1、.水電站壓力鋼管的現場自動化焊接建議書更新時間：2009-7-7 一、    項目背景       2003年8月14日，美國東北部和加拿大部分地區突然發生大面積停電事故，5000萬人遭遇停電襲擊，美國經濟損失每天高達300億美元。2003年8月28日，英國東南部及倫敦部分地區也上演了一幕"黑暗之城"，三分之二的地鐵癱瘓，25萬人被困地鐵。2004年，6月29日晚，新加坡突然發生大面積停電事故，許多地方漆黑一片，給居民的生活帶來諸多不便。2005年8月18日，印度尼西亞爪哇島和巴厘島當

2、天發生大面積停電事故，首都雅加達也在停電區域內，近1億人口受到影響。 電力安全關乎國家安全。大面積停電、嚴重缺電迅速波及整個網絡，大城市頃刻間陷入癱瘓，其損失、后果和造成的影響都是難以估量的。 我國電力工業"十一五" 發展規劃預測，2010、2020年全國需電量分別達35500、52530億千瓦時，"十一五"期間增長率為7.5。根據預計到2010年，全國裝機容量達到7.88億千瓦左右，其中水電約1.8萬千瓦。       壓力鋼管是水電站的主要組成部分，它連接著電站進水口和水輪機渦殼或球閥，起著

3、將水由進水口引向渦殼或球閥，進而推動水輪機轉動的作用。壓力鋼管多用于大、中型水電站，需承受較大的內水壓力，且在不穩定的水流條件下工作，一旦出現焊接質量事故會造成嚴重后果，故對鋼管及其焊縫的強度和塑、韌性都有較高要求。因此，壓力鋼管通常是根據其承受內水壓的特點和所在地的氣溫條件，選用相應的優質鋼板和焊接材料焊制而成 。 二、    水電站壓力鋼管的焊接特點       在水電站建設中，隨著機組向高參數、大容量方向發展，一條壓力管道的鋼材總重可達數百噸乃至數千噸，結構尺寸龐大。如三峽二期標工程左岸廠

4、房l#10#壩段進水口各設置l條壓力管道，機組采用單機管供水方式。壓力鋼管設計直徑12.4 m，最大設計內水壓力1.4 MPa，結構形式為鋼襯鋼筋混凝土聯合受力。管道由上至下分為：上斜平段、上彎段、斜直段、下彎段、下平段及廠內段。其中上斜平段、上彎段、斜直段鋼管材質均為16MnR，壁厚分別為26mm、28 mm、30 mm、34 mm；下彎段與下平段鋼管材質均為高強度(600MPa)調質鋼，壁厚分別為34 mm、44(46)mm、54(58)mm、60 mm。每條管道軸線總長122.797m，質量約1520t。1#10#壩段

5、工程質量總計1.52×10t。由此可見，大型水電站壓力鋼管制造工程量巨大，不可能完全在工廠制造，有些需在工地下料、卷板、組圓、焊接縱縫(制造管節)、管節加長、焊接環縫(橫縫)，然后把管節運輸吊裝到安裝位置，固定在基礎支墩上，進行環縫焊接。這就決定了水電站壓力鋼管的焊接特點有別于制造廠內的焊接生產。另外，水電站壓力鋼管的焊接施工環境差，作業條件惡劣，焊接位置復雜多變，對口質量難以保證等諸多因素均不利于保證焊接質量；結構尺寸大，散熱速度快，一些常規的焊接工藝技術也難以滿足和應用。同時，焊后熱處理等消除焊接殘余應力的方法不易現場進行，普通的錘擊無法有效地消除焊接殘余拉應力，在拉伸應力、及海

6、水的腐蝕條件下，易產生應力腐蝕，最終脆性斷裂導致事故產生。引起應力腐蝕的拉伸應力有焊接殘余應力和工作應力兩種，其中以焊接殘余應力為主。因此，現場焊接焊后處理工藝受到限制，對焊接質量也有極大的影響。 三、    水電站壓力鋼管焊接技術現狀 1、 國內水電站壓力鋼管的焊接現狀       國內水電站壓力鋼管焊接技術現狀大致可歸納如下(1)60 80 的焊接工程量依靠手工焊完成，焊接生產率低、勞動強度大、作業條件差、生產成本高；(2)拼裝現場鋼管縱縫大都采用SMAW(手工電弧焊)和

7、SAW(埋弧焊)技術，但直徑8 m以上鋼管SAW的應用受到限制，國內曾有幾家單位從事過縱縫的窄間隙自動立焊技術研究，但均未達到工程實用化程度；(3)安裝位置環縫全位置焊接，95以上均采用SMAW完成。已有少數電站(如巖灘電站)從國外引進了半自動焊接工藝技術、設備和材料，但仍存在一定問題。 2、 國外水電站壓力鋼管的焊接狀況       國外水電站壓力鋼管焊接盡量采用高效率焊接方法，以便縮短工期，降低成本。日本、美國在制作現場除廣泛使用SAW技術外，還選用半自動或自動立焊技術以及FCAW(藥芯焊絲電弧焊)方法。而安裝環縫的焊接

8、盡管仍是以SMAW為主，但自20世紀70年代以來，從未間斷過安裝環縫的自動化焊接技術的開發研究。如日本在新豐根、奧吉野、玉原等水電站使用過MAG(熔化極氬弧焊)全位置自動焊接技術，但其鋼管直徑都小于8 m，對于大直徑鋼管仍處于研究狀態，也就是說大直徑厚壁壓力鋼管尚未采用自動化的全位置焊接技術，其開發應用難度較大。 四、    壓力鋼管的現場自動化焊接技術存在的主要問題       壓力鋼管全位置自動焊不僅要實現焊接小車沿焊縫的自動行走，焊絲的自動輸送、調整、擺動及對中等機電控制過程，而且要解決焊

9、絲的熔滴過渡形式，保證全位置焊接的焊縫成型質量，特別是對各種位置焊接工藝參數自動調整等一系列自動控制技術。而更重要的是現場拼裝的焊縫對裝質量差、施工環境惡劣，較難滿足自動化焊接施工的要求。目前，壓力鋼管全位置自動化焊接技術在大直徑厚壁壓力鋼管焊接中全面應用尚有一定難度。其主要原因如下： (1)大直徑厚壁壓力鋼管的安裝環縫組裝難以達到高精度，這就要求全位置自動焊設備應能根據坡口尺寸及錯邊偏差調整有關工藝參數，以降低或消除不均勻參數對焊接質量的影響。 (2)焊縫空間位置不斷變化，要求焊接系統能根據焊槍所在位置及時自動調整焊接工藝參數，實現各處焊接成型基本一致。 (3)要實時實現坡口尺寸、焊接熔池形

10、狀、焊接工藝參數三者匹配，保證焊縫質量，其自動控制技術難度較大。 (4)焊后不易實現現場熱處理，殘余拉應力不能得到降低或消除，極易應力腐蝕，發生脆性斷裂，危害管體壽命。       按上述要求，焊機最好采用全自動多閉環控制系統或自適應控制系統，這必然導致整個設備控制系統高度復雜化，造價太高，并影響其系統可靠性。若降低其復雜程度，引入部分人工實時調節，則要求操作者應有熟練的操作技能和靈敏的反應能力。因此，選擇造價低、適應性強、操作簡單、焊接效率高的自動化焊接設備是解決上述問題的唯一途徑。并且能采用一種新的焊后處理方法來改進或替代焊后熱處理方法，消

11、除殘余拉應力，防止應力腐蝕的產生。五、    解決方案       考慮以上諸多因素，我們設計了一套自動化焊接方案來完成大直徑壓力鋼管的焊接任務，稱之為實芯焊絲混合氣體保護脈沖自動焊。該方案是由實芯焊絲、混合氣體(Ar+CO2)保護、柔性軌道、附帶人工干預的焊接參數自動控制器、脈沖控制器、超聲沖擊設備組成。 1 、實芯焊絲       近幾年來，藥芯焊絲的迅速發展，尤其是自保護藥芯焊絲的開發為野外施工條件下全位置焊接提供了良好的工藝方法。藥芯焊絲

12、與實芯焊絲相比，由于藥芯中加入了穩弧劑、造渣劑、合金劑等，使其焊接工藝性能得到改善，克服了實芯焊絲飛濺大、成型差的缺點，改善了焊縫力學性能，尤其是沖擊韌性。但我們最終選擇實芯焊絲而沒有使用藥芯焊絲，主要是從成本和效果兩方面進行考慮： (1)藥芯焊絲在我國還并不普及，而且售價要高出實芯焊絲很多，成本較高； (2)采用Ar+ CO2混合氣體保護后，很好地控制了飛濺及焊縫的成型，提高了焊接質量，這也是采用實芯焊絲的另一個主要原因。       在西氣東輸的管道焊接中，自動焊選擇的是實芯焊絲，半自動焊選擇的是自保護藥芯焊絲，這也給水電站壓力鋼

13、管的焊接提供了借鑒。 2 、混合氣體(Ar+ CO2)保護焊       雖然CO2氣體保護焊也是一種可以進行全位置焊接的方法，但其低溫沖擊韌性較差，焊接時飛濺大，焊道成型差、不美觀，影響焊縫質量。 Ar+ CO2混合氣體保護焊具有純CO2和純Ar氣體保護焊的共同優點：其電流密度大，熱量集中；明弧，易于觀察；無渣，在多層焊時可省去清渣工序；焊接變形量小，有利于提高焊接質量和生產率；其電弧穿透力強，焊縫熔深大，可減少焊縫層數；電弧氧化氣氛強，對油、銹的敏感性小；焊后的熱影響區(HAZ)狹窄，焊縫金屬中含氫量低，焊縫的

14、抗裂性能好，質量高。另外，在CO2混合氣體保護下，熔滴過渡柔和穩定，其規律性和周期性均比較好。       在富氬混合氣體保護焊時選擇脈沖電源，可使電流具有較寬的調節范圍，在焊接時可用低于噴射過渡臨界電流的平均電流來達到噴射過渡，不僅縮小了熔池體積和熱影響區，而且易于實現全位置焊接 。 3 、柔性軌道       軌道爬行機構是全位置自動焊的必要機構，其結構的合理性，使用的方便性和可靠性是確保得到良好焊接過程和質量的重要條件。國外的爬行機構大都采用柔性(鋼帶)或半柔性(鋁合金

15、型材)軌道，前者用于較小直徑管道焊接，后者用于大直徑管道焊接。借助于真空吸盤或永磁鐵塊將軌道鋪設于鋼管表面，焊接小車架設在軌道上，利用齒輪、齒條嚙合實現小車全位置爬行，這種爬行機構裝卸較為方便可靠，是目前大直徑鋼管全位置焊接應用較多的方式。如美國BUGO公司生產的全位置自動行走小車，在我國化工建設系統中已獲得應用。本設計即采用此種軌道，它保證了無論是進行環縫焊接還是進行縱縫焊接，都可以使機頭平穩的運行。 4 、附帶人工干預的焊接參數自動控制器一半自動控制的機頭       為對焊接過程進行平穩有效地控制，可開發專用的機頭。之所以沒有在

16、焊機機頭上加裝傳感器而全自動化是因為： (1)焊接大直徑壓力鋼管時，焊速很慢，通過人為地手動控制機頭擺動可以更有效地控制焊炬擺動方向，從而使焊道準確； (2)加裝的傳感器在工作環境惡劣的情況下容易損壞，這樣就使整個系統的運行可靠性降低，增加了維護的成本。另外，還時刻開發操作人員現場使用的手動控制器，用于操縱焊接機頭的擺動及其它控制參數。5、 脈沖控制器       實芯焊絲自動焊采用脈沖電源可獲得較為理想的焊接效果，但由于設備投資大而不能廣泛應用。考慮到工程實際，可以選用上海宣邦研制的直接安在普通直流電焊機上的脈沖控制器。該控制器是一

17、種以單片機為核心的脈沖電流控制器。它包括三種輸出控制形式，即恒定峰值焊接電流的控制輸出、恒定基值焊接電流的控制輸出、峰值一基值脈沖焊接電流的控制輸出。脈沖電流各參數(峰值電流、基值電流、脈沖頻率、脈寬比)可分別調節，并且采用數碼管監視脈沖參數，控制運行狀態。為了獲得同樣的熔深，在提高焊接速度的同時必須加大焊接電流。但一般情況下會伴隨焊縫成型的惡化，表現形式為表面粗糙，焊縫橫斷面的中部突起，焊趾處出現咬邊。在使用脈沖焊時，熔池的液態金屬在脈沖電流(電壓)的作用下形成有規律的振蕩，這種振蕩會把焊縫橫端面中部的液態金屬推向本應該出現咬邊的焊趾處，既提高了焊接速度又獲得了良好的焊縫成型。該脈沖控制器的

18、工作原理：電焊機脈沖電流控制器在單片機的控制下，按照脈沖焊的控制要求，生成頻率、脈寬比可調的脈沖控制信號，將峰值電流給定及基值電流給定順序通過高速電子開關送往受控制的弧焊電源外接端子板，并以遙控電流給定的方式控制電焊機的輸出電流。這種數字化結構還具有運行可靠，參數調整快捷、準確，便于應用數碼管等優點。 6、超聲沖擊設備       超聲沖擊設備用于改善焊接結構疲勞性能的技術不僅能夠完全消除焊趾部位的拉伸殘余拉應力，改善其幾何形狀，而且能夠在焊趾處引入壓縮殘余應力，從而不但從根本上消除了應力腐蝕，而且焊接接頭經這種技術處理后其疲勞強度可提高26132，疲勞壽命可延長5-100倍。同時，超聲沖擊處理具有成本低、噪聲小，執行機構輕巧，可控性好，使用靈活方便，效率高等優點，且適用于各種接頭