接縱縫(929.538m),鋼管對接環(huán)縫(2615m),

附件組合焊縫等。依據(jù)焊縫分類，I類焊縫主要有鋼管管壁縱縫、廠內(nèi)明管段環(huán)縫、

湊合節(jié)合攏環(huán)縫、岔管加強板對接焊縫、岔管加強板與管壁組合焊縫；I［類焊縫主要

有鋼管環(huán)縫、加勁環(huán)對接焊縫、加勁環(huán)與管壁組合焊縫及其它主要受力角焊縫；其余

為in類焊縫。

11.2施工狀況

11.2.1壓力鋼管共95()3制造焊接量約占3/4,壓力鋼管焊接以埋弧自動焊為主，

以焊條電弧焊為輔，其中縱縫焊絲耗量約1487kg,焊劑耗量約1487kg；環(huán)縫焊絲耗量

約2789kg,焊劑耗量約3347kg。

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