大直徑高壓鋼管瓦片整張卷制技術及應用

謝亮，石春，李世斌，陳昌文

（1.中電建建筑集團有限公司，北京 100120；2.華電吉林能源有限公司，吉林 長春 130028）

0 引言

傳統的大口徑鋼管生產工藝，就是借助卷板設備將鋼板卷曲成弧形瓦片，然后通過起重設備將卷制后的鋼板立于組裝焊接鋼模上，運用多次縱向焊接實現組合和修正，以此完成鋼管段的制作。雖然整張鋼板一次卷圓成型技術已基本成熟，然而對于大直徑耐高壓的高強鋼管，卷板難度較大，容易發生過卷現象[1]。過卷后再反向矯正對鋼板損傷較大，不符合高水頭電站的高壓管道鋼管的要求。因此，可以通過研究輔助設備，將高強鋼板整體卷制成鋼管瓦片，并將縱縫立焊改為平焊，以提高管口的平整性，有助于更為精確地控制鋼管的接合直線性，并有效地提高鋼管制造的質量和效率。此外，這種創新的卷制技術的研究和使用，是建立在電站壓力鋼管整體卷制工藝的基礎之上，使得大型鋼管能夠在電站實現整體的機械流水線操作[2]。

1 工程概況

某抽水蓄能電站壓力鋼管制作包括引水系統壓力鋼管和尾水系統壓力鋼管，分為直管、彎管、漸變管、人孔、加勁環、止推環、阻水環及其他部件。壓力鋼管采用材質為Q345R，JH610CFD，WSD690E等高強鋼鋼板制造，圖紙設計工程量為24 804 t。

引水壓力鋼管上平段及上斜井擬進行板厚為18.0～22.0 mm 的整張瓦片卷制，內徑5.6 m，共58節。尾水支管鋼管板厚18.0～20.0 mm，內徑4.6 m，每條支管管節數37 節，其中合攏節1 節，方變圓管節8 節；4 條管道共計148 節，擬進行板厚18 mm 整張瓦片卷制116 節；相對于大直徑壓力鋼管，18.0～22.0 mm 的壁厚顯得較薄，瓦片卷制時兩端翹起，中部易發生反向鼓包或過卷，整體卷制難度大。

2 難點分析

2.1 大直徑高壓鋼管整張卷制安全控制難點

1）門機輔助吊裝存在安全隱患

由于鋼板直徑大、曲率大，相對剛度差，瓦片卷制過程中，鋼板剛度難以支撐自身重量。因此，需要門機輔助增加外力才能卷制，外力方向為沿門機起升機構卷筒的軸向，而門機起升系統鋼絲繩垂直于卷筒軸向，卷制過程中鋼板在不斷移動。在這種情況下，外力垂直于起降拉力，容易引起鋼絲繩滑槽，受力失衡，出現安全事故；另外，鋼絲繩起升時由于傾斜與小車底梁存在摩擦，長時間運行對鋼絲繩磨損嚴重，安全隱患較大[3]。

2）成品瓦片吊裝安全風險大

瓦片卷制完成后，若將縱縫旋轉至上方，端頭因自重下塌，出現交叉，無法吊裝；若將縱縫旋轉到下方，工人站立在鋼管上方進行掛鉤、吊裝，安全風險較大。

2.2 瓦片卷制質量控制

1）瓦片卷制弧度問題

大直徑高壓鋼管瓦片卷制過程中，鋼板在自身重量作用下發生下塌或外仰，使用樣板模具檢查弧度時，難以判定是否符合要求，過卷將會導致整張鋼板報廢。

2）瓦片卷制出現折彎質量問題

瓦片卷制時，卷曲部分的重心外移，若重量超出自身剛度，會出現鋼板折彎現象，高強鋼板折彎后的瓦片不能矯正再用，導致鋼板報廢。

3 大直徑壓力鋼管整張卷制試驗方案

大直徑壓力鋼管整張卷制試驗方案分兩部分進行卷制：常規部分指瓦片壓頭、端頭3.0 m范圍內直接利用卷板機進行卷制；非常規部分指端頭3.0 m外的中間部分，借助外力和工裝進行卷制。

3.1 常規部分瓦片壓卷工藝方法

3.1.1 施工準備

1）熟悉并檢查工藝設計圖，熟知需卷制瓦片的鋼板材質、規格尺寸、水流路徑方向、鋼管內徑及質量管控要求。

2）復檢待卷制鋼板，包括外形尺寸、坡口尺寸和外觀檢查，避免將上道工序有缺欠的瓦片投入卷制。

3）檢查鋼板的頂部和底部，以避免存在可能對壓頭和卷制造成干擾的氧化鐵皮、鐵銹等雜質和熔渣，從而影響卷制質量，或者對機器的工作輥造成損壞。

4）檢查清理卷制設備、工器具及檢測工具，如卷板機上下輥的平行度、檢測樣板的完好性等。

5）將待壓卷的鋼板吊至卷板機作業平臺。

3.1.2 板料對正與瓦片壓頭

1）卷板應和鋼板的壓延方向保持一致。在進行卷板工作時，利用門式起重機將鋼板平穩地起吊到卷板機的下輥一側，啟動送板，操控下輥讓鋼板進入上下輥中間，期間利用卷板機頂部的對中設備調整鋼板居中，啟動工作輥，分別對鋼板的兩個端頭進行壓頭。在整個壓卷過程中，應盡可能使用較小進輥量進行反復滾制，從而使鋼板的兩端壓卷部分達到規定的弧度需求。在壓頭環節中，應注意盡可能地縮短直邊的長度。瓦片卷制過程見圖1。

圖1 瓦片卷制過程示意圖

2）壓卷中嚴格監控鋼板兩個端部的壓頭弧度，以防止部分地方內收或者外翹，同時保持鋼板中心與輥板機軸心的垂直度，從而防止瓦片發生扭轉。

3）通過移動下滾輪來配合上滾輪進行三輥彎板機的壓頭操作，同時使用弧形檢測樣板對壓頭時的彎曲度進行檢測，直至達到預設要求。

3.1.3 瓦片卷制與修弧要點

1）鋼板卷制前，采用石板筆畫出平行于短邊的等距素線，根據素線調整滾壓線，反復卷制成形。操作過程是先從板材的兩個端部開始壓卷，然后是中間部分。在整個壓卷過程中，必須不斷地借助檢測樣板進行核查和矯正，壓卷盡可能地采用較小的卷入量進行操作。

2）卷制過程中每一次素線出現時，都要檢查素線與卷輥的平行性，并采取措施來控制卷板機軸輥中心與鋼板中心的垂直度，以免卷制的瓦片出現扭曲狀況。

3）鋼板卷板過程中，嚴禁對鋼板進行敲打，以免錘擊引起鋼板表面出現瑕疵。

4）在制作過程中，需定時檢查并清理鋼板的氧化物、鐵銹及其他雜質。若壓卷過程中發現鋼板出現毛刺或劃痕，應立即停止壓卷作業。后續利用研磨拋光設備將其研磨至平滑后再重新開機繼續壓卷，如出現的劃痕較深，應采取補焊措施，并對該區域進行探傷檢測。

5）瓦片卷制完成后，應采用2 個或4 個對稱吊點來吊裝，保持力度均勻，以避免應力不均衡導致瓦片變形。瓦片應存放在平坦地面上或穩固的組焊平臺上。

3.2 非常規部分瓦片壓卷工藝方法

非常規部分瓦片卷制，主要克服上文所分析的大直徑壓力鋼管整張卷制的安全和質量控制難點問題。

3.2.1 卷制自動平衡法

瓦片卷制過程中，由于兩端高度不一致，且受力不均勻，為防止直接將鋼絲繩掛在30 t 門機上而導致不平衡。擬通過在30 t門機主鉤上掛設1個10 t 滑輪和1 根長9.0 m、直徑18.0 mm 鋼絲繩，兩端與穿過灌漿孔的鋼絲繩繩頭連接，在門機向上的外力作用下，鋼絲繩自動滑動上升或下降到達自動吊裝平衡。在瓦片兩側，距端頭0.5～1.2 m處掛2 個鋼板卡，通過1 根長4.0 m、直徑18.0 mm鋼絲繩與滑輪上的鋼絲繩相連，見圖2。

圖2 非常規部分卷制外力輔助圖

3.2.2 瓦片吊裝

瓦片卷制完成后，將縱縫轉至底部與垂直方向成15°角的位置，在鋼管頂部4 個吊點設卡扣進行瓦片吊裝，見圖3。瓦片掛鉤時，從門機上方掛1 根安全繩至瓦片頂部，掛鉤人員系好安全帶，并系在安全繩上。在鋼絲繩受力后，起升卷板機上輥，放置于卷板機倒頭機架，緩慢將鋼管瓦片吊出卷板機。

圖3 瓦片吊裝示意圖

3.3 卷板質量控制

所用鋼尺在使用前要進行檢定，且卷制過程中常用弧形樣板檢測壓卷弧度，樣板應與瓦片曲率半徑相配套。使用弧形樣板檢查瓦片時，每一塊瓦片均應檢查上、中、下三部位，質量控制標準見表1。樣板采用厚度δ=1.0～2.0 mm 鐵皮制作，弦長根據鋼管不同直徑分別為1.0，1.5 m。

表1 瓦片卷制的偏差控制標準

4 鋼管焊接技術

將卷制完成的鋼管置于組裝平臺進行調整，調準鋼管管口的平整度、實際與設計周長差值、鄰接管節周長差異，以及縱向和環向焊點的間隙等。在制造壓力鋼管的流程中，焊接質量十分重要，直接關系到整個工程的安全，因此，在生產過程中，需要重點把控和嚴格把控[4]。

4.1 焊接試驗及工藝評定

在進行焊接試驗及工藝評定前，根據類似工程或焊接手冊初步選用鋼板配套焊材。焊接操作規范選用時主要規定焊接電壓、焊接電流及焊接速度，最終反映到熱輸入線能量。對于電焊機，其焊接電壓和電流的參數都應有數字顯示，便于焊工操作控制。焊接速度通過規定每條焊材的焊接長度來進行調整。

通過焊接試驗（斜“Y”形抗裂試驗），用以復驗母材與焊材選用的匹配性，并確定鋼板焊接預熱溫度。通過工藝評定，用以確定焊接作業操作規范及規程指導實際焊接作業。其中，焊接試驗是工藝評定的前提，即在焊接試驗成功以后進行工藝評定才有意義。

進行焊接試驗及工藝評定時，選用有豐富焊接經驗的焊工嚴格按照技術部門編制的焊接試驗及工藝評定規程進行操作。焊接工藝評定時，按照給定的線能量范圍進行施焊，應選取線能量的上限值、中值、下限值分別進行，使給定的焊接規范具有實際操作性。在通過焊接測試后，將外觀檢查和內部檢驗合格的焊接技術評估樣品進行拉力、彎曲、沖擊韌性等機械性質的測試，并將測試結果提交給監管部門進行記錄備案。

4.2 焊前清理

為防止焊接過程中出現不良現象（例如氣孔等），預焊接區域及坡口兩邊各10.0 ～20.0 mm 內的氧化層、銹跡、油脂和其他異物應被徹底清除，每次焊接結束后都需及時進行清理。

4.3 預熱

預熱是保證焊縫質量的重要措施，通過預熱，去除坡口位置水汽，減少氣孔的形成；增加溶解氫析出時間，可有效防止冷裂；平緩焊接接頭部位溫度梯度，可防止裂紋和減少變形。預熱的具體要求：1）經焊接試驗評定，焊件必須經過預熱流程方可焊接時，該焊件的定位焊縫和正式焊縫都需要進行預熱處理，其中，定位焊縫的預熱溫度應比正式焊縫的預熱溫度高出20～30 ℃，并且在整個焊接過程中始終維持這一預熱溫度；另外，焊接間隙的層間溫度不應低于預熱溫度，也不應超過200 ℃。2）焊接部位一般采用遠紅外履帶式加熱板預熱，該設備裝設位置為沿焊縫長度方向距離鋼管焊縫兩側30.0 ～50.0 mm 布置。遠紅外線履帶式加熱板加熱方式如圖4所示。預熱區的范圍為焊縫中心線兩邊各延伸100 mm，定位焊則延伸至150 mm。

圖4 焊縫焊接示意圖

4.4 縱縫焊接

4.4.1 縱縫分段及分層焊接

首先，采用非對稱的“X”形（2/3+1/3）坡口方式對縱縫進行焊接，焊接過程中要求保證對稱性，同時進行多層、多級、多道焊接。這樣的焊接方法能夠形成更細膩的顯微結構，熱影響區較窄，從而使焊口展示出良好的延展性和韌性。對于高強鋼來說，后焊道在前焊道中能產生退火影響，從而提升焊口的結構和功能。焊接工作應從中部向兩側同時開始，并保持焊接速度始終一致。為了防止鋼管在焊接縱縫過程中生成錐度，底部焊縫的焊接應分為3 段，第一段為焊縫兩側2/3 處向兩側施焊，第二段為焊縫兩側2/3 處向中心施焊，第三段為焊縫兩側1/3 處向兩端部施焊。同一段焊縫，為了減少每一層焊口的數量，后續的每一層焊接工作都應從下向上進行施焊，中間每一層焊道的厚度都應控制在4～5 mm。在焊接縱縫的過程中，應由兩名焊工同時進行對稱操作?？v縫分段及同段焊縫層間焊道的標準順序，見圖5。

圖5 縱縫分段及同道焊縫層間焊接順序示意圖

4.4.2 焊接線能控制

焊接線能的大小直接影響焊件接頭的沖擊韌性，進而影響到鋼管的安全使用。如果線能量太大，焊縫熱影響區會形成魏氏組織，使得接頭的性質（比如沖擊韌性等）不能達到標準；如果線能量過小，焊縫熱影響區可能出現淬硬組織，可能導致焊縫裂開，或者產生未熔合和未焊穿等焊接缺陷。因此，焊接過程中切不可忽視對線能的嚴格控制，依據手工電弧焊的標準，線能量的大小不能超越40 kJ/m，實際操作中應基于現場情況控制在35 kJ/m 左右。在生產實踐中，應當盡量縮小焊條橫向擺動的范圍，根據國內標準，擺動幅度不能超過焊條直徑的4 倍。實際上，為了確保線能的指標，焊條的擺動幅度應控制在2.5～3.5 倍焊條直徑之間。同時，對于?3.2 mm的焊條，每根焊條的焊接長度應不小于70 mm，對于?4.0 mm的焊條，焊接長度應達到100 mm。

4.4.3 焊接角變形控制

在具體的施焊過程中，通過調節焊接的順序來管理焊接角度的變形。當鋼管組圓結束，假如縱向接縫位置出現了微小的直邊凸出，但仍在規定的標準允許范圍之內，應優先在鋼管的外部進行焊接以使其內陷，然后利用碳弧氣刨在后焊縫進行清根和焊接工作。與此同時，定期采用弧度檢測樣板對其弧度進行檢測，如果達到標準，將按照常規的正反方向交替進行焊接；若未達標，則繼續在后縫進行焊接，直至其弧度符合要求。

5 結語

經過對厚度為18.0 mm 的高強度鋼板進行大直徑整張瓦片卷制和焊接試驗后，所有試驗檢測項目均達到了鋼管制作技術指標。大直徑高壓力鋼管整張瓦片卷制和焊接等過程施工工藝試驗成功，并在該抽蓄電站實現批量生產。自2016 年5月至2019 年7 月，所有大型壓力鋼管制作完成并經過第三方檢測機構和現場專業監理工程師的全面檢測，一次性檢驗通過率達到了100%，優良率高達99.4%，為大型壓力鋼管在工區現場生產積累了豐富的經驗。