呼和浩特抽水蓄能电站压力钢管800MPa级高强钢焊接工艺评定浅析.docx

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1、呼和浩特抽水蓄能电站压力钢管800MPa级高强钢焊接工艺评定浅析摘要呼和浩特抽水蓄能电站工程，压力钢管部分地采用800MPa级高强钢钢板，WSD690E型调质高强钢的焊接工艺评定，是钢材和焊材性能、焊接接头机械性能、焊接工艺参数选择及焊接环境适应等最佳匹配综合指标的考量和检验。本文就8OOMPa级高强钢焊接工艺评定试验过程和结果做简浅的分析。关键词800MPa高强钢焊接工艺评定压力钢管焊材对比试验呼和浩特抽水蓄能电站1工程概况呼和浩特抽水蓄能电站位于内蒙古呼和浩特市东北部的大青山区,距离呼和浩特市中心约20km。电站总装机容量1200MW,装机4台，单机容量300WV。电站建成后接入蒙西电网，

2、在电网中担任调峰、填谷、调频、调相及事故备用任务。水道系统由上水库进/出水口、引水隧洞、闸门井、调压井、引水钢管、岔管、高压支管、尾水隧洞和下水库进/出水口组成。引水系统采用一管两机的布置方式；尾水系统采用一洞一机的布置方式。两条高压管道采用斜井布置，相互平行，钢管直径为5.4-4.6m,高压支管直径3.2-2.0m,全部为钢板衬砌。在厂房上游布置高压岔管，岔管采用对称Y型内加强月牙肋钢岔管。4条尾水隧洞平行布置，钢管直径为5.0m,下平段和下弯管采用钢板衬砌，其余采用钢筋混凝土衬砌。下水库进/出水口为岸边侧式。水道系统主要工程量为：引水压力钢管制安1.06万I、尾水压力钢管制安0.37万I。

3、引水系统和尾水系统压力钢管最大直径为5400mm、最小直径200Omn,分别由直管、弯管、变径管及岔管等组成。压力钢管制造用钢板材质有3种：490MPa600MPa和790MPa级调质钢。其中490MPa板厚有16mm40un12种规格，共6747t;600MPa级调质钢板厚有28mm50mm9种规格，共39291;790MPa级调质钢板厚有30mm66mm17种规格，共3552t.三种材质的钢管制造总量为142281。2焊接工艺评定项目确定2.1焊接试件的钢板、焊材和厚度选用钢板采用WSD690E调质高强钢，钢板化学成分如表1所示。表1钢板化学成分（%）钢种上学成*Ceq%Pcm%WSD69

4、0ECSiMnPSCuNiCrMoVB0.530.25W0.HW0.55W1.500.0150.0150.500.301.500.800.60.050.005焊材选定多种品牌，也做了多组焊材对比试验，走了弯路且浪费了时间与财力，最终确定为大西洋牌焊材。焊接钢板厚度选用；依据规范D1/T5017-2007第6.1.19要求，WSD690E钢板选取可覆盖30mm一66mm所有800MPa级钢板，厚度选用38mm、56mm、66mm三种，各做两组试板，分别用手工电弧焊和埋弧自动焊焊接。试板尺寸长900mm、宽40On1nb焊缝位于宽度中部；角焊缝试板高度不少于300mm。根据钢管使用的不同钢板、焊材

5、，组成以下各种焊接试板作焊接工艺评定。（1）对接焊缝试板，评定对接焊缝焊接工艺；（2）角焊缝试板，评定角焊缝焊接工艺；（3）组合焊缝试板，评定组合焊缝（对接焊缝加角焊缝）的焊接工艺。对接焊缝试板评定合格的焊接工艺亦适合于角焊缝。评定组合焊缝焊接工艺时，采用对接焊缝试板，当组合焊缝要求焊透时，增加组合焊缝试板。2.2 主要焊接参数焊接参数主要是电流、电压、焊接速度、线能量、预热温度、层间温度等，以控制和影响焊接质量的诸多参量因素为核心，调整、选择适合现场条件、焊接方式、钢材、焊材的最佳匹配的焊接试验为目的。通过实践验证、总结和凝练成功的焊接规程、焊接工艺指导书及坡口设计等，去满足和服务于制造、安

6、装生产需要。2.3 焊接工艺评定项目的工艺设计（1）焊接试验项目应覆盖800MPa级钢板所有焊接钢板厚度30mm-66mm的17种规格，满足规范D1/T5017-2007第6.1.19要求。依据规范选择了38mm、56mm、66mm三种厚度钢板作为试验，可覆盖30mm-66mm的所有800MPa级焊接钢板厚度。选择66m试验仅作为岔管相邻焊口焊接工艺评定需要。表2焊接工艺评定试验项目表钢种板厚r试板编号备注SAW平焊SMAW立向上焊SAW+SMAW组合焊缝WSD690E66Z1S1主要用于岔管连接焊缝56Z2S238Z3S3S4注：Z表示埋弧自动焊，S表示手工电弧焊。（2）剖口形式设计及焊接顺

7、序如图1所示。2.4 焊接试板机械性能试验表3钢板力学性能和工艺性能钢种板度钢厚拉伸试验冲3G试验冷弯试验抗拉强度MPa屈服点延伸率%V型冲击功Akv（横向）J应变时效冲击功5%kvsJ180WSD790E15FOtC二470834d=3a250760910266515钢板对接接头试板机械性能评定项目和数量按D1/T5017-2007第6.1.20、21、22条执行，并进行接头拉伸、弯曲、冲击、硬度试验，试验方法和合格标准按D1/T5017-2007附录D的规定执行。角焊缝及组合焊缝试件焊完后，需经外观检查和磁粉、渗透探伤。试验方法和合格标准按D1/T5017-2007附录D的规定执行。3焊接

8、工艺评定800MPa级钢材焊接工艺评定，自2011年4月18日至12月23日完成。试验过程主要有三个阶段：第一阶段焊接工艺评定试验失败；第二阶段焊材对比试验；第三阶段，专家们指导的焊接试验。（1）焊接工艺评定第一阶段（2011年4月18日一8月29日）。从焊接工艺评定试验结果来看，焊接机械性能试验一次合格率仅37.5%；按照D1/T50172007规范要求，一次不合格可在原试件重复取样，复验不合格的，修正焊评工艺，再进行焊接试验。如此反复的如338Inm的Z1试板，经三次试验合格；Z?试板是二次试验合格。其次，在拉伸、弯曲、冲击的试验结果综合来看，试验数据没有规律性，在一次多组试验中，没有一组

9、四种数据都不合格的，只是单项不合格，合格几率是发散的。其三，例如Z2试板的冲击值，焊缝区一组22J、221J、210J,热影响区30J、110J、70J,其结果相差3-10倍；Z1试板拉伸值：第一次756/762N/mm、第二次756/742Nmm,设计值760No所测试验数据比较，初判结论为：数据相差波动较大，稳定性稍差，合格几率偏低，安全裕度不高。主要原因简析：1）焊接参数掌控不严，使得电流、电压、焊接速度、线能量等数据波动大，影响了焊接质量。以埋弧自动焊接为例分析；焊接电流400-70OA波动范围大，焊接电流700A是偏高的；其二，焊接速度忽快忽慢，线能量变化偏大。其三，焊层薄厚不均，焊

10、道过宽或偏窄，横向收缩应力大小不一，线能量波动大。电流的波动、焊速的快慢、焊层的薄厚最终会导致线能量波动，线能量在48.7KJcm之间11.5KJcm起伏；线能量小，可产生淬硬和裂纹趋势；线能量大，则易产生脆性和软化组织；其四，高强钢焊前是要预热的，规范要求预热温度在100150C,为降低道间温度，实际控制在80150C,试验记录显示预热温度在106145C之间，层间温度在81175C之间变化，略显偏高，其危害与线能量偏高影响相当。以后在实际施工中，要严格掌控预热温度在8O-12OoC之间，以降低层间温度，对焊接机械性能的提高有好处；同时还要考虑地区气候和地理条件影响，冬季或洞内施工也要适当控

11、制预热温度在100150。其五，焊材选用是800MPa钢板厂家配套供货，相对几家钢板供货商，焊材显得品牌多，不易统一管理，试验结果差强人意，经商定最终统一采用大西洋品牌焊材。2）焊接工艺评定试验结果统计一次合格率在37.5%,有个别的不合格；焊材选择有几种，加之焊接参数选择不一致和随意，不能完全体现焊材的优劣，也不具备相互间的可比性。这是焊接工艺评定一次合格率偏低的影响主要因素之一；其次由于钢板中不利元素如S、P、B等影响，会产生明显扩大高温脆性范围的趋势，即使在设计允许范围内合格，其上、下微小偏差影响，会导致同一组试验结果相差很大，因此也不排除钢板机械性能的稳定性，钢板原材料抽检结果也是佐证

12、。其三、焊材和钢材的匹配性能最佳数据，还有待于摸索，在短时间内很难做大量的试验和得出全面、正确的结论，况且我们的试验目的就是针对现场焊接生产需要的。3）试件加工精度不够，也可影响试验结果。（2）焊材对比试验，这也是第二阶段（2011年4月21日2011年8月29日）；由于前段时间的试验结果不甚理想，采用多个品牌焊材作对比试验。1）为寻找最佳匹配捷径，选择大桥、金丝、大西洋、日本神户、上海电力、金桥、昆山等多种焊材。2）由于焊接参数选择不一致和随意，不能完全表现焊材的优劣，试验结果也不具备相互间的可比性。试验不是理想的。3）试件加工精度影响因素。4）钢厂推荐的金丝牌焊丝WER80+大桥牌焊剂TH

13、-SJ1O1,由于原来试验结果不理想，厂家调整焊丝的化学成分、工艺参数后，焊接试验做了4块试板，结果还有三块试板产生了裂纹,裂纹产生都在气刨侧。首先考虑焊接试验参数影响，同时考虑焊材、钢材相关的抗裂性能影响。通过焊材对比试验，对钢材制造、焊材生产、电站设计与施工工艺，为形成产业化生产提供宝贵实践经验。（3）另外，还做了一组斜Y试验，试验采用800MPa级66mm厚的钢板。根据斜Y型坡口焊接裂纹试验方法，焊条电弧焊焊接试验做了7个温度等级的试验，试验结果如表4所示。表4斜Y型坡口焊接裂纹试验结果统计表（手工焊接）预热温度常温23.8*C73C116.9C152*C180.5*C201.6*C23

14、1.74C裂纹长度裂纹率%裂纹长度裂纹率先出工匕度裂纹率先纹度裂长裂纹率先裂纹长度裂纹率%裂纹长度裂纹率先裂纹长度裂纹率先表面裂纹率6075无0无0无0无0无0无0根部裂纹率7897.5无0无0无0无0无0无0断面裂纹率12100无0无0无0无0无0无012100无0无0无0无0无0无012100无0无0无0无0无0无0无0无0无0无0无0无0无0无0无0无0无0无0无0无0平均值60平均值0平均值0平均值0平均值0平均值0平均值0从表4中可以看得出来，斜Y型坡口焊接裂纹试验不需要多种温度级别试验，在常温、IOOC或150C就可以满足试验要求：高强钢焊前预热是必须的，解决焊接裂纹也是非常必要的；预热温度在80C就可以防止焊接裂纹的出现。（4）第三阶段焊接工艺评定试验（2011年12月2日12月23日）。依据专家们的指导意见，重新做了焊接工艺评定试验，严格控制焊接工艺的所有参数；例如：埋弧自动焊接电流控制在440600A；焊接电压在2934V；焊接速度是31.950.7cmin;线能量在18.737.1KJ/cm；手工电弧焊接也作了严格