何少云，付 強(qiáng)

（浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江省仙居市 317300）

浙江仙居抽水蓄能電站780MPa級鋼岔管制造質(zhì)量控制

何少云，付 強(qiáng)

（浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江省仙居市 317300）

鋼岔管的制造質(zhì)量控制對保證岔管較好的性能起著至關(guān)重要的作用，本文概要介紹仙居抽水蓄能電站780MPa級鋼岔管焊接工藝評定試驗(yàn)、坡口設(shè)計、瓦片成形、整體與裝配、部件焊接、組合焊縫焊接殘余應(yīng)力測試與消除、整體正式裝配、水壓試驗(yàn)等環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)措施和質(zhì)量控制要點(diǎn)，并根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對各工程環(huán)節(jié)得到的質(zhì)量進(jìn)行了評價。

制造質(zhì)量控制；780MPa級鋼；月牙肋岔管；仙居抽水蓄能電站

0 引言

分岔管是一種由薄殼和剛度較大的加強(qiáng)梁組成的復(fù)雜的空間組合結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于供水方式為集中供水或分組供水的電站。基于其復(fù)雜的受力狀態(tài)及自身的特點(diǎn)，岔管一般都為鋼岔管。岔管的水頭損失較大，在整個引水系統(tǒng)的水頭損失中占重要地位，因此，為了降低水頭損失，對岔管的設(shè)計、制造與安裝工藝的研究至關(guān)重要[1]。

目前，國內(nèi)對鋼岔管的研究正在不斷發(fā)展。主要的研究包括：鋼岔管體形優(yōu)化與結(jié)構(gòu)設(shè)計[2-3]、鋼岔管材料的選擇、鋼岔管的制造安裝技術(shù)研究[4-5]，以上的研究都對減少水頭損失和保證鋼岔管強(qiáng)度要求起到了重要的作用，但對如何控制鋼岔管制造中的質(zhì)量研究不多，對鋼岔管性能的保證不利。近年，對鋼岔管質(zhì)量控制的研究開始增多，但主要都是針對制造過程中的某一工序的質(zhì)量控制研究[6-7]，整體性不強(qiáng)。

本文以浙江仙居抽水蓄能電站為例，針對電站對鋼岔管的制造質(zhì)量要求，研究鋼岔管制造工程的整體，通過實(shí)地施工、試驗(yàn)與測試，總結(jié)出相關(guān)工序?qū)︿摬砉苜|(zhì)量的影響，并采取相應(yīng)施工技術(shù)和措施，以達(dá)到對鋼岔管制造質(zhì)量的控制。

1 仙居抽水蓄能電站岔管制造概況

仙居抽水蓄能電站位于浙江省仙居縣湫山鄉(xiāng)境內(nèi)，地處浙南電網(wǎng)臺、溫、麗、金、衢用電負(fù)荷中心，距仙居縣城、臺州、金華的公路里程分別為50km、136km、138km，是一座日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，主要服務(wù)于浙江電網(wǎng)，承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用等任務(wù)。

工程樞紐由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房、地面開關(guān)站及下水庫等建筑物組成，屬一等大（1）型工程，總裝機(jī)容量1500MW，共安裝 4 臺單機(jī)容量375MW的混流可逆式水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計年發(fā)電量25.125億kW·h，年平均抽水耗電量32.63億kW·h，綜合效率77%。

輸水系統(tǒng)按兩洞四機(jī)布置，引水隧洞（除上平洞外）均采用鋼板襯砌，鋼管內(nèi)徑6.2m。下平洞布置兩個鋼岔管。

國內(nèi)首次采用780MPa級鋼岔管是在20世紀(jì)80年代的云南魯布革水電站，其采用日本產(chǎn)鋼材和焊材，由日本制造。此后至今，日本為我國陸續(xù)制造多個780MPa級鋼岔管。21世紀(jì)初，吉林臺水電站采用日本鋼材和焊材，自主制造了國內(nèi)首臺780MPa級鋼岔管，從此國內(nèi)出現(xiàn)了自主制造的趨勢。仙居抽水蓄能電站引水系統(tǒng)鋼岔管系采用國產(chǎn)鋼材，部分采用國產(chǎn)焊材，部分采用日本焊材，為國內(nèi)自主制造的最大徑780MPa級鋼岔管。

仙居抽水蓄能電站有鋼岔管共2只，每只凈重52t，型號均為對稱Y形內(nèi)加強(qiáng)月牙肋型。鋼岔管的主管直徑為5m，支管直徑為3.5m，壁厚60mm，肋板厚120mm，HD值為3920m.m，設(shè)計內(nèi)水頭（含水錘壓力）784m。鋼岔管所用的鋼材類型為寶鋼B780CF。

鋼岔管的主體工作包括岔管瓦片下料、成形、部件拼裝、整體預(yù)裝配、部件焊接等，其中，部件焊接采用富氬氣體保護(hù)焊，焊絲系哈爾濱焊接研究所的產(chǎn)品。

岔管制造的其余后續(xù)工作（如：整體正式裝配、剩余縱縫和所有環(huán)縫焊接、水壓試驗(yàn)等）為在工地鋼管廠進(jìn)行，工地焊縫采用手工電弧焊。

為確保工地裝焊質(zhì)量，成立了QC小組，既抓工藝要點(diǎn)，又不放過工藝細(xì)節(jié)。除此以外，現(xiàn)場還設(shè)立了“質(zhì)量曝光板”，及時糾正錯誤的工藝行為，使實(shí)施結(jié)果完全達(dá)到了QC小組預(yù)定的質(zhì)量指標(biāo)。

2 鋼岔管制作工藝的質(zhì)量控制

2.1 焊接工藝評定試驗(yàn)

一般地，決定焊接工藝評定試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵是焊接接頭中的焊縫區(qū)沖擊試驗(yàn)是否合格，換言之，取決于焊材的質(zhì)量。并且，須首先確定恰當(dāng)?shù)暮细駱?biāo)準(zhǔn)。

關(guān)于接頭韌性的合格指標(biāo)，現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范規(guī)定不具體。若按GB 50766—2012《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定之一，“試樣吸收能量平均值不應(yīng)小于母材標(biāo)準(zhǔn)值下限”的話，那么對于780MPa級鋼，使焊縫區(qū)達(dá)到-40℃、47J以上是困難的，原因是焊材的供貨指標(biāo)就達(dá)不到，除非熱輸入小到不適于實(shí)際生產(chǎn)的程度。因此，現(xiàn)行日本《閘門壓力鋼管技術(shù)規(guī)范》已將780MPa級鋼焊接接頭韌性指標(biāo)下限由原來的-40℃、47J降至0℃、47J。這樣仍能保證結(jié)構(gòu)安全服役，且熱輸入不至于過小。

本工程為使接頭韌性有更大裕度，仍沿用≥-40℃、47J的高指標(biāo)。工廠焊接用富氬氣體保護(hù)焊的方法和采用型號為HS-80A（GB/T 8110 ER76-G）的焊絲，工地焊接用手工電弧焊和型號為LB116（AWS A E 11016-G）的焊條。

以上兩種焊接方法工藝評定試驗(yàn)結(jié)果全部一次合格。

2.2 坡口設(shè)計

根據(jù)設(shè)計或工藝需要，在焊件的待焊部位加工并裝配成的一定幾何形狀的溝槽，就叫坡口。坡口是主要為了焊接工件，保證焊接度。

坡口設(shè)計須注意以下幾點(diǎn)：

（1） 注意肋板與殼板的交角為變量；

（2） 注意坡口角度和坡口面角度的關(guān)系；

（3） 坡口角度不宜過小。本工程坡口按常規(guī)設(shè)計為不對稱X形。大坡口端角度不宜小于50°，否則焊條不能觸及到坡口根部，從而增加了氣刨量和刨槽打磨量；小坡口端不宜小于60°，否則會形成窄而深的氣刨槽，不利于打磨和焊接操作。

2.3 瓦片成形

如果瓦片成形差，則會引起岔管裝配間隙大、錯邊大和縱縫圓度不合適，從而導(dǎo)致強(qiáng)行組裝和裝配應(yīng)力大，進(jìn)而使焊接應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力大。焊接應(yīng)力過大往往引發(fā)焊接裂紋；裝配應(yīng)力大、殘余應(yīng)力大、錯邊產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力和縱縫折曲引起的應(yīng)力集中等，皆影響水壓試驗(yàn)結(jié)果和威脅設(shè)備未來安全服役。

目前國內(nèi)錐管瓦片成型方法有兩種：卷板機(jī)壓制和壓力機(jī)壓制，后者對成形較易控制，應(yīng)優(yōu)先采用。

直管段可卷制成形，但當(dāng)管徑小、壁厚大時，為避免兩端出現(xiàn)過長的直邊，引起圓度超差，應(yīng)預(yù)先用壓頭機(jī)壓頭，以減少殘留直邊。須提及，所謂上輥可前后移動的卷板機(jī)，仍有為板厚1.5～2倍的直邊，這對管徑在5m以下（尚與板厚和強(qiáng)度等級有關(guān)）時不適用。

本工程岔管各段全部為錐管，皆采用3000t油壓機(jī)壓形，用行程控制下壓量。因受液壓機(jī)尺寸限制，每個錐管各由3個或4個瓦片組成。由于已壓制成形的瓦片在組裝前擱置一段時間會產(chǎn)生回彈變形，故在預(yù)裝配前往往需再次壓制。

2.4 整體預(yù)裝配和部件焊接

由于運(yùn)輸限制，每只岔管分解為13個部件（見圖1）。

圖1 岔管部件分解

在整體預(yù)裝配前，需完成月牙肋本體三塊對接拼焊、各錐管段組圓和工廠縱縫焊接。月牙肋最后裝配，其中關(guān)鍵是殼板與肋板相貫的工藝余量配割。本工程由于仔細(xì)配割和修磨，兩只岔管殼板與肋板裝配間隙全部小至0～2mm。這對減少裝配應(yīng)力、防止裂紋和減少焊接殘余應(yīng)力是十分有效的。

整體預(yù)裝配尺寸檢查合格后，原封不動，焊接與月牙肋毗連的兩個瓦片間的環(huán)縫以及月牙肋組合焊縫。

為便于后續(xù)整體正式裝配，再現(xiàn)預(yù)裝配狀態(tài)，本工程采用了套鉆孔的對合板卡具（見圖2）和舌口定位板。對合板卡具上孔的數(shù)量視鋼板厚度和部位可設(shè)4個或6個。

圖2 對合板卡具示意

對合板卡具數(shù)量不宜過少，其中每條縱縫宜設(shè)兩組對合板。否則，在后續(xù)的工地正式整體裝配時很難復(fù)原預(yù)裝配狀態(tài)，需另補(bǔ)加撘板，以致影響裝配質(zhì)量和進(jìn)度。其次，孔與螺釘?shù)呐浜喜灰诉^松。

本工程兩只岔管整體裝配尺寸均符合規(guī)范要求，各項指標(biāo)基本處于允差的下限。

2.5 工廠焊接

焊縫內(nèi)部無損探傷一次合格率是衡量焊接質(zhì)量的重要指標(biāo)。返修焊除浪費(fèi)時間和費(fèi)用外，還使殘余應(yīng)力增大，惡化組織和性能，以及增加產(chǎn)生裂紋的可能性，所以本工程以零返修為目標(biāo)。為此，除把焊工資質(zhì)關(guān)外，還采取了如下措施：

（1）氣刨槽打磨面積近于100%，底部圓角半徑為4mm。

（2）對各焊層表面進(jìn)行磨修。

這樣實(shí)施的結(jié)果是，兩只岔管工廠部件焊縫內(nèi)部探傷一次合格率達(dá)100%。

2.6 組合焊縫焊接殘余應(yīng)力測試與消除

原合同規(guī)定對月牙肋組合焊縫用振動時效進(jìn)行消應(yīng)處理。

組合焊縫焊后殘余應(yīng)力測試采用盲孔法，對焊縫中心的測試點(diǎn)共6個。對兩只岔管測試得到的數(shù)據(jù)為：橫向平均應(yīng)力為397.2N/mm2，拉應(yīng)力峰值為584.4N/mm2；縱向平均應(yīng)力為237.1N/mm2，拉應(yīng)力峰值為375.7N/mm2?？梢钥闯觯瑴y得的平均應(yīng)力和拉應(yīng)力峰值均遠(yuǎn)小于月牙肋和管殼的實(shí)際屈服強(qiáng)度，對后續(xù)水壓試驗(yàn)過程不會構(gòu)成威脅。另一方面，振動時效消應(yīng)對屈強(qiáng)比大于0.8的鋼材可能有風(fēng)險，而B780CF鋼實(shí)際屈強(qiáng)比已高達(dá)0.85～0.94。其次，為防振動消應(yīng)后變形，需加拘束，這樣會影響消應(yīng)效果。

綜上，決定取消對月牙肋組合焊縫單獨(dú)進(jìn)行消應(yīng)處理。

2.7 整體正式裝配

預(yù)裝配解體后，宜盡快運(yùn)至工地和及時進(jìn)入整體正式裝配工序，以免產(chǎn)生變形導(dǎo)致裝配困難。

整體正式裝配應(yīng)從容、仔細(xì)地進(jìn)行，避免將尺寸誤差集中到一處，尤其是要避開對應(yīng)力集中敏感的月牙肋兩端區(qū)域，應(yīng)使其幾何偏差按下限控制，避免強(qiáng)行組裝，不隨意補(bǔ)加撘板。

在整體裝配時發(fā)現(xiàn)，因月牙肋組合焊縫部件已變形，造成裝配困難。那么，對于未來工程，假如不考慮該部件在工廠單獨(dú)進(jìn)行消應(yīng)處理，不如將該組合焊縫挪至整體正式裝配后再焊接。

本工程兩只岔管整體正式裝配尺寸全部在規(guī)范允許范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)超差的情況。

2.8 工地拼焊

工地焊縫拼焊嚴(yán)格按工藝評定試驗(yàn)結(jié)果確定的工藝參數(shù)，對各焊道進(jìn)行了各種工藝參數(shù)測試和記錄。為確保焊縫零返修，與工廠焊接一樣，需控制氣刨槽質(zhì)量和對各焊層表面進(jìn)行磨修。這樣實(shí)施的結(jié)果是：兩只岔管包括悶頭在內(nèi)工地焊縫探傷（UT：100%；TOFD：40%；MT：100%）一次合格率仍達(dá)100%，甚至“記錄缺欠”都極少。

其次，在拼焊過程中對預(yù)熱、道間溫度、后熱溫度環(huán)節(jié)等進(jìn)行嚴(yán)格控制，所以兩只岔管無論是附件焊接、定位焊還是主縫焊接，制造全過程從未發(fā)現(xiàn)焊接裂紋。

2.9 臨時附件處理

岔管外部臨時附件清除量較大。一般的處理辦法是：先割除附件，然后氣刨，保留3mm高的茬，再磨除茬。但這種方法不但費(fèi)工，且若氣刨操作不當(dāng)，使留茬小于3mm，甚至傷及母材的話，則使母材表面形成脆硬組織或凹坑。根據(jù)日本數(shù)十年經(jīng)驗(yàn)，只要將角焊縫保留、沿焊趾將附件割除即能達(dá)到要求。若按現(xiàn)行壓力鋼管規(guī)范將附件完全保留的話，則其可能與混凝土聯(lián)合受力，產(chǎn)生應(yīng)力集中。

因岔管內(nèi)支撐在水壓試驗(yàn)前必須斷開，水壓試驗(yàn)后再恢復(fù)，故內(nèi)支撐一端宜采用可拆卸的螺紋連接形式。此外，內(nèi)支撐不宜采用管結(jié)構(gòu)，因其可能給水壓試驗(yàn)過程帶來影響，故需在水壓試驗(yàn)前進(jìn)行免費(fèi)的切割處理。這兩點(diǎn)是本工程考慮不周之處。

2.10 水壓試驗(yàn)

本工程將兩只岔管主管對接，對四支管設(shè)置臨時悶頭，以形成密閉容器，并將作為一個整體進(jìn)行水壓試驗(yàn)，其中設(shè)計技術(shù)要求最大試驗(yàn)壓力為岔管分擔(dān)的設(shè)計壓力的1.25倍，即6.75MPa。試驗(yàn)的重復(fù)次數(shù)為一次。

本次水壓試驗(yàn)監(jiān)測內(nèi)容有：水壓試驗(yàn)前后用X射線衍射法測試焊接殘余應(yīng)力、水壓試驗(yàn)應(yīng)力測試、鋼岔管變形測試、水量—壓力曲線測試、水溫測試和聲發(fā)射技術(shù)安全測試等。

水壓試驗(yàn)自2014年6月12日9時30分開始預(yù)壓，至次日3時42分卸壓完成。得到的結(jié)果為：兩次水壓試驗(yàn)皆順利達(dá)到預(yù)定最大試驗(yàn)壓力6.8MPa，整個試驗(yàn)過程未發(fā)生任何異?，F(xiàn)象。

兩次水壓試驗(yàn)應(yīng)力測試發(fā)生的最大拉應(yīng)力分別為431.61MPa和485.86MPa，遠(yuǎn)小于鋼板原始屈服強(qiáng)度711～774MPa。在聲發(fā)射監(jiān)控中，第一次水壓試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)有意義聲發(fā)射，第二次水壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有意義聲發(fā)射，但隨后進(jìn)行了超聲波復(fù)測，未發(fā)現(xiàn)缺欠。

兩次水壓試驗(yàn)對岔管腰線、頂部和悶頭進(jìn)行變形測試發(fā)現(xiàn)，各測點(diǎn)在各級試驗(yàn)壓力下以及各測點(diǎn)變形量皆較均勻，且泄壓后各測點(diǎn)的殘余變形為0.5～1.1mm。其中第一次水壓試驗(yàn)達(dá)最大壓力6.8MPa時的最大變形點(diǎn)在腰線位置，為6.7mm，而第二次水壓試驗(yàn)在各級壓力下的各測點(diǎn)變形皆較第一次有所減小。

通過水壓試驗(yàn)，殘余應(yīng)力峰值由653MPa降至453MPa，即降低了31.7%，可認(rèn)為消應(yīng)效果顯著。該應(yīng)力峰值出現(xiàn)在2號岔管底部月牙肋末端與殼板間工地環(huán)縫的熔合區(qū)，應(yīng)力方向?yàn)榄h(huán)向原因是在裝配中錯誤地將裝配誤差集中在該區(qū)，造成裝配應(yīng)力大和錯邊。

3 結(jié)束語

仙居抽水蓄能電站780MPa級鋼岔管制造遵從科學(xué)試驗(yàn)，嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范的技術(shù)要求施工，抓住鋼岔管制造過程中的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，并采取相應(yīng)的工程措施，對其制造質(zhì)量進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，使得焊縫檢測和水壓試驗(yàn)等質(zhì)量檢測均滿足或超過設(shè)計要求，制造技術(shù)達(dá)到了日本的制造質(zhì)量水平，為國內(nèi)自主制造780MPa級鋼岔管和岔管制造質(zhì)量控制積累了經(jīng)驗(yàn)。

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何少云（1975—），男，高級工程師，主要研究方向：水電工程及技術(shù)管理。E-mail: sunny_he@sohu.com

付 強(qiáng)（1986—），男，助理工程師，主要研究方向：水電工程及安全管理。E-mail: fuqiang5fu@sina.com

Manufacturing Quality Control of 780MPa Grade Steel Bifurcation Pipes in Zhejiang Xianju Pumped-storage Power Station

HE Shaoyun，F(xiàn)U Qiang
（Zhejiang Xianju Pumped-Storage Power Co. Ltd.，Xianju 317300，China）

Manufacturing quality control of steel bifurcation pipes plays a vital role in ensuring that the steel bifurcation pipes performance better. This paper provides a overview of the key technical measures and mian points of quality contol of welding procedure qualification test，bevel design，tile molding，overall preassembled，parts welding，combination weld residual stress testing and elimination，overall formal assembly and hydrostatic test of 780MPa grade steel bifurcation pipes in Xianju pumped-storage power station. Moreover，each engineering process has been evaluated according to the corresponding quality standards.

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