羅忠　陳芳

摘 要：對(duì)目前我國(guó)水電站壓力鋼管的焊接特點(diǎn)以及國(guó)外使用的主要壓力鋼管焊接技術(shù)進(jìn)行闡述，針對(duì)在壓力鋼管焊技術(shù)中存在的一些問題進(jìn)行仔細(xì)的研究和分析，并列出一些我國(guó)大型水利水電工程中所使用的壓力鋼管焊接工藝，為水利水電工程壓力鋼管的現(xiàn)場(chǎng)焊接提供參考。

關(guān)鍵詞：水利水電工程；壓力鋼管；焊接

中圖分類號(hào)：TU511.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 1671-3362（2013）08-022-02

水利水電工程是中國(guó)重要的基礎(chǔ)設(shè)施和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是通過在水上建造建筑物從而使水能聚集，然后利用引水發(fā)電建筑物將水的勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)樗啓C(jī)的動(dòng)能、進(jìn)而通過電磁感應(yīng)原理轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿纫幌盗写笮屯聊竟こ痰慕y(tǒng)稱。其中，水利水電工程運(yùn)行中水的引導(dǎo)、輸送由輸水建筑物負(fù)責(zé)，由于長(zhǎng)期承受壓力水流的沖蝕破壞，運(yùn)行工況差，因而對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量等都提出了更高的要求。

近年來，我國(guó)水利水電壓力管道發(fā)展迅猛的新結(jié)構(gòu)形式為鋼襯鋼筋混凝土管道，目前已成為高水頭、高流速水利水電項(xiàng)目輸水建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選。而鋼襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的重要組成部分壓力鋼管，也迅速成為工程建設(shè)者關(guān)注的對(duì)象，它擔(dān)負(fù)著水利水電工程進(jìn)水口和水輪機(jī)渦殼或球閥的連接作用，對(duì)進(jìn)水口的水有引導(dǎo)作用，讓它們流向渦殼或球閥，借助水的動(dòng)力讓水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著我國(guó)水利水電事業(yè)的發(fā)展，高山峽谷地區(qū)、高水頭、大型、超大型水利水電工程日益增多，而內(nèi)水給壓力鋼管帶來的壓力也越來越大，而且水流常常不穩(wěn)定，一旦有質(zhì)量問題出現(xiàn)，就勢(shì)必帶來非常嚴(yán)重的后果，因此，對(duì)壓力鋼管的管徑、厚度、材質(zhì)強(qiáng)度、制作強(qiáng)度、制作難度以及它焊縫的塑、韌性和強(qiáng)度等要求也在逐漸加大。故而，通常根據(jù)壓力鋼管承受內(nèi)水壓的特點(diǎn)和所在地的氣溫條件，然后選用相應(yīng)的材料和焊接技術(shù)焊制壓力鋼管[1]。

1 壓力鋼管焊接的特點(diǎn)

在水電水利設(shè)置建設(shè)中，隨著高參數(shù)、大容量機(jī)組的普遍使用，壓力管道也相應(yīng)的在升級(jí)，結(jié)構(gòu)尺寸龐大，使用鋼材可達(dá)數(shù)百噸乃至數(shù)千噸[2]。就黃河小浪底水利樞紐工程來說，直徑7.8m的壓力鋼管共有6根，每根鋼管的中心線平均長(zhǎng)度為189.31m，達(dá)1135.87m的總長(zhǎng)度，鋼管采用美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)的A517和A537材料，其中A517板厚為32mm和34mm 2種，A537板厚為20mm、22mm、24mm、28mm、30mm、32mm 6種。根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以看出，這是一個(gè)非常巨大且復(fù)雜的工程。

綜上所述，大型水利水電工程的壓力鋼管因?yàn)橹圃旃こ塘糠浅＞薮?，因而工廠是不可能制造為成品，然后在運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)，大多時(shí)候都是在施工現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行下料、卷板、縱縫焊接等各方面工序。鋼管縱縫焊接采用手工電弧焊或全自動(dòng)氣體保護(hù)焊完成，必要時(shí)也可設(shè)置專門的縱縫滾焊臺(tái)車，在水平狀態(tài)下完成縱縫焊接。然后將做好的管節(jié)運(yùn)輸?shù)桨惭b位置，固定在基礎(chǔ)支墩上，接著進(jìn)行環(huán)縫焊接。從這些復(fù)雜而又精細(xì)的工序中可以看出，水利水電工程壓力鋼管的焊接特點(diǎn)與制造廠內(nèi)的焊接生產(chǎn)是有區(qū)別的。此外，由于壓力鋼管是在現(xiàn)場(chǎng)焊接，所以焊接質(zhì)量不可避免的就會(huì)受到施工環(huán)境差，焊接位置復(fù)雜多變，作業(yè)條件惡劣，對(duì)口質(zhì)量參差等諸多因素的影響。同時(shí)，焊接工作的另一困難就是現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)條件差、勞動(dòng)強(qiáng)度高[2]。

2 國(guó)內(nèi)外水利水電工程壓力鋼管焊接工藝的現(xiàn)狀

2.1 目前國(guó)內(nèi)水利水電工程壓力鋼管焊接技術(shù)現(xiàn)狀大致如下

手工焊基本在焊接工程中占主導(dǎo)地位，這也是造成作業(yè)條件差、焊接生產(chǎn)率低、生產(chǎn)成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大的主要因素；手工電弧焊和埋弧焊技術(shù)是鋼管縱縫焊接大多采用的焊接技術(shù)，然而，埋弧焊技術(shù)的應(yīng)用在一些直徑較大的鋼管上非常受限制；進(jìn)行環(huán)縫焊接時(shí)，幾乎全部采用手工電弧焊技術(shù)完成。只有少數(shù)水利水電工程采用國(guó)外先進(jìn)的半自動(dòng)焊接工藝技術(shù)，但仍然存在一些問題。

2.2 國(guó)外水利水電工程壓力鋼管的焊接工藝狀況

為了縮短工期，降低成本，國(guó)外壓力鋼管焊接基本上采用高效率焊接方法。埋弧焊技術(shù)是被廣泛采用的，也經(jīng)常使用半自動(dòng)或自動(dòng)立焊技術(shù)以及藥芯焊絲電弧焊方法。在環(huán)縫焊接中，手工電弧焊仍然是主導(dǎo)，然而對(duì)環(huán)縫焊接的自動(dòng)化焊接技術(shù)的開發(fā)研究從未間斷過。比如日本在很多水利水電工程中使用過熔化極氫弧焊全位置自動(dòng)焊接技術(shù)，但此技術(shù)也只適合于直徑比較小的鋼管，大直徑鋼管的焊接技術(shù)仍處于研究狀態(tài)。這樣，大直徑厚壁壓力鋼管因其開發(fā)應(yīng)用難度較大，而尚未采用自動(dòng)化的全位置焊接技術(shù)[3]。

3 壓力鋼管自動(dòng)焊技術(shù)

水利水電建設(shè)在高速發(fā)展，其機(jī)組參數(shù)也在不斷增大，為了適應(yīng)施工生產(chǎn)的需要，焊接大直徑厚壁壓力鋼管必須采用比較先進(jìn)的全位置自動(dòng)化焊接技術(shù)。但全位置自動(dòng)化焊接技術(shù)在大直徑厚壁壓力鋼管焊接施工中應(yīng)用還有一定困難，通過分析，吸取國(guó)內(nèi)外同類焊機(jī)的成功經(jīng)驗(yàn)，全位置自動(dòng)焊機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。該焊機(jī)具有焊矩?cái)[幅自適應(yīng)坡口寬度和自動(dòng)跟蹤功能，焊機(jī)穩(wěn)定可靠，整體設(shè)計(jì)合理，機(jī)構(gòu)緊湊輕便，在我國(guó)一些水利水電工程壓力鋼管焊接施工中得以成功應(yīng)用。

該焊機(jī)不僅要讓焊接小車沿焊縫自動(dòng)行走，讓焊絲自動(dòng)輸送、調(diào)整、擺動(dòng)及對(duì)中等機(jī)電控制，還要解決焊絲的熔滴過渡形式，從而讓全位置焊接的焊縫成型質(zhì)量得到保證，還可以對(duì)各種位置的焊接規(guī)范自動(dòng)調(diào)整。但是受到現(xiàn)場(chǎng)拼裝的焊縫對(duì)裝質(zhì)量差、施工環(huán)境惡劣等因素的影響，自動(dòng)化焊接技術(shù)還較難實(shí)現(xiàn)。

4 我國(guó)一些水電站壓力鋼管的焊接工藝

4.1 廣州市西江引水工程中的壓力鋼管焊接

廣州市西江引水工程屬特大型引水工程，在我國(guó)已建的引水工程中僅次于南水北調(diào)工程和上海青草沙水源地工程，名列第三。壓力鋼管制作工程總量為143831.40t，總長(zhǎng)度為75736.48m。工程量巨大，且鋼材規(guī)格組合多變、壓力鋼管直徑規(guī)格品種多，壁厚變化大、鋼岔管焊接工藝復(fù)雜，制作難度大。在焊接工藝上，在焊接雙面非對(duì)稱坡口時(shí)，先焊深坡口側(cè)部分、后焊淺坡口側(cè)、最后焊深坡口側(cè)剩余的焊縫；確定好節(jié)點(diǎn)形式、焊縫布置、焊接順序后，優(yōu)先采用一些能量密度相對(duì)較高的焊接方法，如熔化極氣體保護(hù)焊或藥芯焊絲自保護(hù)焊等，同時(shí)還采用較小的熱輸入；在焊接大型、厚板構(gòu)件時(shí)，采取分部組裝焊接、分別矯正變形后再進(jìn)行總裝焊接的施工方法；采用先焊縱縫，后焊環(huán)縫的焊接順序；同時(shí)為了減小焊縫應(yīng)力，還采用了錘擊焊縫消應(yīng)力的方法[4]。

4.2 仁宗海水庫(kù)電站壓力鋼管焊接工藝

仁宗海水庫(kù)電站為引水式龍頭水庫(kù)電站，位于四川省甘孜州康定縣私雅安市石棉縣交界處。電站壓力鋼管道共長(zhǎng)955m，主管直徑3.6m，壓力鋼管制作安裝工程量為3428t。工程采用的是低焊接裂紋敏感性高強(qiáng)度鋼板，從而在焊接技術(shù)上采用有針對(duì)性的焊接工藝方法。在鋼管施焊時(shí)，直管縱縫及對(duì)接環(huán)縫、彎管縱縫采用埋弧白動(dòng)焊，彎管環(huán)縫采用手工電弧焊，定位焊采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，加勁環(huán)、止水環(huán)等附件的焊接選用手工電弧焊[5]。

4.3 龍開口水電站壓力鋼管焊接工藝

龍開口水電站壓力鋼管共5條，內(nèi)徑10m，每條鋼管56節(jié)，5條鋼管共制作280節(jié)，安裝280節(jié)，鋼管壁材質(zhì)為高強(qiáng)鋼。高強(qiáng)度鋼管制造縱縫、安裝環(huán)縫、加強(qiáng)環(huán)角焊縫焊接均采用手工電弧焊。本工程中，縱縫受力是環(huán)縫的2倍，因此，要盡可能讓每條焊縫都自由收縮，從而盡量降低焊接拘束應(yīng)力。在壓力鋼管焊接時(shí)，無論是大節(jié)的制造安裝，還是瓦片的安裝，都必須按照先縱縫、后環(huán)縫的順序。同時(shí)在安裝過程中，沿安裝方向逐條進(jìn)行環(huán)縫焊接，嚴(yán)禁跳焊。除湊合節(jié)最后一條合攏環(huán)縫和預(yù)留環(huán)縫，其余焊縫都能自由收縮。

5 結(jié)語

目前，在我國(guó)水利水電工程壓力鋼管焊接工藝中，手工焊基本在焊接工程中占主導(dǎo)地位，且大多手工電弧焊和埋弧焊技術(shù)。這些技術(shù)在直徑較大的鋼管上非常受限制。

近年來，隨著我國(guó)水利水電建設(shè)的高速發(fā)展和機(jī)組參數(shù)的不斷增大，在大直徑厚壁壓力鋼管的焊接方面，雖然出現(xiàn)了全位置自動(dòng)化焊接技術(shù)，但目前來說，該技術(shù)想要在大直徑厚壁壓力鋼管焊接中得到全面應(yīng)用，還有一定的難度。在大直徑厚壁壓力鋼管的安裝環(huán)縫組裝來講，要達(dá)到均勻一致的高精度非常困難，這勢(shì)必就需要全位置自動(dòng)焊接設(shè)備具備自動(dòng)凋整有關(guān)工藝參數(shù)的功能，以此來適應(yīng)鋼管的坡口尺寸及偏差，從而使不均勻參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響降低或消除；由于焊縫空間位置的不穩(wěn)定性，這就要求焊接系統(tǒng)能自動(dòng)并及時(shí)調(diào)整焊接工藝參數(shù)，來適應(yīng)焊炬所處的位置，讓不同地方的焊接成型基本一致得以實(shí)現(xiàn)；要保證焊縫質(zhì)量，這就需要坡口尺寸、焊接熔地形狀，焊接規(guī)范參數(shù)實(shí)寸調(diào)節(jié)完全匹配，這在目前的自動(dòng)控制技術(shù)上來講，難度比較大。因此，要解決以上問題，就要在選擇造價(jià)低、適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、焊接效率高的全位置自動(dòng)化焊接設(shè)備方面入手。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳繼深，谷鴻飛.壓力鋼管制造安裝的實(shí)戰(zhàn)與探討[M].北京：中國(guó)電力出版社，2001.

[2] 李明鑒，漆衛(wèi)國(guó).水電站壓力鋼管全位置自動(dòng)焊可行性探討[J].金屬結(jié)構(gòu)，1997（4）：32-39.

[3] 漆衛(wèi)國(guó)，王孔偉.全位置自動(dòng)化焊接技術(shù)在壓力鋼管焊接中的實(shí)踐[J].水力電力機(jī)械，2000（5） ：19-21.

[4] 梁遵希，游輝華，何調(diào)林.廣州市西江引水工程中的壓力鋼管焊接[J].焊接技術(shù)，2012，41（6）.

[5] 余陽.仁宗海水庫(kù)電站壓力鋼管焊接工藝[J].四川水力發(fā)電，2007，26（5）.

作者簡(jiǎn)介：羅忠（1980-），男，漢族，湖南洞口人，任職于中國(guó)水利水電第八工程局有限公司。研究方向：建筑施工技術(shù)。