水电站压力钢管的现场自动化焊接建议书

水电站压力钢管的现场自动化焊接建议书

一、项目背景

2003年8月14日，美国东北部和加拿大部分地区突然发生大面积停电事故，5000万人遭遇停电袭击，美国经济损失每天高达300亿美元。2003年8月28日，英国东南部及伦敦部分地区也上演了一幕"黑暗之城"，三分之二的地铁瘫痪，25万人被困地铁。2004年，6月29日晚，新加坡突然发生大面积停电事故，许多地方漆黑一片，给居民的生活带来诸多不便。2005年8月18日，印度尼西亚爪哇岛和巴厘岛当天发生大面积停电事故，首都雅加达也在停电区域内，近1亿人口受到影响。

电力安全关乎国家安全。大面积停电、严重缺电迅速波及整个网络，大城市顷刻间陷入瘫痪，其损失、后果和造成的影响都是难以估量的。

我国电力工业"十一五" 发展规划预测，2010、2020年全国需电量分别达35500、52530亿千瓦时，"十一五"期间增长率为7.5％。根据预计到2010年，全国装机容量达到7.88亿千瓦左右，其中水电约1.8万千瓦。

压力钢管是水电站的主要组成部分，它连接着电站进水口和水轮机涡壳或球阀，起着将水由进水口引向涡壳或球阀，进而推动水轮机

转动的作用。压力钢管多用于大、中型水电站，需承受较大的内水压力，且在不稳定的水流条件下工作，一旦出现焊接质量事故会造成严重后果，故对钢管及其焊缝的强度和塑、韧性都有较高要求。因此，压力钢管通常是根据其承受内水压的特点和所在地的气温条件，选用相应的优质钢板和焊接材料焊制而成。

二、水电站压力钢管的焊接特点

在水电站建设中，随着机组向高参数、大容量方向发展，一条压力管道的钢材总重可达数百吨乃至数千吨，结构尺寸庞大。如三峡二期Ⅱ标工程左岸厂房l#～10#坝段进水口各设置l条压力管道，机组采用单机管供水方式。压力钢管设计直径12.4 m，最大设计内水压力1.4 MPa，结构形式为钢衬钢筋混凝土联合受力。管道由上至下分为：上斜平段、上弯段、斜直段、下弯段、下平段及厂内段。其中上斜平段、上弯段、斜直段钢管材质均为16MnR，壁厚分别为26mm、28 mm、30 mm、34 mm；下弯段与下平段钢管材质均为高强度(600MPa)调质钢，壁厚分别为34 mm、44(46)mm、54(58)mm、60 mm。每条管道轴线总长122.797m，质量约1520t。1#～10#坝段工程质量总计

1.52×10t。由此可见，大型水电站压力钢管制造工程量巨大，不可能完全在工厂制造，有些需在工地下料、卷板、组圆、焊接纵缝(制造管节)、管节加长、焊接环缝(横缝)，然后把管节运输吊装到安装位置，固定在基础支墩上，进行环缝焊接。这就决定了水电站压力钢管的焊

接特点有别于制造厂内的焊接生产。另外，水电站压力钢管的焊接施工环境差，作业条件恶劣，焊接位置复杂多变，对口质量难以保证等诸多因素均不利于保证焊接质量；结构尺寸大，散热速度快，一些常规的焊接工艺技术也难以满足和应用。同时，焊后热处理等消除焊接残余应力的方法不易现场进行，普通的锤击无法有效地消除焊接残余拉应力，在拉伸应力、及海水的腐蚀条件下，易产生应力腐蚀，最终脆性断裂导致事故产生。引起应力腐蚀的拉伸应力有焊接残余应力和工作应力两种，其中以焊接残余应力为主。因此，现场焊接焊后处理工艺受到限制，对焊接质量也有极大的影响。

三、水电站压力钢管焊接技术现状

1 国内水电站压力钢管的焊接现状

国内水电站压力钢管焊接技术现状大致可归纳如下(1)60％～80％的焊接工程量依靠手工焊完成，焊接生产率低、劳动强度大、

作业条件差、生产成本高；(2)拼装现场钢管纵缝大都采用SMAW(手工电弧焊)和SAW(埋弧焊)技术，但直径8 m以上钢管SAW的应用

受到限制，国内曾有几家单位从事过纵缝的窄间隙自动立焊技术研究，但均未达到工程实用化程度；(3)安装位置环缝全位置焊接，95％以

上均采用SMAW完成。已有少数电站(如岩滩电站)从国外引进了半

自动焊接工艺技术、设备和材料，但仍存在一定问题。

2 国外水电站压力钢管的焊接状况

国外水电站压力钢管焊接尽量采用高效率焊接方法，以便缩短工期，降低成本。日本、美国在制作现场除广泛使用SAW技术外，还选用半自动或自动立焊技术以及FCAW(药芯焊丝电弧焊)方法。而安装环缝的焊接尽管仍是以SMAW为主，但自20世纪70年代以来，从未间断过安装环缝的自动化焊接技术的开发研究。如日本在新丰根、奥吉野、玉原等水电站使用过MAG(熔化极氩弧焊)全位置自动焊接

技术，但其钢管直径都小于8 m，对于大直径钢管仍处于研究状态，也就是说大直径厚壁压力钢管尚未采用自动化的全位置焊接技术，其开发应用难度较大。

四、压力钢管的现场自动化焊接技术存在的主要问题

压力钢管全位置自动焊不仅要实现焊接小车沿焊缝的自动行走，焊丝的自动输送、调整、摆动及对中等机电控制过程，而且要解决焊丝的熔滴过渡形式，保证全位置焊接的焊缝成型质量，特别是对各种位置焊接工艺参数自动调整等一系列自动控制技术。而更重要的是现场拼装的焊缝对装质量差、施工环境恶劣，较难满足自动化焊接施工的要求。目前，压力钢管全位置自动化焊接技术在大直径厚壁压力钢管焊接中全面应用尚有一定难度。其主要原因如下：

(1)大直径厚壁压力钢管的安装环缝组装难以达到高精度，这就要求全位置自动焊设备应能根据坡口尺寸及错边偏差调整有关工艺参数，以降低或消除不均匀参数对焊接质量的影响。

(2)焊缝空间位置不断变化，要求焊接系统能根据焊枪所在位置及时自动调整焊接工艺参数，实现各处焊接成型基本一致。

(3)要实时实现坡口尺寸、焊接熔池形状、焊接工艺参数三者匹配，保证焊缝质量，其自动控制技术难度较大。

(4)焊后不易实现现场热处理，残余拉应力不能得到降低或消除，极易应力腐蚀，发生脆性断裂，危害管体寿命。

按上述要求，焊机最好采用全自动多闭环控制系统或自适应控制系统，这必然导致整个设备控制系统高度复杂化，造价太高，并影响其系统可靠性。若降低其复杂程度，引入部分人工实时调节，则要求操作者应有熟练的操作技能和灵敏的反应能力。因此，选择造价低、适应性强、操作简单、焊接效率高的自动化焊接设备是解决上述问题的唯一途径。并且能采用一种新的焊后处理方法来改进或替代焊后热处理方法，消除残余拉应力，防止应力腐蚀的产生。

五、解决方案

考虑以上诸多因素，我们设计了一套自动化焊接方案来完成大直径压力钢管的焊接任务，称之为实芯焊丝混合气体保护脉冲自动焊。