摘要：斜卡水电站在三台机组配水环管现场拼装组合缝焊接前，发现存在不同程度十字焊接缝现象，针对配水环管十字焊缝产生的原因进行分析，并对十字焊缝问题出现后现场处理方法作简要介绍，提出针对压力容器、压力钢管等金属结构设备防止雷同十字焊缝问题发生的建议。
关键词：配水环管；十字焊缝；产生原因；处理方法等
一、工程概况及情况简介
斜卡水电站位于四川省甘孜藏族自治州九龙县境内，是九龙河左岸支流踏卡河上规划的龙头水库电站。电站总装机容量135MW，3台45MW冲击式机组，额定水头447米，额定转速375r/min。斜卡水电站为CJA237-L-230/4×21型立轴单转四喷嘴水斗式水轮机，水轮机主要由机坑里衬、机盖、配水环管、喷嘴、支持盖与轴承、转动部分等重要部分组成；其中配水环管由大岔管、中岔管、小岔管、弯管和凑合节组成，凑合节留有余量，现场根据实际拼装情况进行配割。
现针对斜卡水电站在配水环管拼装组合焊接前，出现的“十字”焊缝问题及处理方法做以下介绍，于以借鉴和共同探讨。
二、“十字”焊缝问题分析及处理办法
（一）“十字”焊缝问题
斜卡水电站3台机配水环管在组装调整完毕后，发现三台机配水环岔管连接处有8处出现“十字”焊缝。另外还有3处焊缝间距较小，相当于“十字”焊缝。其中1#、2#机配水环管各4处。3#机配水环管有3处。从焊接结构的设计原则及压力容器设计原则（钢制压力容器制造、检查和验收规范GB150）均要求尽量避免“十字”焊缝的产生，其原因就是在“十字”焊缝焊接过程中，由于来自不同方向的焊接金属收缩变形会在焊接区域产生非常高的焊接收缩应力，另外“十字”焊缝寿命还与焊接与母材强度、塑韧性、可焊性方面的匹配有相当大的关系。根据GB150-1998《钢制压力容器》第10.2.4.5条规定：组装时，相邻筒节A类焊接接头焊缝中心线间外圆弧长以及封头A类焊接接头焊缝中心线、封头上接管A类焊接接头焊缝中心线及其相邻筒节A类焊接接头焊缝中心线之间外圆弧长应大于钢材厚度δs的3倍，且不小于100mm；组装筒体B类焊接接头焊缝中心线间距离不得小于300mm。
十字焊缝即我们看到的焊接缝成“十字”状态，筒体对接时，两个筒体的纵缝若是成一条直线，那么它与环缝就形成十字形焊缝。两个筒体的纵缝若是错开那么它与环缝就形成两个丁字形焊缝。十字形焊缝会形成一个应力集中区域，使整个筒体产生一个强度的薄弱区。十字焊缝交叉处还会产生非常复杂的三向（X、Y、Z）残余应力，大量残余应力的存在会在一定程度上降低工件的疲劳寿命；特别是用于盛装腐蚀介质的压力容器，其“十字”焊缝附近区域还会因此产生应力腐蚀开裂而导致压力容器破坏；同时由于“十字”焊缝四条焊缝相交汇，焊缝断面积与母材断面积相差过大还会产生很高的应力集中系数，至使设备运行过程中应力集中易产生突发性破坏。如果是受力件，包括压力容器和管道等，是绝对不允许采用十字焊缝的。原因：
1、焊接时，在焊缝中心产生三相应力，一般的压力容器是不采用热处理的，这样就造成严重的应力集中；
2、焊接变形严重，使得筒体焊后校正烦琐；
3、焊接中心接头焊材金属烧损严重，使得接头的强度大大降低；
4、焊接热影响区重叠部分，裂纹的敏感性增强。
十字焊缝问题如图所示：
1#机配水环管大叉管和凑合节处纵缝距离照片
1#机配水环管小岔管和凑合节处纵缝连接面距离照片
3#机配水环管小岔管和凑合节处纵缝连接面距离照片
（二）“十字”焊缝产生原因及处理方法
1、“十字”焊缝产生原因
在工厂生产过程中，配水环管的弯管、岔管等部件由不同的班组制作，在单个部件制作过程中对焊缝距离间距控制较好，而忽略了不同部件的焊缝分布位置的相互协调，从而造成弯管、岔管部件相连接的纵缝处在同一位置，属于技术规范性管理、生产质量管理控制、生产过程协调方面的错误。
2、处理方法：
（1）更换管节，对需处理的管节，另行制作将“十字”焊缝错开的管节并进行更换，即相当于增加现场凑合节，需增加现场焊接焊缝，且更换施工工期和焊接时间较长，耽误土建及机电施工进度。但焊接工艺控制简单，各喷针法兰已调整定位完毕，在切割、拼装前需加固相应部位喷针和法兰，在焊接施工过程中需架设百分表加强过程变形监测。
（2）挖补瓦片，将出现“十字”焊缝的管节进行部分割除，并重新卷制相应弧度、错开十字焊缝的瓦片进行封补。此方案增加焊接量较小，但多增加一条纵缝（必须保证纵缝间距不小于500mm），且属于约束焊缝，焊接应力较大，焊接过程中必须采用可靠的消应措施，并制定焊接工艺措施。
3、确定处理方法
根据现场情况，经业主、设计、厂家、监理和施工单位协商，并进一步咨询有关专家后，鉴于斜卡水电站机组系高水头机组，配水环管质量安全十分重要，再加上该机组的环管纵缝现场检测发现多处存在焊接缺陷，进行返修等实际情况，决定采用凑合节“更换管节”的处理方案，为保证土建、机电施工进度，先将2号机组对应管节作为1、3号机组更换的凑合节，随后补做2号机组的对应管段进行更换，在保证现场工作进度的同时，节约了处理时间和生产成本。斜卡水电站配水环管制作钢板材料为16MnR，在焊接过程中应选用性能与16MnR板材一致的H08Mn2siA（50-6）焊丝进行焊接，避免焊缝区域材料性能的不一致，同时对配水环管流道侧焊缝在现场内全部打磨与母材表面平齐，避免焊接断面积与母材断面积不一致带来的附加应力集中。更换过程中采用型钢加固已安装调整完毕的相应部位喷针和法兰，并架设百分表等检测仪器加强变形监控，确保质量。在现场若有条件，应尽量消除残余应力，可采用退火消应（采用高温加热）或震动消应方式来消除焊缝残余应力。
4、超声波探伤
在更换完成后进行超声波探伤，进行探伤的焊缝表面不平整度要求不影响探伤评定。焊缝无损探伤的抽查率按规范要求进行检验，所有环缝均进行100%超声波探伤。焊缝内部或表面发现有裂纹时，进行认真分析，找出原因，制定措施后方可焊补。焊缝内部缺陷用碳弧气刨或砂轮清除并用砂轮修磨成便于焊接的凹槽后再补焊。当补焊的地方需要预热、后热时，则补焊前按前述规定进行预、后热。根据检测结果确定焊缝缺陷的部位和性质，制定缺陷返修措施再处理缺陷，返修后的焊缝按规定进行复验，同一部位的返修次数不宜超过两次。在管壁上严禁有电弧擦伤，如有擦伤用砂轮将擦伤处作打磨处理，并认真检查有无微裂纹；管壁表面的局部凹坑若其深度不超过2mm时，使用砂轮机打磨，使钢板厚度渐变过渡；超过上述深度的凹坑应采取措施进行焊补。焊补前用碳弧气刨或砂轮将凹坑刨成或修磨成便于焊接的凹槽，再行焊补。需预热或后加热按规定执行。焊补后用砂轮机将焊补处磨平，并用渗透探伤检查有无微裂纹。
5、进行水压强度试验
做水压强度试验前，按照图纸及规范要求做焊缝检查和验收。最大水压强度试验为9.75MPa，保持30分钟，无渗漏或减压现象。水压试验按照梯级递增递减法进行；递增分为2.4 MPa、4.8 MPa、7 MPa、9.75 MPa四个等级，压力上升控制在0.05Mpa/min以内，每一等级保压5分钟，在额定试验压力保压30分钟；压力表指针无变化。然后按照以上4等级进行降压，每降一级停留2至3分钟。同时在增减过程中的每一级做好相同的试验记录。在加压过程中，对百分表进行密切监控，若某处变形较大，停止试验，待做好加固处理后，再继续试验。试验合格后，将水压升至3.8 MPa进行保压浇筑（注：第一次浇筑高度为环管腰线）。
三．结论
配水环管十字焊缝处理完成后经水压强度试验，对焊缝检查和验收，无渗漏或减压现象。配水环管、蜗壳、压力容器、压力钢管等的制作生产应加强技术规范性、标准化管理、生产质量管理控制、生产过程协调。防止十字环缝问题的重复出现，并在问题出现后及时采取切实有效的措施来加以解决，以保证设备制作及安装的质量和工期进度的顺利完成。
参考文献：
[1]钢制压力容器制造、检查和验收规范GB150-1998；
[2]压力钢管制造、安装及验收规范（GB50766-2012）；
[3]工业金属管道工程施工及验收规范（GB50235-1997）
作者简介：
廖志刚（1976-09-30），男，工程师，从事机电设备安装项目管理及技术管理工作
论文作者:廖志刚
论文发表刊物:《电力设备》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/13
标签：应力论文; 压力容器论文; 过程中论文; 水压论文; 机组论文; 中心线论文; 水电站论文; 《电力设备》2018年第8期论文;