大直径高压钢管瓦片整张卷制技术及应用

谢亮，石春，李世斌，陈昌文

（1.中电建建筑集团有限公司，北京 100120；2.华电吉林能源有限公司，吉林 长春 130028）

0 引言

传统的大口径钢管生产工艺，就是借助卷板设备将钢板卷曲成弧形瓦片，然后通过起重设备将卷制后的钢板立于组装焊接钢模上，运用多次纵向焊接实现组合和修正，以此完成钢管段的制作。虽然整张钢板一次卷圆成型技术已基本成熟，然而对于大直径耐高压的高强钢管，卷板难度较大，容易发生过卷现象[1]。过卷后再反向矫正对钢板损伤较大，不符合高水头电站的高压管道钢管的要求。因此，可以通过研究辅助设备，将高强钢板整体卷制成钢管瓦片，并将纵缝立焊改为平焊，以提高管口的平整性，有助于更为精确地控制钢管的接合直线性，并有效地提高钢管制造的质量和效率。此外，这种创新的卷制技术的研究和使用，是建立在电站压力钢管整体卷制工艺的基础之上，使得大型钢管能够在电站实现整体的机械流水线操作[2]。

1 工程概况

某抽水蓄能电站压力钢管制作包括引水系统压力钢管和尾水系统压力钢管，分为直管、弯管、渐变管、人孔、加劲环、止推环、阻水环及其他部件。压力钢管采用材质为Q345R，JH610CFD，WSD690E等高强钢钢板制造，图纸设计工程量为24 804 t。

引水压力钢管上平段及上斜井拟进行板厚为18.0～22.0 mm 的整张瓦片卷制，内径5.6 m，共58节。尾水支管钢管板厚18.0～20.0 mm，内径4.6 m，每条支管管节数37 节，其中合拢节1 节，方变圆管节8 节；4 条管道共计148 节，拟进行板厚18 mm 整张瓦片卷制116 节；相对于大直径压力钢管，18.0～22.0 mm 的壁厚显得较薄，瓦片卷制时两端翘起，中部易发生反向鼓包或过卷，整体卷制难度大。

2 难点分析

2.1 大直径高压钢管整张卷制安全控制难点

1）门机辅助吊装存在安全隐患

由于钢板直径大、曲率大，相对刚度差，瓦片卷制过程中，钢板刚度难以支撑自身重量。因此，需要门机辅助增加外力才能卷制，外力方向为沿门机起升机构卷筒的轴向，而门机起升系统钢丝绳垂直于卷筒轴向，卷制过程中钢板在不断移动。在这种情况下，外力垂直于起降拉力，容易引起钢丝绳滑槽，受力失衡，出现安全事故；另外，钢丝绳起升时由于倾斜与小车底梁存在摩擦，长时间运行对钢丝绳磨损严重，安全隐患较大[3]。

2）成品瓦片吊装安全风险大

瓦片卷制完成后，若将纵缝旋转至上方，端头因自重下塌，出现交叉，无法吊装；若将纵缝旋转到下方，工人站立在钢管上方进行挂钩、吊装，安全风险较大。

2.2 瓦片卷制质量控制

1）瓦片卷制弧度问题

大直径高压钢管瓦片卷制过程中，钢板在自身重量作用下发生下塌或外仰，使用样板模具检查弧度时，难以判定是否符合要求，过卷将会导致整张钢板报废。

2）瓦片卷制出现折弯质量问题

瓦片卷制时，卷曲部分的重心外移，若重量超出自身刚度，会出现钢板折弯现象，高强钢板折弯后的瓦片不能矫正再用，导致钢板报废。

3 大直径压力钢管整张卷制试验方案

大直径压力钢管整张卷制试验方案分两部分进行卷制：常规部分指瓦片压头、端头3.0 m范围内直接利用卷板机进行卷制；非常规部分指端头3.0 m外的中间部分，借助外力和工装进行卷制。

3.1 常规部分瓦片压卷工艺方法

3.1.1 施工准备

1）熟悉并检查工艺设计图，熟知需卷制瓦片的钢板材质、规格尺寸、水流路径方向、钢管内径及质量管控要求。

2）复检待卷制钢板，包括外形尺寸、坡口尺寸和外观检查，避免将上道工序有缺欠的瓦片投入卷制。

3）检查钢板的顶部和底部，以避免存在可能对压头和卷制造成干扰的氧化铁皮、铁锈等杂质和熔渣，从而影响卷制质量，或者对机器的工作辊造成损坏。

4）检查清理卷制设备、工器具及检测工具，如卷板机上下辊的平行度、检测样板的完好性等。

5）将待压卷的钢板吊至卷板机作业平台。

3.1.2 板料对正与瓦片压头

1）卷板应和钢板的压延方向保持一致。在进行卷板工作时，利用门式起重机将钢板平稳地起吊到卷板机的下辊一侧，启动送板，操控下辊让钢板进入上下辊中间，期间利用卷板机顶部的对中设备调整钢板居中，启动工作辊，分别对钢板的两个端头进行压头。在整个压卷过程中，应尽可能使用较小进辊量进行反复滚制，从而使钢板的两端压卷部分达到规定的弧度需求。在压头环节中，应注意尽可能地缩短直边的长度。瓦片卷制过程见图1。

图1 瓦片卷制过程示意图

2）压卷中严格监控钢板两个端部的压头弧度，以防止部分地方内收或者外翘，同时保持钢板中心与辊板机轴心的垂直度，从而防止瓦片发生扭转。

3）通过移动下滚轮来配合上滚轮进行三辊弯板机的压头操作，同时使用弧形检测样板对压头时的弯曲度进行检测，直至达到预设要求。

3.1.3 瓦片卷制与修弧要点

1）钢板卷制前，采用石板笔画出平行于短边的等距素线，根据素线调整滚压线，反复卷制成形。操作过程是先从板材的两个端部开始压卷，然后是中间部分。在整个压卷过程中，必须不断地借助检测样板进行核查和矫正，压卷尽可能地采用较小的卷入量进行操作。

2）卷制过程中每一次素线出现时，都要检查素线与卷辊的平行性，并采取措施来控制卷板机轴辊中心与钢板中心的垂直度，以免卷制的瓦片出现扭曲状况。

3）钢板卷板过程中，严禁对钢板进行敲打，以免锤击引起钢板表面出现瑕疵。

4）在制作过程中，需定时检查并清理钢板的氧化物、铁锈及其他杂质。若压卷过程中发现钢板出现毛刺或划痕，应立即停止压卷作业。后续利用研磨抛光设备将其研磨至平滑后再重新开机继续压卷，如出现的划痕较深，应采取补焊措施，并对该区域进行探伤检测。

5）瓦片卷制完成后，应采用2 个或4 个对称吊点来吊装，保持力度均匀，以避免应力不均衡导致瓦片变形。瓦片应存放在平坦地面上或稳固的组焊平台上。

3.2 非常规部分瓦片压卷工艺方法

非常规部分瓦片卷制，主要克服上文所分析的大直径压力钢管整张卷制的安全和质量控制难点问题。

3.2.1 卷制自动平衡法

瓦片卷制过程中，由于两端高度不一致，且受力不均匀，为防止直接将钢丝绳挂在30 t 门机上而导致不平衡。拟通过在30 t门机主钩上挂设1个10 t 滑轮和1 根长9.0 m、直径18.0 mm 钢丝绳，两端与穿过灌浆孔的钢丝绳绳头连接，在门机向上的外力作用下，钢丝绳自动滑动上升或下降到达自动吊装平衡。在瓦片两侧，距端头0.5～1.2 m处挂2 个钢板卡，通过1 根长4.0 m、直径18.0 mm钢丝绳与滑轮上的钢丝绳相连，见图2。

图2 非常规部分卷制外力辅助图

3.2.2 瓦片吊装

瓦片卷制完成后，将纵缝转至底部与垂直方向成15°角的位置，在钢管顶部4 个吊点设卡扣进行瓦片吊装，见图3。瓦片挂钩时，从门机上方挂1 根安全绳至瓦片顶部，挂钩人员系好安全带，并系在安全绳上。在钢丝绳受力后，起升卷板机上辊，放置于卷板机倒头机架，缓慢将钢管瓦片吊出卷板机。

图3 瓦片吊装示意图

3.3 卷板质量控制

所用钢尺在使用前要进行检定，且卷制过程中常用弧形样板检测压卷弧度，样板应与瓦片曲率半径相配套。使用弧形样板检查瓦片时，每一块瓦片均应检查上、中、下三部位，质量控制标准见表1。样板采用厚度δ=1.0～2.0 mm 铁皮制作，弦长根据钢管不同直径分别为1.0，1.5 m。

表1 瓦片卷制的偏差控制标准

4 钢管焊接技术

将卷制完成的钢管置于组装平台进行调整，调准钢管管口的平整度、实际与设计周长差值、邻接管节周长差异，以及纵向和环向焊点的间隙等。在制造压力钢管的流程中，焊接质量十分重要，直接关系到整个工程的安全，因此，在生产过程中，需要重点把控和严格把控[4]。

4.1 焊接试验及工艺评定

在进行焊接试验及工艺评定前，根据类似工程或焊接手册初步选用钢板配套焊材。焊接操作规范选用时主要规定焊接电压、焊接电流及焊接速度，最终反映到热输入线能量。对于电焊机，其焊接电压和电流的参数都应有数字显示，便于焊工操作控制。焊接速度通过规定每条焊材的焊接长度来进行调整。

通过焊接试验（斜“Y”形抗裂试验），用以复验母材与焊材选用的匹配性，并确定钢板焊接预热温度。通过工艺评定，用以确定焊接作业操作规范及规程指导实际焊接作业。其中，焊接试验是工艺评定的前提，即在焊接试验成功以后进行工艺评定才有意义。

进行焊接试验及工艺评定时，选用有丰富焊接经验的焊工严格按照技术部门编制的焊接试验及工艺评定规程进行操作。焊接工艺评定时，按照给定的线能量范围进行施焊，应选取线能量的上限值、中值、下限值分别进行，使给定的焊接规范具有实际操作性。在通过焊接测试后，将外观检查和内部检验合格的焊接技术评估样品进行拉力、弯曲、冲击韧性等机械性质的测试，并将测试结果提交给监管部门进行记录备案。

4.2 焊前清理

为防止焊接过程中出现不良现象（例如气孔等），预焊接区域及坡口两边各10.0 ～20.0 mm 内的氧化层、锈迹、油脂和其他异物应被彻底清除，每次焊接结束后都需及时进行清理。

4.3 预热

预热是保证焊缝质量的重要措施，通过预热，去除坡口位置水汽，减少气孔的形成；增加溶解氢析出时间，可有效防止冷裂；平缓焊接接头部位温度梯度，可防止裂纹和减少变形。预热的具体要求：1）经焊接试验评定，焊件必须经过预热流程方可焊接时，该焊件的定位焊缝和正式焊缝都需要进行预热处理，其中，定位焊缝的预热温度应比正式焊缝的预热温度高出20～30 ℃，并且在整个焊接过程中始终维持这一预热温度；另外，焊接间隙的层间温度不应低于预热温度，也不应超过200 ℃。2）焊接部位一般采用远红外履带式加热板预热，该设备装设位置为沿焊缝长度方向距离钢管焊缝两侧30.0 ～50.0 mm 布置。远红外线履带式加热板加热方式如图4所示。预热区的范围为焊缝中心线两边各延伸100 mm，定位焊则延伸至150 mm。

图4 焊缝焊接示意图

4.4 纵缝焊接

4.4.1 纵缝分段及分层焊接

首先，采用非对称的“X”形（2/3+1/3）坡口方式对纵缝进行焊接，焊接过程中要求保证对称性，同时进行多层、多级、多道焊接。这样的焊接方法能够形成更细腻的显微结构，热影响区较窄，从而使焊口展示出良好的延展性和韧性。对于高强钢来说，后焊道在前焊道中能产生退火影响，从而提升焊口的结构和功能。焊接工作应从中部向两侧同时开始，并保持焊接速度始终一致。为了防止钢管在焊接纵缝过程中生成锥度，底部焊缝的焊接应分为3 段，第一段为焊缝两侧2/3 处向两侧施焊，第二段为焊缝两侧2/3 处向中心施焊，第三段为焊缝两侧1/3 处向两端部施焊。同一段焊缝，为了减少每一层焊口的数量，后续的每一层焊接工作都应从下向上进行施焊，中间每一层焊道的厚度都应控制在4～5 mm。在焊接纵缝的过程中，应由两名焊工同时进行对称操作。纵缝分段及同段焊缝层间焊道的标准顺序，见图5。

图5 纵缝分段及同道焊缝层间焊接顺序示意图

4.4.2 焊接线能控制

焊接线能的大小直接影响焊件接头的冲击韧性，进而影响到钢管的安全使用。如果线能量太大，焊缝热影响区会形成魏氏组织，使得接头的性质（比如冲击韧性等）不能达到标准；如果线能量过小，焊缝热影响区可能出现淬硬组织，可能导致焊缝裂开，或者产生未熔合和未焊穿等焊接缺陷。因此，焊接过程中切不可忽视对线能的严格控制，依据手工电弧焊的标准，线能量的大小不能超越40 kJ/m，实际操作中应基于现场情况控制在35 kJ/m 左右。在生产实践中，应当尽量缩小焊条横向摆动的范围，根据国内标准，摆动幅度不能超过焊条直径的4 倍。实际上，为了确保线能的指标，焊条的摆动幅度应控制在2.5～3.5 倍焊条直径之间。同时，对于ϕ3.2 mm的焊条，每根焊条的焊接长度应不小于70 mm，对于ϕ4.0 mm的焊条，焊接长度应达到100 mm。

4.4.3 焊接角变形控制

在具体的施焊过程中，通过调节焊接的顺序来管理焊接角度的变形。当钢管组圆结束，假如纵向接缝位置出现了微小的直边凸出，但仍在规定的标准允许范围之内，应优先在钢管的外部进行焊接以使其内陷，然后利用碳弧气刨在后焊缝进行清根和焊接工作。与此同时，定期采用弧度检测样板对其弧度进行检测，如果达到标准，将按照常规的正反方向交替进行焊接；若未达标，则继续在后缝进行焊接，直至其弧度符合要求。

5 结语

经过对厚度为18.0 mm 的高强度钢板进行大直径整张瓦片卷制和焊接试验后，所有试验检测项目均达到了钢管制作技术指标。大直径高压力钢管整张瓦片卷制和焊接等过程施工工艺试验成功，并在该抽蓄电站实现批量生产。自2016 年5月至2019 年7 月，所有大型压力钢管制作完成并经过第三方检测机构和现场专业监理工程师的全面检测，一次性检验通过率达到了100%，优良率高达99.4%，为大型压力钢管在工区现场生产积累了丰富的经验。