大直径洞内组圆焊接技术

王学勋，胡文波

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081）

在苏洼龙水电站工程项目中，使用了大量压力钢管，其施工作业选用的是洞内自动化组焊技术，主要工艺在于钢管以立式进行组圆，并根据需求完成纵缝焊接等工作，成型后转移至现场用于安装，最终构成完整的结构体系。

1 工程概况

苏洼龙电站工程项目中，引水系统设于金沙江左岸，共设置4条相互呈平行关系的引水隧洞，采取31m的间距控制标准。其主要组成结构为压力钢管段（内径10.0m），并配置适量锥管段（直径8.4m、长12m）安装在上游边墙外侧。结合现场施工条件，压力钢管施工作业包含明管段和埋管段两部分。压力钢管板厚30～40mm，统一选用N610CF材料。

2 设备分析

苏洼龙工程项目以智能化为发展目标，引入了ZH100型钢管智能化组焊台车系统。ZH100钢管台车核心是智能化中央控制集成系统，可实现主机旋转控制、油缸伸缩控制及其他电气控制，并可提供数据远程查询和远程视频监控。

主机横梁可升降，适应不同的管径；顶梁加工T型槽，带夹具后可适应不同的钢管宽度（1000～3000mm）；每根支撑油缸可单独调整，适应直管、锥管制造；操作平台可升降，适应不同管径的顶部平台操作；采用伺服电机转速无级调节，主机旋转速度可调；整机部件模块化设计，现场安装快捷方便。其具有安全、高效、环保、钢管制造质量高、设备自身安装快捷、转场快速、对支洞尺寸要求较低、制造过程智能化控制，并可远程监控等显著特点。钢管组圆的精度得到了保障，直径可控制在2mm以下。

3 大直径压力钢管洞内组圆焊接技术

3.1 施工准备

（1）清理焊缝坡口两侧10～20mm的区域，包括铁锈、油污等；经过碳弧气刨后，处理坡口及其两侧，打磨使其具有金属光泽。

（2）检查母材质量，明确有无缺陷，并以其为参考采取打磨等可行处理措施。通过表面无损探伤的方式检查质量情况，做好信息记录。每完成一道焊接后均要检查并清理施工中产生的杂物。

（3）设变形参考点，以便分析焊接节段的变形情况。

（4）选择样板，用于焊接后测量弧度的变化。

（5）配套焊接辅助设施，包含焊材烘干箱、保温桶等。

（6）检查装配尺寸，若实际偏差超出合理范围则必须校正。错牙校正所用工具为卡具，避免直接锤击。

3.2 对接缝定位焊接

定位焊不允许保留在一、二类焊缝内，焊缝背面碳弧气刨清根时将定位焊彻底清除。焊接前需要做好预热，处理区域为焊缝周边宽150mm范围内。以焊接工艺评定预热温度为基准，预热温度需在该值基础上增加20～30℃，采用氧气-乙炔火焰加热。定位焊缝应在距焊缝端部30mm以上，长度在50mm以上，厚度≤8mm。

3.3 焊缝预热

（1）钢管纵缝、环缝均采用履带式电加热板进行焊前预热，预热温度稳定在60～80℃。

（2）以预热温度为参考，要求层间温度不低于该值，最高温度≤200℃。

（3）配备表面温度计，严格控制测温范围，在距离焊缝中心各50mm处对称测量温度。每条焊缝测量点间距≤2m，且≥3对。

3.4 正式焊接

（1）层间温度控制。加强焊接期间的温度控制，检测中间层的温度情况，必须达到预热温度要求或比其略高，层间温度稳定在200℃以下。温度过高，说明焊接热输入过大，应暂停焊接，并在恢复焊接后控制焊接速度，以降低焊接热输入，其值应控制在35kJ/cm以下。为便于直观判断焊接热输入是否超标，可通过限制一根焊条所焊焊道长度进行控制。对于一根直径3.2mm的焊条，控制其焊道长度≥70mm；对于一根直径4.0mm的焊条，控制其焊道长度≥130mm。这样焊接热输入才不会超标。若层间温度低于预热温度，则要采取加热处理措施。

（2）焊接工艺。选择埋弧自动焊和手工焊条电弧焊两种方式，焊接时必须明确焊接评定报告的具体信息，以此为依据控制焊接工艺参数。在纵缝焊接过程中，助焊板是重要的辅助装置，可为引弧和断弧施工提供帮助。引弧和断弧的具体操作区应设置在坡口内，避免在母材上操作。对于引弧板和熄弧板的切除，可选择碳弧气刨的方式进行，并使用砂轮机处理坡口，使其具有平整性。若选择手工焊接，接头错开量应达到25mm或更多；对于自动焊接，错开量需增加至100mm或更多。每完成一道焊接作业，均要随即检查施工情况，如熔渣、飞溅等，并清理干净。焊接示意图如图1、图2所示。各焊缝都要遵循连续焊接的原则，若因特殊情况导致焊接中断，则要视实际情况采取合适的防裂措施。重新焊接前做好清理工作，确保焊缝表面不残留焊渣等。临时构件的拆除要避免强制性锤击，可选择火焰切割的方式，若损伤母材必须进行补焊，焊后磨平并做表面探伤（PT渗透检测或MT磁粉检测）。背缝的清理，以碳弧气刨较为合适，随后再使用磨光机打磨，满足洁净要求后即可开始焊接作业。

图1 双丝埋弧自动焊（单位：mm）

图2 单丝埋弧自动焊（单位：mm）

（3）施工要点。焊接期间要加强参数控制，确保焊接热输入的可靠性，并配备弧度样板，用以监测焊缝变形情况，明确实测结果与设计值的误差，调整工艺方法。焊接作业应优先从构件周边约束较大的区域开始，再逐步转向约束偏小的区域。带板试件的焊接作业要遵循同步性原则，即在延长处和钢管纵缝处施焊，再检验质量情况，若某项指标不满足要求，则要分析具体原因。对于因焊接工艺或材料不达标而导致的质量问题，需要再次组织焊接工艺评定试验，满足要求后方可将工艺方法投入使用。加劲环与管壁角焊缝采用埋弧自动焊的方式，避缝孔和串通孔处焊缝端部都要得到有效的封闭焊接处理。过渡板焊接之前要经过预热处理，相比于正式焊接温度，此阶段的温度应在该基础上适当增加20～30℃。完成一、二类焊缝的焊接作业后，由焊工依据规范检查质量情况，在焊缝周边用钢印打上工号，并将焊接过程中的各项信息完整记录；高强钢不可设置钢印，但依然要完成编号以及信息记录工作。结束焊接后将生成完整的记录表，焊工在该处确认签字。对于质量不达标的部分，需再次焊接，通过录像或照相的方式记录信息。

4 缺陷处理施工

4.1 表面缺陷处理

钢管在使用过程中易出现锈蚀或是撞伤等问题，以凹坑为例，若该处的深度≤2mm，使用角磨机磨平即可。若凹坑深度＞2mm，首先要使用角磨机处理，然后根据特定的工艺完成焊补作业。此处产生的焊接余高也要被有效打磨，可使用角磨机磨平。做好上述工作后，监理工程师进行全面检查，保证各项指标都满足要求。

4.2 焊缝内部缺陷处理

（1）焊缝内部质量的检查可采取无损探伤的方式，若存在缺陷，则要明确具体类型并探明成因，采取相适应的解决措施，严格依据规范完成返修作业。关于缺陷的清理，正常情况下以碳弧气刨的方式较为合适，通过角磨机处理渗碳层，在该处开合适规格的凹槽，在尺寸满足要求后即可返修。

（2）结束焊接作业且经过24h后，即可通过超声波检查质量情况，各部位的返修次数原则上只能为1次。返修工艺的选择至关重要，需要根据具体成因采取相适应的技术措施，还要得到监理的审批，否则不可进行返修作业。

（3）焊缝内部缺陷处理时要加强质量控制，形成“三检”检查记录，结束施工作业后由监理工程师检查，保证处理效果满足规范要求。

5 施工质量情况

压力钢管采用洞内组圆专机组圆，各项检测数据均优于规范要求，达到优良标准。制作焊缝全部采用埋弧自动焊，因此外观成型优良。内部质量UT检测总长度为2886m，一次合格2862m，一次合格率达到99.2%，TOFD抽检一次合格率达到100%。

6 结语

综上所述，文章以苏洼龙水电站引水隧洞压力钢管洞内组圆及焊接技术为工程背景，围绕压力钢管洞内组圆焊接技术展开探讨，总结各环节施工中的关键要点，提出缺陷的处理方法。实践表明，该技术能够有效应用于工程项目中，在保证施工质量的同时还可减少人力与物力的投入，综合效益良好，具有较高的参考价值。