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1、1 西龙池抽水蓄能电站引水系统钢管制造安装工艺 西龙池抽水蓄能电站引水系统钢管制造安装工艺 张忠和 张忠和 （山西西龙池抽水蓄能电站咨询专家组） 【摘 要】【摘 要】SUMITEN780 高强钢综合性能优越，可减少用钢量，经济效益明显，已广泛地被用在高水头的大型抽 水蓄能电站的压力钢管及蜗壳结构中。在山西西龙池抽水蓄能电站应用高强钢施工实践中，将所获点滴体会， 总结奉献给各位。 【关键词】【关键词】抽水蓄能电站 压力钢管 SUMITEN780MPa 钢 焊接工艺评定 钢管制安 1 工程概况 西龙池抽水蓄能电站位于山西省忻州市五台县境内，滹沱河与清水河交汇处上游约 3km 的滹沱 河左岸。电站由
2、上水库、输水系统、地下厂房、下水库、地面付厂房及开关站、补水系统等工程组 成。 电站引水系统，包括上水库进/出水口、压力管道上平段、引水事故闸门井、上斜井、中平段、 下斜井、下平段、高压钢岔管、高压支管等。引水压力管道采用“一管两机”供水方式，引水隧道 单洞总长各为 1#-1448.33 m，2#-1431.18 m ，单条压力管道斜洞长 756.59 m，高程差为 677 m。斜井斜度分别为 60和 56，HD 值 3552.5m3，钢管设计压力达 10.15MPa。该电站水头在我国投产和在建的水电站中，暂列第一。 2 焊接工艺评定试验 电站引水系统采用钢管，所用钢板型号为 SUMITEN5
3、10-TMC、SUMITEN610-TMC、SUMITEN780，板 厚在 16-60 之间，共 27 种规格，10523.472t。 (1) 焊接工艺要求 焊接工艺评定试件的钢材和焊接材料与制造钢管用材相同,试焊接位置包含现场作业所有焊接 部位。作焊接预热和后热。 (2) 机械性能试验项目包含：拉伸、弯曲、冲 击、硬度。 (3) 焊接工艺评定试板的焊缝设计及焊接 自动焊接采用平面焊接；手工焊接采用 45 斜角定位爬坡焊接，正面为立焊，背面为仰焊。 焊接工艺评定试板的对接焊缝的坡口设计为 非对称X型坡口，例右图 48 钢板。 (4)表面预热和层间温度控制， 列如 SUMITEN780： t25
4、 110-200，25 t 50 125-200，50t100 150-200。 (5)焊接工艺评定现场焊接温度控制和焊接特性记录 焊前预热温度在 70-230间，最高不超过 230；后热温度在 150-230，保温 1 小时。 焊接电流、电压与温度控制采用自动控制记录仪记录。焊接特性记录人工现场记录（数据略） 。 (6)焊接机械性能试验 试板焊接完成 48 小时，进行探伤检验，经检验合格的方可加工试块。然后进行机械性能试验， 试验结果见表 1。 4828 1614焊缝示意图（ mm ） 98 7 65 4 3 2 1 10 111213 2 表 1 机械性能试验部分结果 序 号 780 级钢
5、材 钢板 厚度 硬度试验 HBW5/750 拉伸 试验 MPa 低温冲击试验 -40 KVS（J） 弯曲试验 a=100 d=6.6a a=180 母材 焊缝 焊缝 溶合线热影响区 1 SUMITEN780 60 255 260 810 65 221 174 合格 SUMITEN780 60 815 66 220 220 合格 SUMITEN780 60 805 113 230 208 合格 2 SUMITEN780 48 278 278 830 141 190 226 合格 SUMITEN780 48 815 123 103 270 合格 SUMITEN780 48 825 116 134
6、242 合格 焊接工艺评定试验 7 次，除 48 mm 和 60 mm800 MPa 级钢板弯曲试验（弯曲断裂或弯曲裂纹 超标） 不合格外， 其余钢种均一次合格。 经分析认为： 弯曲试验半径为 3T， 相当于钢板的延伸率 25%， 而日本进口钢板的说明书标明延伸率为 21%，试验结果为 17%-19.5%，证明弯曲试验半径是导致弯 曲试验不合格的主要原因之一。后采用日本 JIS Z3122 标准，试验一次成功。 3 钢管制造工艺 (1)钢管下料的划线、切割及坡口加工 划线：首先检查钢板的平整度，校正钢板因运输、保管、叠放而引起的变形，避免影响划线 和坡口切割精度。划线的同时，用油漆标注：管节号
7、、水流方向、水平和垂直中心线、加劲环位置、 贴壁排水管安装位置等。不许在 SUMITEN780 级钢板上面打冲眼、不许有划痕，防止产生不必要的裂 纹源。 下料时控制：直管段相邻管节环缝间距不小于 500 mm、相邻管节纵缝间距大于 100 mm、同一 管节上纵缝间距不小于 500 mm。 考虑焊缝收缩量和卷板延伸量的影响，并留有余量。 用自动切割机或半自动切割机对下料钢板进行切割，边线平齐。切割时不能停顿，更不能隔 夜进行。 在坡口加工时，除保证坡口尺寸外，将熔渣、毛刺、缺口修磨整齐干净，并将坡口的渗碳层 磨削掉，一般磨削在 0.5 mm 以下的厚度就可将渗碳层磨削掉。经检查坡口没有微裂、夹层
8、、夹渣等 缺陷，方可卷板。焊缝坡口： 24mm 以上钢板为非对称 X 型坡口，20mm 以下钢板为 V 型坡口。 (2)卷板 钢管卷板时，卷板方向和钢板压延方向保持一致；卷压过程，不可一次下压量过多，用弧度样 板检查，卷压并调整压延所要达到的弧度标准。避免扭曲、瓢弧现象发生。 (3)钢管管节的组装和焊接 卷后钢管放在组装平台上，在自由状态下调整钢管管口纵缝和环缝焊口间隙及相关尺寸，为减 小焊缝接头的横向收缩应力，焊缝间隙控制在 0-3 mm。焊缝组装时，要减少和分散积累误差与错 位超差，将丁字焊缝及错位较大之处先对装定位。减小焊接拘束应力和装配应力，提高组装质量。 定位焊接的长度为 100 m
9、m,间距 300 mm,焊角高度小于 8 mm;定位焊接距焊缝端部大于 30mm；定 位焊预热时,以焊缝中心150 mm作为定位焊预热范围进行预热,预热温度高于主缝预热温度20-30。 定位焊在后焊接的焊缝坡口内，以便碳弧气刨清除干净，定位焊不许保留在高强钢的任何焊缝中。 主焊缝开焊前，要检查坡口表面的氧化皮、铁锈、油污等。检验焊缝间隙和错位情况，还要检 查定位焊接的裂纹、气孔、夹渣等，发现问题，解决后再开焊。 600 MPa 、800 MPa 级钢材都要预热，定位焊用氧-乙炔气火焰加热；主缝焊接用履带式电加热 板加热。预热温度在 70230且不超过 230。实际施工控制在 100150之间。
10、层间温度3 施工时掌控在 160180左右。预热须均匀加热，加热范围在焊缝两侧各 3 倍钢板厚度范围内， 履带式加热板宽度有 150mm 和 260mm 两种，可完全覆盖在焊口上面。用远红外线测温枪，距焊缝中 心线两边各 50mm 处对称测量，每次每条焊缝测 6-8 处，每 30 分钟测量并记录一次。 焊材：手工电弧焊：16MnR 选 E5015 型焊条；SUMITEN610-TMC 选 L-62CF 型焊条；SUMITEN780 选 L-80SN 型焊条：焊条规格为直径3.2mm、4.0mm、5.0mm 三种。 埋弧焊： 16MnR 选 H08MnA 型焊丝， HJ431 型焊剂； SUMI
11、TEN610-TMC 选 Y-204B 型焊丝， NB-250H 型焊剂；SUMITEN780 选 Y-80M 型焊丝， NB-250H 型焊剂。直径都是4.0。 焊接线能量控制在 21KJ/-36 KJ/之间（平均值） 。线能量过大，焊缝过热区发生脆化及热 影响区软化，导致冲击韧性降低。线能量也不能过低，线能量过低就会产生冷裂纹。 钢管纵缝和直管环缝，用埋弧自动焊焊接。纵缝引弧板和息弧板的板厚与坡口形式、尺寸等与 主缝要求一致。直管环缝在滚焊台车上焊接。 弯管环缝用手工焊接，每次焊接 4 人一组，对称均匀且速度一致。焊接时不能中断，两大班 12 小时对倒。背缝清根在正缝焊接完成后，用碳弧气刨
12、刨除封底焊和定位焊的焊道，碳弧气刨电流约 270500A、空气气压为 0.40.6 MPa，刨槽整齐、形状理想。另配专门打磨人员进行总体打磨， 要求 100%的打磨，清除明显的沟槽、飞溅、污物等，露出金属光泽。还要磨除渗碳层。 每道焊缝的焊接顺序、道数、焊角高度等（参见图示 ） 。 在焊装加劲环、止推环、阻水环的时候。注重加劲环的对接焊缝与钢管纵缝错开 100 mm 以上， 检查加劲环和钢管的间隙，相互间的垂直度；及加劲环组成的平面与钢管轴线的垂直度等都要满足 规范要求。 (4)焊缝表观检验：电弧擦伤、咬边、飞溅和焊缝不饱满等缺陷，在不低于预热温度的情况下检 查， “趁热”处理，避免二次加热。
13、 (5)后热可防止再热裂纹， 部分地解决软化及脆化问题， 可使焊接残余应力重新分布或部分消除。 后热温度多数在 158186，保温时间 1 小时，每 30 分钟测量并记录一次。 SUMITEN780 级钢，较易产生延迟裂纹和热应力裂纹或有这种倾向发生的可能。在割除吊、卡具 或临时构件时不能伤害母材，打磨要圆滑平整彻底。 (6)无损检测；西龙池电站采用超声波探伤、射线探伤、磁粉探伤或渗透（着色）探伤等几种 方法。SUMITEN780 钢在焊接后 48 小时进行探伤检验。探伤检验前，把焊缝表面处理干净，不影响 探伤质量评定。一类焊缝超声波探伤检查率 100%，射线探伤检查率 25%；二类焊缝超声波
14、探伤检查 率 100%，射线探伤检查率 10%。 (7)防腐除锈和涂漆 ：引水钢管内壁防腐采用环氧煤沥青防锈漆。钢管表面除锈等级为 Sa2.5， 表面粗糙度为 60-100 um。表面除锈和涂装间隔时间：阴雨潮湿气候条件下为 4 小时，晴天或正常 条件下为 12 小时。底漆干膜厚度在 40-75 um，底漆和面漆干膜总厚度为 500 um。在环缝两侧各留 200 mm 不涂漆，待钢管安装焊接后涂漆。钢管外壁涂刷苛性钠水泥浆。 4 钢管安装(1)引水钢管运输 引水上斜井为 515.59m、引水下斜井长为 242m。洞内运输运距长，斜井段坡度较陡，转弯多， 黑暗且灯影多，运输速度和安全相矛盾，既是
15、安全施工的关键又是安装进度的重点。 从钢管制造厂至安装现场，钢管运输用 40t 拖车运输。 中支洞和下支洞用天锚在洞内卸车，在钢轨上拖运至安装地点。 引水上支洞在洞口卸车,在钢轨上拖运 600m 至 1、 2引水管道中心处,在回转台车上转向 90,然后在洞内运至安装位置。 洞内每条引水管道各布置 1 台 32t 卷扬机。外加 1 台 32t 卷扬机，作为两条引水钢管斜井运 输公用牵引动力。牵引的安全系数为 9。 钢管运输时，用 10 t 卷扬机向下牵引运输钢管，待到斜井角度逐渐增大的空间弯管前，10t 卷 扬机逐渐放松牵引，再由两台 32t 卷扬机共同牵引，将钢管向下放送到钢管安装位置。 洞内
16、运输轨道用 20#工字钢沿洞轴线铺设，用槽钢、角钢和钢筋，焊接加固在洞底予埋钢筋及洞侧的锚杆上，基础部分浇筑混凝土。 4 洞内安装台车布置：除钢管运输和载人台车外，钢管内安装台车有 3 台； 压缝对装台车、焊 接台车及探伤、消缺、防腐、灌浆台车。各台车用钢丝绳固定在钢管内壁的吊耳上，台车间用活动 钢爬梯连成通道，每个台车用跳板纵横两层封底并铺垫石棉布，确保下面台车施工安全。 (2)钢管安装 斜井钢管对装：钢管运输到位后，首先调整里程、高程，并将环缝周长差分散调整并消除错 位超差， “丁”字焊缝及错位较大之处先对装，焊缝间隙控制在 03mm 间。钢管相关尺寸满足要求 后，进行定位焊接。 钢管安装加固， 用 10 槽钢和60 角钢焊接在钢管外加劲环上。 钢
