大型引水壓力鋼管高強鋼環(huán)縫埋弧自動焊

施工工法

完成單位中國葛洲壩集團機電建設有限公司

目錄

1.前言.........................................1

2.工法特點......................................2

3.適用范圍......................................3

4.工藝原理......................................3

5.施工工藝流程及操作要點.......................6

6.材料與設備...................................14

7.質(zhì)量控制.....................................15

8.安全措施.....................................15

9.環(huán)保措施.....................................16

10.效益分析....................................16

11.應用實例....................................18

大型引水壓力鋼管高強鋼環(huán)縫埋弧自動焊施工工法

中國葛洲壩集團機電建設有限公司

L前言

水電站壓力鋼管的焊接，長期以來一直采用傳統(tǒng)的手工電弧焊技

術，三峽一期我公司成功研究了6()()Mpa級高強鋼超大型壓力鋼管縱縫

全位置氣保焊接技術，但由于該項焊接技術對坡口加工、坡口組裝、

焊接小車、磁性軌道、富筑氣體、焊接位置等諸多環(huán)節(jié)要求較高，故

全位置氣保焊在環(huán)縫上一直受到制約難以推廣應用。近年來，焊劑埋

弧自動焊接技術逐步由壓力容器行業(yè)應用到水電站壓力鋼管的制造焊

接上，但受到壓力鋼管直徑影響，一般在直徑6m以內(nèi)應用比較成熟，

但像向家壩工程這樣超大型壓力鋼管直徑在9.2m及以上的，采用焊劑

埋弧自動焊的尚無先例。

向家壩水電站右岸壩后廠房電站共設3條大型壓力鋼管，內(nèi)徑中

9.2m、水頭84.365m。斜管段高程301.80m以上采用Q345R鋼材，厚

度為24?32mm,斜管段中部以下管節(jié)選用600MPa級別07MnMoVR高

強鋼材，厚度為32?46mm。制造工程量為52962,制造工期18個月,

高峰期月制造強度為575t；其工期任務緊、技術要求高、施工難度很

大。為深入踐行集團公司《戰(zhàn)略實施指導意見》，落實公司創(chuàng)新管理精

神，我公司將壓力鋼管環(huán)縫埋弧自動焊焊接作為技術創(chuàng)新點，實現(xiàn)這

一技術創(chuàng)新，縮短壓力鋼管制造工期、提高焊接質(zhì)量、節(jié)約施工成本。

1

焊接正常進行。

（3）埋弧焊小車與滾焊臺車的協(xié)同技術

為防止熔池金屬和熔渣從轉(zhuǎn)動的鋼管表面流失，焊絲要逆鋼管的

轉(zhuǎn)動方向偏離鋼管中心距離a,偏心距a值隨鋼管直徑的變化而變化，

同時也要根據(jù)焊縫成型的好壞隨時調(diào)節(jié)a值得大小。

為防止鋼管摞節(jié)在轉(zhuǎn)動過程中發(fā)生軸向竄動，環(huán)縫位置相對于

埋弧自動焊機變化，我們在滾焊臺車側(cè)向設置導向輪，同時使?jié)L焊臺

車兩側(cè)輪子不在一個平面，形成一個高程差，使鋼管轉(zhuǎn)動時向高度低

的一側(cè)傾斜，這樣導向輪緊貼在鋼管加勁環(huán)上，起到定位的作用，防

止了環(huán)縫的竄動，有效的保證了埋弧自動焊焊接質(zhì)量。

3.適用范圍

本工法可用于超大型壓力鋼管制作環(huán)縫埋弧自動焊施工，尤其適

用于焊接難度較大的600MPa級別以上的高強鋼焊接，能有效保證壓力

鋼管環(huán)縫焊接質(zhì)量c

4.工藝原理

一、確定壓力鋼管環(huán)縫自動焊焊接方法

水電站高強鋼壓力鋼管自動焊可采用的焊接方式有氣體保護焊或

埋弧自動焊。一般氣體保護焊受環(huán)境風力影響較大，埋弧自動焊對施

工環(huán)境要求低，其效率約為手工焊條電弧焊的4?6倍，對于長直焊縫

及板厚較厚的焊縫，其效率可達到手工電弧焊的6?8倍，其缺點為只

3

能在平焊位進行焊接。

二、研究解決埋弧自動焊對焊接工位的要求

壓力鋼管兩節(jié)組拼成摞節(jié)后，環(huán)縫為橫焊位，而埋弧自動焊適用

于平焊位置的焊接。為此我們設計摞節(jié)鋼管翻身工位、埋弧自動焊焊

接工位，埋弧自動焊工位低于地面2m,摞節(jié)翻轉(zhuǎn)90。立放于滾焊臺車

上。埋弧自動焊焊接位置內(nèi)縫設在底部，外縫設在最頂部，埋弧自動

焊機相對壓力鋼管底部、頂部不動，通過滾焊臺車帶動鋼管旋轉(zhuǎn)，進

行摞節(jié)環(huán)縫的焊接，見下圖。

圖4-1壓力鋼管環(huán)健埋弧自動焊工位示意圖

三、研究確定配套的設備、工裝

為了使壓力鋼管摞節(jié)能圍繞管節(jié)中心勻速平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，根據(jù)壓力鋼

管摞節(jié)重量，我們選用了80t級別滾焊臺車，滾輪間距4700mm,兩組

臺車之間距離可根據(jù)壓力鋼管管節(jié)長度進行調(diào)整。埋弧自動焊機選用

時代MZ-1()0()型焊機，焊接參數(shù)穩(wěn)定。同時設計制造兩套移動焊接龍

門架平臺用于鋼管外壁環(huán)縫的焊接。

四、研究解決600Mpa級高強鋼環(huán)縫加熱問題

4

壓力鋼管焊縫加熱采用遠紅外陶瓷加熱板進行加熱。傳統(tǒng)的方式

是將加熱板鋪設在焊縫兩側(cè)，采用磁扁擔固定。在焊接中存在易脫落、

加熱線打絞等缺點C

我們根據(jù)壓力鋼管圍繞中心轉(zhuǎn)動的特點，設計制作了弧形胎架，將

加熱板固定在胎架上，在中心進行加熱。在加熱過程中，弧形胎架固

定不動，鋼管轉(zhuǎn)動進行加熱。解決了傳統(tǒng)加熱方式的缺點，同時減少

了加熱板的使用數(shù)量，節(jié)約鋪設時間，降低了施工成本。

圖4-2壓力鋼管環(huán)縫埋弧自動焊加熱裝置示意圖

五、研究設計壓力鋼管防竄動裝置

為防止鋼管摞節(jié)在轉(zhuǎn)動過程中發(fā)生軸向擺動，環(huán)縫位置相對于埋

弧自動焊機變化，我們在滾焊臺車側(cè)向設計導向輪，導向輪緊貼在鋼

管加勁環(huán)上，起到定位的作用，防止了環(huán)縫的竄動，有效的保證了埋

弧自動焊焊接質(zhì)量。

5

圖4-3壓力鋼管環(huán)縫埋弧自動焊防竄動裝置示意圖

5.施工工藝流程及操作要點

5.1工藝流程:

施工準備

下游管節(jié)吊裝

上游管節(jié)吊裝、壓^

摞節(jié)翻身

埋弧自動焊焊接

返修處理

圖5-1壓力鋼管環(huán)縫埋弧自動焊加熱裝置示意圖

5.2操作要點

521鋼管吊裝

單節(jié)鋼管最重約28.07噸，管節(jié)采用50噸門機進行吊裝。吊裝時采

用4個15噸鋼板卡配4個25噸卸扣垂直吊裝，鋼板卡布置在上、

下、左、右中四個方向，間距6.5m,單根鋼絲繩長度14m,雙股使用。

正式吊裝前，反復三次起升，每次起升高度200mm左右，檢查

吊耳、卡扣、鋼絲繩等受力情況，經(jīng)現(xiàn)場技術負責人確認后方可進

行吊

裝。

上游管節(jié)吊裝時，為方便吊裝就位，可在下游管節(jié)上管口焊接4

個定位擋板，定位擋板焊接在管壁內(nèi)側(cè)，壓縫完成后割除。

522摞節(jié)環(huán)縫拼裝壓縫

鋼管摞節(jié)前測量相鄰管口周長值，計算出對口錯邊量。環(huán)縫壓縫

采用旋轉(zhuǎn)式壓縫工裝，從下中開始，自下而上經(jīng)左、右中心一直點焊

到上中心匯合，壓縫時應注意環(huán)縫的組對間隙及錯邊量，其偏差值應

符合下表5-1。

表5-1摞節(jié)鋼管拼裝允許偏差

序號項目允許偏差（mm）備注

1管口平面度3

2周長與設計周長差±24

3相鄰管節(jié)周長差<10

板厚W30mm時，錯邊S3mm；

4

環(huán)縫對口錯邊量30mm＜板厚W大于60mm時，板厚

10%。

5鋼管圓度27.60每端管口至少測兩對直徑

6軸線長度±5.0

523摞節(jié)環(huán)縫打底焊接

為確保摞節(jié)翻身吊裝安全，在摞節(jié)環(huán)縫壓縫完成后進行環(huán)縫打底

焊。打底焊采用手工焊條電弧焊方式進行焊接。為方便埋弧自動焊焊

接，打底焊焊在管壁外側(cè)，同時打底焊作為正式焊縫的一部分，打底

焊焊接時應嚴格按照《壓力鋼管焊接作業(yè)指導書》要求進行施焊。

524摞節(jié)翻身

壓力鋼管摞節(jié)最重約48.786噸，摞節(jié)采用5()噸門機與5()噸汽車吊

配合進行翻身。50噸門機吊裝在上中附近4個吊耳處，50噸汽車吊吊

裝在下中附近2個吊耳處。正式吊裝卸車前，反復三次起升，每次起

升高度200mm左右，檢查吊耳、卡扣、鋼絲繩等受力情況，經(jīng)現(xiàn)場

技術負責人確認后方可進行吊裝。

壓力鋼管摞節(jié)水平吊運至翻身坑位處，50噸門機吊裝摞節(jié)在翻身

坑位內(nèi)進行翻身，使摞節(jié)翻轉(zhuǎn)90。，立放于埋弧自動焊焊接工位的滾

焊臺車上，完成摞節(jié)翻身。

5.3摞節(jié)埋弧自動焊工藝

5.3.1低合金07MnMoVR高強鋼性能特點

向家壩水電站9#、10#、11#引水壓力鋼管采用寶鋼生產(chǎn)610MPa

級別的低合金07MnMoVR高強鋼，該鋼種具有高強度、高韌性綜合性能,

其最大特點是焊接裂紋敏感性低，碳當量為0.35?0.42%,裂紋敏感系

數(shù)為0.14?0.18%,還具有優(yōu)良的低溫抗裂性；一般的焊接方法均能獲

得優(yōu)良的焊接接頭。它成功運用于國內(nèi)許多大型高水頭電站的壓

力鋼管及蝸殼制造工程，取得了良好的效益。

8

5.3.2埋弧焊工藝特點

5.321工作原理

埋弧自動焊是一種焊接電弧在顆粒狀焊劑層下燃燒的自動電弧焊

接方法，是目前僅次于焊條電弧焊的應用最廣泛的一種焊接方法。

5.322工藝優(yōu)點

(1)生產(chǎn)效率高埋弧焊的電流大、熔深也大，焊絲在單位時間

內(nèi)的熔化量顯著曾加，可大大提高焊接生產(chǎn)效率。

(2)焊接接頭質(zhì)量好埋弧焊工藝參數(shù)穩(wěn)定，焊縫的化學成分和

力學性能比較均勻；焊縫外形平整光滑，連續(xù)焊接、中間接頭少，不

容易產(chǎn)生缺陷。

(3)節(jié)約焊接材料和電能由于受焊劑的保護，金屬的燒損和飛

濺明顯減少，完全消除了焊條電弧焊中焊條頭的損失，并且熱量集中

和利用率高，在單位長度焊縫上所消耗的電能大大降低。

(4)降低勞動強度埋弧焊時焊接過程機械化，操作較簡便，焊

工的勞動強度比焊條電弧焊時大為減輕；沒有弧光外露，產(chǎn)生的煙塵

及有害氣體較少。

5.3.3埋弧焊坡口形式

鋼管管節(jié)縱縫、摞節(jié)環(huán)縫開對稱X型坡口，坡口角度5()。，鈍邊厚

度0?3mm，間隙0?3mm;坡口加工方法為氣體火焰切割，手工角磨

機打磨清除淬硬層C

9

5.3.4溫度要求和加熱方法

5.3.4.1預熱溫度

低合金07MnMoVR高強鋼，在定位焊縫和主縫焊接時均需預熱，

板厚為32mm、36mm、38nmi時預熱溫度80℃?120℃,板厚為46nlm預熱

溫度12()℃?15()℃,定位焊縫預熱溫度較主縫預熱溫度提高2()℃?

30℃o層間溫度的控制不低于預熱溫度且不高于200℃。后熱溫度控

制是在焊后立即進行，溫度為150C?200℃,保溫不小于1小時。

5.342力U熱方’法

定位焊采用火焰加熱法為主，摞節(jié)環(huán)縫采用電控遠紅外線加熱法

為主；埋弧焊時把加熱板固定在與管節(jié)外圓弧相符的圓弧架上，使加

熱板把外環(huán)縫包裹起來，頂上露出焊接區(qū)域；管節(jié)旋轉(zhuǎn)時不會把加熱

板轉(zhuǎn)掉，即便于快速鋪設加熱板又便于焊接正常進行。

5.343焊接材料和焊接設備

焊接材料均為四川自貢大西洋牌焊材。采用手工電弧焊打底時，

焊條牌號為CHE62CFLH,(p4.0mm,烘烤溫度38()℃,保溫1小時；手工

焊接設備為ZX-700型逆變直流焊機。埋弧焊接時，焊絲牌號為

H08Mn2MoA,(p4.0mm；焊劑牌號為CHF101,烘烤溫度350℃,保溫1

小時；埋弧焊接設備為MZ1000型直流焊機。

5.3.5焊接參數(shù)

由于埋弧焊電流較大，相比之下線能量也較大，為了避免焊接接

頭因線能量過大出現(xiàn)粗大魏氏體組織造成機械性能變壞，制訂了嚴格

10

的焊接參數(shù)，焊接參數(shù)見下表5-2。

表5-2焊接規(guī)范參數(shù)表

焊接焊劑填充金屬焊接電流電弧電壓焊接速度線能量

焊接方法備注

層次型號牌號規(guī)格極性參數(shù)（A）（V）（cm/min）(KJ/cm)

30-

1手工電弧焊/CHE62CFL(p4.0DC-160-18018?326?10打底

H34.6

2埋弧焊SJI0IH08MnA(p40DC-54)?58030?3230?31.53174填充

3埋孤焊SJI01H08MnA(p40DC-5803134.531.27蓋面

備注：1、摞節(jié)環(huán)縫均采用多層多道焊接：

2、焊接線能量控制在30?35KJ/cm：

3、多層多道焊縫的焊接參數(shù)要隨層次增加而變化。

536環(huán)縫焊接技術

為防止熔池金屬和熔渣從轉(zhuǎn)動的鋼管表面流失，焊絲要逆鋼管的轉(zhuǎn)

動方向偏離鋼管中心距離a,偏心距a值隨鋼管直徑的變化而變化，

同時也要根據(jù)焊縫成型的好壞隨時調(diào)節(jié)a值得大小。偏心距見下圖

5-2o

圖5-2環(huán)縫焊接偏心距示意圖

壓力鋼管內(nèi)徑為9.2m,埋弧焊接時焊絲偏心距設置為90?180mme

11

5.4焊縫質(zhì)量檢驗

高強鋼焊縫無損探傷在焊接完成后24h以后進行檢驗。執(zhí)行

《DUT5017-2007水電水利工程壓力鋼管安裝及驗收規(guī)范》、《

GB/T11345-2013焊縫無損檢測超聲檢測技術、檢測等級和評定》，

TOFD探傷按JB/T4730及TGPS.J70《金屬結(jié)構及機電設備超聲衍射時

差檢驗標準》標準評定，檢驗合格。

5.4.1焊縫外觀檢查

焊后應對所有焊縫進行100%外觀質(zhì)量檢查，焊縫外形尺寸和外觀

質(zhì)量檢驗項目及質(zhì)量要求見下表5-3。

表5-3焊縫夕、觀質(zhì)量檢驗mm

允許尺寸

序號項目

一類焊縫二類焊5t三類焊縫

1裂紋不允許

深不大于0.電長不大于0.35旦不大于

2表面夾渣不允許

10mm

3咬邊深不大于0.5深不大于1

不大于0.2+0.026且不大于1mm,每

4未焊滿不允許

100mm焊縫內(nèi)缺陷總長不大于25

直徑小于1.5的氣孔每米范圍內(nèi)允

5表面氣孔不允許

許5個，間距不小于20

6焊痛不允許—

7飛濺不允許—

25<8<50△h=0?3

8焊^余高川】手工焊—

5>50△h=0~4

對接接頭焊手工焊蓋過每邊坂口寬度1~2.5,且平緩過渡

9

縫寬度

自動焊蓋過每邊坡口寬度2?7,且平緩過渡

10角焊縫焊角KK>12時,K*3.1

（根據(jù)DL/T5017-2007水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范）

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5.4.2無損檢測

(1)無損檢測人員

無損檢測人員應經(jīng)過專業(yè)培訓，持有電力、水利行業(yè)、質(zhì)量技術

監(jiān)督部門及無損檢測學會等國家有關部門簽發(fā)的，并與其工作相適應

的技術資格證書。評定焊縫質(zhì)量應由n及或II及以上的無損檢測人員

擔任。

(2)無損檢測比例

焊接完成并經(jīng)24小時時效后做NDT。做NDT以前，應將焊縫兩側(cè)，

超聲探頭移動范圍內(nèi)的焊瘤、飛濺物徹底清除后方能進行NDT?？v縫

為一類焊縫，加勁環(huán)、阻水環(huán)對接焊縫為二類焊縫，探傷方法和比例

按設計文件施工技術條款的規(guī)定，詳見表5-4。

表5-4焊縫無損探傷抽查率

焊縫類別?類.類

—?TOFT探傷抽查率(％)4020

超聲波探傷抽查率(％)100100

二

TOFT探傷復查率(％)105

注：TOFT探傷均配合相同比例的磁粉探傷。

5.5勞動組織

現(xiàn)場施工可根據(jù)實際情況進行配置施工資源，以向家壩水電站壓

力鋼管環(huán)縫埋弧自動焊施工為實例統(tǒng)計；工種包括起重工、門機司機、

焊工、金屬結(jié)構工及質(zhì)檢人員等。環(huán)縫埋弧自動焊組織情況見表5-6。

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表5-6勞動力組織情況表

序號工種人數(shù)

1起重工（持證）2

2門機司機（持證）1

3金屬結(jié)構安裝工（持證）4

4焊工（持證）4

5質(zhì)檢員2

6合計12

6.材料與設備

6.1材料

6.1.1焊材：打底焊選用CHE62CFLH焊條，（p4.0mni

埋弧自動焊焊絲牌號為H08Mn2MoA,q）4.0mm；焊劑牌號為CHF101。

6.2主要施工機具設備

621起重設備：5（）t門機1臺。

622烘烤設備：焊條烘箱1臺、保溫桶2套。

623焊接設備：MZ1000型直流焊機、ZX-700型逆變直流焊機

624加熱設備：溫控箱、加熱板

6.2.5枕木：防雨焊接工棚1個

626枕木：若干。

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7.質(zhì)量控制

7.1質(zhì)量控制標準

7.1.1壓力鋼管管摞節(jié)環(huán)縫壓縫技術指標應符合標準《水利水電

工程壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》DL/T5017-2007的規(guī)定；嚴格控

制焊縫間隙、焊縫錯牙。

7.1.2焊條、焊劑必須嚴格按照說明書要求進行烘烤，正確使用

保溫桶。采用手工電弧焊打底時，焊條牌號為CHE62CFLH,(p4.0mm,

烘烤溫度380℃,保溫1小時；埋弧焊接時，焊劑牌號為CHF101,烘

烤溫度350℃,保溫1小時；。

7.1.3嚴格按照焊接工藝施工，高強鋼必須進行焊前預熱，焊后

保溫。低合金07MnMoVR高強鋼，在定位焊縫和主縫焊接時均需預熱,

板厚為32mm、36mm、38mm時預熱溫度80℃?120C,板厚為46mm預熱溫

度120℃?150℃,定位焊縫預熱溫度較主縫預熱溫度提高20℃?30℃o

層間溫度的控制不低于預熱溫度且不高于2()()℃。后熱溫度控

制是在焊后立即進行，溫度為150C?200℃,保溫不小于1小時。

8.安全措施

8.1摞節(jié)拼裝、吊運防護措施

8.1.1正確使用電焊手套、面罩等勞保防護用品。

8.1.2定期對現(xiàn)場線路、配電柜進行檢查，漏電保護器工作可靠。

8.1.3定期對起重設備、工器具進行檢查。吊運期間，指揮信號

明確。起重機工作區(qū)域內(nèi)嚴禁站人。

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8.1.4翻身坑、埋弧自動焊工位處必須設置欄桿、警示標志。

8.2壓力鋼管環(huán)縫埋弧自動焊安全措施

821正確使用電焊手套、面罩等勞保防護用品。

822定期對現(xiàn)場線路、配電柜進行檢查，漏電保護器工作可靠。

823高空作業(yè)必須正確使用安全帶、安全繩。高空作業(yè)區(qū)域平

臺、欄桿可靠。施工現(xiàn)場各種警示標志齊全醒目。

9.環(huán)保措施

9.1現(xiàn)場嚴格按照工藝要求進行預熱、保溫，嚴禁超時，減少電能浪

費。

9.2對焊條頭的使用及使用

9.2.1要求焊工對焊接時所剩焊條頭長度必須控制在5cm以內(nèi)c

9.2.2對焊條頭進行統(tǒng)一歸集、處理，杜絕到處亂放、亂丟焊條

頭。

9.3現(xiàn)場設置垃圾桶，每天下班前進行清掃，做到工完場清。

10.效益分析

10.0.1以向家壩水電站壓力鋼管制造以縫埋弧自動焊施工為實例

進行測算：

1、人工費：

(1)環(huán)縫焊接人工費：34人X250元/人X75=63.75萬元。

(2)采用弧形加熱裝置，減少加熱線看護人員2人，可節(jié)省人

工費約13.5萬元。

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（3）制造廠內(nèi)將鋼管水平拼裝成摞節(jié)，減少現(xiàn)場安裝管節(jié)數(shù)量,

減少安裝投入人工約10.12萬元。

2、材料費：

（1）單條環(huán)縫埋弧自動焊節(jié)約成本2161元，75條環(huán)縫共節(jié)約

2161x75=16.2萬元。

（2）采用弧形加熱裝置，減少使月一圈陶瓷加熱板（每圈30

塊加熱板，功率5KW/h）,節(jié)約電費約27.54萬元。

3、機械使用費：

（1）采用翻身工位，節(jié)約租賃5（）噸汽車吊費用約11.25萬元