高原高寒条件压力钢管焊接施工工法

高原高寒条件压力钢管焊接施工工法

1.月I」言

在西部水电开发中，常常面临高原高寒气候，在恶劣野外环境下，大型昂贵自动

化焊接设备的运用受到限制，单纯依靠焊条电弧焊不利于有效掌握焊接变形，也难以

满足压力钢管大量焊接工作量对工期的要求。

西藏昌都金河电站引水压力钢管平均海拔3200m,是典型的高原高寒气候，其压

力钢管焊接施工通过简便、有效的工法实践，优化埋弧自动焊接工艺设计，抑制了高

寒因素的不利影响，取得了较好的经济和社会效益。

2.工法特点

2.1高原高寒地区空气淡薄，含氧量低，电弧燃烧不充分，承受空气等离子切割下

料和埋弧自动焊等方法，有效的提高了电弧稳定性和焊接线能量值。

2.2高原高寒地区日温差大，金河电站实测昼夜最大温差25℃,合理组装加劲环、

合理设计坡口等措施有效掌握了焊接变形。

2.3高原高寒地区积温少，尤其冬季干冷漫长，较同纬度东部平原低20℃,在低

温态焊接施工，实行正确的焊接工艺和热措施可以避开产生焊接裂纹。

2.4高原高寒地区多雨雪、大风天气，现场合理的工装设计是正常焊接施工的牢靠

保证。

3.适用范围

适用于高原高寒条件下压力钢管焊接施工。

4.工艺原理

4.1充分利用高原日照时间长，大胆承受露天厂房，重点围绕埋弧自动焊接，合理

穿插连接，优化钢管焊接施工流程。

4.2在单节钢管焊接校形后安装加劲环，直线工期延长，整体变形不易掌握，而利

用加劲环强制定形作用，在纵缝外缝焊接后、内缝焊接前进展安装，一方面减小了因

加劲环尺、J偏差对管节形体的破坏，另一方面通过加劲环的有效约束，提高了整体刚

度，减小了纵缝尤其是内缝的变形。

4.3假设承受气体保护焊，在高原高寒条件下实现有效的热措施和成熟的自动化操

作会比较简单，通过工艺改进，内外环缝和弯管均承受埋弧自动焊，电弧在焊剂层下

以隐蔽状态大电流稳定燃烧，减小了外部恶劣环境的影响，同时提高了线能量，厚厚

的渣壳还起到了后热处理的作用。

4.4自动角焊小车实现加劲环的全方位CO）保护自动焊接，由于变形小，效率高,

4

加劲环拼焊由关键工序变为非关键工序，工艺流程更为紧凑。

4.5在现场焊接施工口引进厂房治理中的实时检测概念，利用超声波探伤仪协作高

温耦合剂准时觉察和消退在线缺欠，避开产品积压，盘活施工场地空间。焊后验收环

节通过超声波检测、射线检测及其比照，准时觉察可能的时效缺陷。

5.工艺流程及操作要点

5.1工艺流程

现场钢管焊接工艺流程如图5.K

〈［焊前预备）T坡口加工卜》|卷板|纵缝组对一脚缝外坡口焊条电弧焊卜＞

I加劲环点固与焊接IT纵缝内坡口埋弧自丽IT环缝向IT环缝外坡口自动焊卜＞

环缝内坡口埋弧自动焊I■♦陞时无损检测［VT、UT）后验收（UT、RT））

图5.1钢管焊接工艺流程

5.2操作要点

5.2.1焊前预备

1、焊接材料：焊材贮藏间保持通风、枯燥；焊接材料尽量白天烘焙，避开吸湿；

专人负责领用分发与回收，即领即用，用后准时回收不过夜；焊条路于保温筒内，并

常常检杳，保持良好通电加热状态；适当削减焊剂槽中焊剂储量，在焊接区设珞风屏；

区分二次烘焙材料，防止误用；焊接过程中留意焊剂扬尘与清扫，层道中不应有焊剂

颗粒残留；禁用油污锈蚀严峻的焊丝。

2、焊前清理：认真清理坡口内锈污水份，尤其是水、冰、霜冻要彻底去除，在高

原高寒条件坡口内湿气滞留较深，日照降低氧分压的作用有限，必需进展预热。焊前

预热不仅可以适当提高母材初始温度降低温度梯度，削减过程吸湿，更重要的是焊前

除湿，避开气孔。

5.2.2坡口加工

1、坡口加工：按排料图和工艺卡进展放样，用空气等离子切割机下料，再在铳边

机上按坡口设计要求铳削成型。图522-1所示为自制加劲环切割装路。

图5.2.2-1自制加劲环切割装至各图

2、纵缝坡口设计与焊接：压力钢管过水面处高寒工况，坡口设计应首先考虑如何提

高内部和内壁质量。

1）坡口型式如图522-2。外坡口深约1/3,保证埋弧焊封底需要，同时使变形量

内外全都；内坡口深约2/38,有利于提高效率；钝边1mm利于拼对，钝边尺寸应与间隙

匹配；间隙1mm〜2mm可增加熔透量，削减清根工作，过大则引起周长误差；外坡口在

卷制后角度增加，按60。设计可保证坡口宽度；内坡口虽为埋弧自动焊，但因卷制后角度

削减，管壁较薄，设计时放大至46.9。（图示角度为卷制后角度）。角度46.9。的设计计

算：内坡口深度为8mm，板厚14mm（中性层厚7mm）,钢管内径3500mm。钢

管由两瓦片对拼而成，即存在两对坡口，每一坡口外边较内边弧长增加值为兀X（D

外

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

内

边与内边长度差hXtga（h为坡口深度，a为卷制前的坡口角度，即要求解的46.9°）；

该弧长增加值另一局部通过卷制后角度削减来弥补，削减量为卜乂唔（14><1830。（30。即期

望获得的卷制后角度

图522-2坡口型式图

2）外坡口直接在拼装位（钢管直立）由焊条电弧焊完成，主要优点是:

程的连续削减了焊接清理工作，更重要的是在保持工艺标准不变的状况下提高了线能

量值，避开了反复预热，保持了层间温度，防止了焊缝层道间吸湿。

2、焊接参数的全都性。在压力钢管焊接施工中，为防止连续焊接过程能量积存引

起过高线能量，增加易冷淬材料的开裂危害性，在施焊过程中应小标准多层多道焊，

速度适中，保持标准和操作的全都性和对称性。

5.2.4埋弧自动焊

1、埋弧自动焊工艺参数如表5.2.4o

表5.2.4埋弧自动焊工艺参数

板厚间隙电流电压焊接速度

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

2、埋弧自动焊简易操作架尺寸如以下图524-1所示。

图5.2.4-1埋弧自动焊简易操作架尺寸示意图（单位：mm）

3、埋弧自动焊变形掌握

1）纵缝纵向收缩变形：DL5017-1993标准规定单节钢管长度与设计值之差不应超

过±5.0mm。金河电站单节管长2100mm,按板厚（314埋弧自动焊三道计算，其纵向

收缩量为△L=0.006x2100x3/14=2.7mm。实际测量为3mm,均在标准范围之内。掌握

纵向收缩的措施主要是在保证焊透的状况下适当削减焊接电流，同时调整工艺，避开

因盖面层偏低增加焊缝层数，使变形量增大。

2）内凹与外凸变形：由于焊缝的角变形和横向收缩在管壁厚度方向的不全都引起

压力钢管管壁在焊缝处形成鼓包和下塌。第一层焊缝的影响至关重要，其变形作用约

为其它层的两倍。变形的最终取向将取决于内外坡口的相对熔敷作用。当以外坡口为

主时，焊后将引起内凹，反之亦然。施工中用焊缝量规认真检查坡口铳削、组对质量,

打底前沿焊缝全长方向预先调整焊接小车，清根时选择适宜的碳棒和操作角度，严格

掌握第一层焊缝变形。

J压力钢管

内凹

外凸

翘曲变形

图524-2焊缝翘曲变形示意图

3）环缝横向收缩变形：以内径D=3500mm,板厚b=14mm的钢管对接环缝为例，

实测最大△B=4mm。环缝焊接在自动滚焊台车上进展，层与层之间旋转方向相反，可

以均衡受热，削减横向收缩。

4）翘曲变形：翘曲变形型式如图5.2.4-2所示c翘曲变形主要由纵缝纵向收缩和

加劲环、环缝横向收缩引起。

5.2.5无损检测与焊后验收

在钢管环缝焊接完成后，充分利用滚焊台车，在线适时进展超声波检测，协作高

温耦合剂使用，满足质量消缺要求，提高了流水作业效率，保证了钢管准时下线。在

堆放场地，再按标准比例对特征部位可能缺陷进展扫查，并与射线检测比照。各项指

标验收合格后转入防腐施工。

6.材料与设备

本工法承受的主要材料、设备见表6。

表6主要材料、设备表

序号材料或设备单位数量用途

1PE-100空气等离子切割机台1钢板切割

2HBJ-9铳边机台1坡口加工

3MZ-1-1250埋弧自动焊机台2纵缝、环缝焊接

GR-71自动角焊小车

4台2角焊缝焊接

（配ZP7-5OO焊接电源）

CTS-23超声波探伤仪、

5台1焊缝无损检测

XXQ-25O5射线探伤仪

HJ431（型号HJ402-H08MnA）颗粒度0.5mm

6——埋弧焊用焊接材料

-3mm；碳钢焊丝H08MnA,（p4

7.质量掌握

7.1工程质量掌握标准

7.1.1焊缝、热影响区无裂纹、气孔、夹渣、弧坑。

7.1.2余高0〜4mm,焊缝半宽2mm〜7mm。

7.1.3咬边深度SO.5mm，长度SlOOmm并且不超过整条焊缝长度的I0%o

7.1.4无明显飞溅。

715角焊缝要求:K<12,O-+3,K>12,0〜+4。

7.2质量保证措施

7.2.1探伤由具备相关n级以上资质的人员进展，标准要求的探伤比例见卜.表

7.2.1。

表7.2.1探伤比例的标准要求

探伤方法RT（射线探伤）UT（超声波探伤）

类别I类焊缝H类焊缝I类焊缝II类焊缝

比例20%10%50%30%

合格级II级III级B【级BII级

复验比例5%

施工中，n类以上焊缝全部进展超声波检测，包括适时检测和延时检测，实际检

测比例达130%。依据标准标准要求准时修复觉察的焊接缺陷。16MnR简洁产生的缺

陷主要有未熔合、夹渣性未熔合、片状夹渣（含切割熔渣致夹渣，利用双探头从宽度

方向易探测）、点状夹渣（盖面速度慢，间隙>0.8,电弧前端漏下的焊剂颗粒造成）、

气孔（由于高寒条件冷凝作用强，搅拌作用差，CO2来不及逸出形成气孔）等，施工

中有针对性的加强了过程掌握，纵缝、环缝一次合格率均在95%以上。

7.2.2丁字焊缝、有可疑波形或推断不准时射线拍片比照。

7.2.3焊缝每个工位标识焊工钢印号，并在工序检查表中记录，表达可追溯性。

7.2.4碳弧气刨清根时，碳棒直径不超过8mmo

8.安全措施

8.1埋弧自动焊

8.1.1埋弧焊机掌握箱外壳必需盖好，防雨防渗水。

8.1.2埋弧焊用电缆符合焊机额定焊接电流容量，连接局部结实，并常常检查各局

部导线的触点是否良好、绝缘性是否牢靠。

8.1.3在焊接过程中应保持焊剂连续掩盖，以免焊剂中断、露出电弧。

8.1.4在调整送丝机构及焊机工作时，手不得触及送丝机构的滚轮。

8.1.5清扫、回收焊剂时应防止焊工吸入焊剂粉尘。

8.1.6常常留意偏心焊咀或滚轮磨损状况，如觉察磨损过甚，马上更换。

8.2焊条电弧焊

8.2.1可燃、易燃物料应远离电弧区。

8.2.2焊工应使用适宜的面罩和遮光镜片，配好防水胶鞋、口罩等劳动保护用品。

8.2.3在钢管内部等狭小区域焊接时，应保持通风换气。

8.2.4制止将过热的焊钳浸在水中，热焊钳应空冷后再使用。

8.2.5接地线或零线时，先接接地体或零干线，后接设备外壳，撤除则反之。

8.2.6焊接设备二次端的焊把线上既不准接地，也不准接零。

8.3碳弧气刨

8.3.1气刨时电流较大，要防止焊机过载发热。

8.3.2气刨时大量高温液态金属及氧化物从电弧下被吹出，应严防烫伤和火灾。

8.3.3气刨时噪声、有害烟尘较大，操作者应配好劳动保护用品。

9.环保措施

9.1施工期间应遵守《环境空气质量标准》(GB3095-1996)的二级标准，保证在

施工场界及敏感受体四周的总悬浮颗粒物(TSP)的浓度值掌握在其标准值内。

9.2施工期前，依据《建筑施工工场界噪音限值》

(GB12523-90),对施工场地产生的噪音加以掌握

9.3埋弧自动焊丝与C02焊丝、药芯焊丝等其它焊丝相比，焊接烟尘量最小。

9.4焊接烬头、渣壳等废弃物专人清扫，集中处理，避开污染土质。

10.效益分析

10.1本工法是工厂紧凑型流水作业在安装现场的成功应用，围绕压力钢管焊接与

变形，合理设计下料、坡口加工、卷制、拼焊、加劲环安装、无损检测与验收等工序

的组织施工，流程合理，连接紧凑，人机协调，较好发挥了有限资源的最大优势。

10.2本工法着眼野外环境作业简便、高效的要求，围绕压力钢管焊接自动化程度的

提高与焊接接头质量的牢靠保证，从经济、技术、环保角度合理比选自动焊接设备，就

地取材，自制关心工装，取得了明显的经济效益。

11.应用实例

11.1工程概况

11.1.1金河电站引水压力钢管承受三个Y形岔管，均为三梁岔，全长为556.657m。

主管(甲3500,16MnR,610-24)一条，总长为372.881m；次管((p2450,I6MnR,322)二

条，总长为70.756m；支管((pl700,16MnR,316)四条，总长113.020m。钢管设有加劲

环、止水环、灌浆孔螺塞等附件。

11.1.2压力钢管焊接主要包括钢管对接纵缝(929.538m),钢管对接环缝(2615m),

附件组合焊缝等。依据焊缝分类，I类焊缝主要有钢管管壁纵缝、厂内明管段环缝、

凑合节合拢环缝、岔管加强板对接焊缝、岔管加强板与管壁组合焊缝；I［类焊缝主要

有钢管环缝、加劲环对接焊缝、加劲环与管壁组合焊缝及其它主要受力角焊缝；其余

为in类焊缝。

11.2施工状况

11.2.1压力钢管共95()3制造焊接量约占3/4,压力钢管焊接以埋弧自动焊为主，

以焊条电弧焊为辅，其中纵缝焊丝耗量约1487kg,焊剂耗量约1487kg；环缝焊丝耗量

约2789kg,焊剂耗量约3347kg。

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