本技術(shù)是在云南保山蘇帕河阿鳩田引水式電站壓力鋼管(該電站鋼管采用15MnVR合金結(jié)構(gòu)鋼)焊接試驗(yàn)基礎(chǔ)上及焊接施工過程中總結(jié)出來的,在此強(qiáng)調(diào)了焊接該鋼時(shí)應(yīng)特別注意的事項(xiàng),對于其他一般性焊接要求,15MnVR鋼的焊接仍需遵守DL/T5017—93《壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的規(guī)定。
關(guān)鍵詞:鋼管 材料 焊接 技術(shù)
1、材料
1.1、15MnVR鋼(母材)
1.1.1、15MnVR鋼特性
15MnVR鋼屬于正火狀態(tài)下交貨的合金容器鋼。(正火鋼是指在固溶強(qiáng)化的基礎(chǔ)上,通過沉淀強(qiáng)化和細(xì)化晶粒來進(jìn)一步提高強(qiáng)度和保證韌性的一類低合金高強(qiáng)鋼)
15MnVR鋼化學(xué)成分表:
鋼號(hào) | 化 學(xué) 成 分(%) | ||||||||||
C | Mn | Si | V | Ti | Nb | MO | N | RE加入量 | S | P | |
15MnVR | ≤0.18 | 1.2~1.6 | 0.20~0.6 | 0.04~0.12 | | | | | | ≤0.035 | ≤0.035 |
15MnVR鋼機(jī)械性能表:
鋼號(hào) | 抗拉強(qiáng)度 σb(MPa) | 屈服點(diǎn) σs(MPa) | 伸長率 δ5≥(%) | 1800彎曲試驗(yàn) |
15MnVR | 530~675 | 390 | 18 | d=3a |
注:d=彎心直徑 a=試樣厚度
這類鋼是在16Mn基礎(chǔ)上加入少量V(0.04%—0.12%)來達(dá)到細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化的。此鋼雖在正火狀態(tài)下使用,但由于碳化釩的分布形式和彌散強(qiáng)化程度與熱軋溫度、冷卻速度有很大的關(guān)系。因此它的性能在熱扎狀態(tài)下會(huì)有較大的波動(dòng),特別是板厚增加時(shí)更為嚴(yán)重。由于此鋼實(shí)質(zhì)上應(yīng)屬于沉淀強(qiáng)化類型的鋼,因此只有通過正火使晶粒和碳化鋼均勻彌散析出后,才能獲得較高的塑性和韌性,所以這種鋼在簽定合同時(shí)要求正火狀態(tài)下交貨,并經(jīng)Ⅱ級無損檢驗(yàn)合格后交貨。正火的目的是為了使這些合金元素能以細(xì)小的化合物質(zhì)從固溶體中析出,并同時(shí)起細(xì)化晶粒的作用,是在提高強(qiáng)度的同時(shí),適當(dāng)?shù)馗纳屏虽摬牡乃苄院晚g性,以達(dá)到強(qiáng)的綜合性能。
1.1.2、15MnVR鋼的焊接性分析
通過15MnVR的鋼特性可以看出此鋼材的焊接較好。
本結(jié)主要通過工藝因素來描述15MnVR的焊接性。(影響焊接性的主要有材料因素、工藝因素、結(jié)構(gòu)因素及使用因素。)15MnVR鋼焊接性通常出現(xiàn)兩方面的問題:一是焊接引起的各種冶金缺陷,主要是各類裂紋問題;二是焊接時(shí)材料性能的變化。
1.1.2.1、預(yù)防焊縫中的熱裂紋
從正火鋼成分來看,此鋼含碳量較低,含Mn量較高,Mn/S(含S元素多導(dǎo)致熱裂紋)比能達(dá)到要求,具有較好的抗熱裂性能,正常情況下焊縫中不會(huì)出現(xiàn)熱裂紋。但當(dāng)材料成分不合格,或因嚴(yán)重偏析使局部C、S含量偏高時(shí),容易出現(xiàn)熱裂紋。在這種情況下,在焊接材料上采用含Mn較高的焊絲和含SiO2較低的焊劑,以此降低焊縫中的含碳量和提高焊縫中的含錳量,可解決熱裂紋的問題。在阿鳩田工程中使用焊絲H10Mn2、焊劑HJ431。
1.1.2.2、預(yù)防焊縫中的冷裂紋
冷裂紋是焊接15MnVR鋼時(shí)的一個(gè)主要問題。(a)從材料本身考慮淬硬組織,是引起冷裂紋的決定性因素,由于正火鋼的強(qiáng)度級別較高,合金元素的含量較多。因此與低碳鋼相比,焊接性差別就大。(b)碳當(dāng)量與冷裂紋傾向的關(guān)系。從前面分析材料的淬硬傾向影響冷裂紋傾向,而淬硬傾向又主要取決于鋼的化學(xué)成分,其中以碳的作用最為明顯。因此,可以通過一些經(jīng)驗(yàn)性的碳當(dāng)量公式來粗略地估計(jì)和對此不同鋼材的冷裂紋傾向,為了減少含C量,來提高15MnVR的焊接性,但為了彌補(bǔ)強(qiáng)度的損失必須添加一些合金元素V。但碳當(dāng)量不能精確地判斷冷裂紋的產(chǎn)生與否,因?yàn)槔淞鸭y的產(chǎn)生除了成分外還和其他因素有關(guān)。為了避免冷裂紋的產(chǎn)生,就需要采取較嚴(yán)格的工藝措施,在阿鳩田工程中嚴(yán)格控制線能量、焊前預(yù)熱和焊后保溫等措施。
1.1.2.3、再熱裂紋
15MnVR鋼,對再熱裂紋不敏感。
1.1.2.4、層狀撕裂
產(chǎn)生層狀撕裂不受鋼材的種類和強(qiáng)度級別的限制,撕裂與板厚有關(guān)。由于阿鳩田電站采用15MnVR鋼最薄厚度為δ=28mm,容易產(chǎn)生層狀撕裂。從鋼板本身來說,主要取決于冶煉條件,鋼板出廠必須進(jìn)行無損檢驗(yàn),達(dá)到Ⅱ級探傷合格準(zhǔn)予出廠。在阿鳩田工程過程中一般對厚度超過32mm,采取了150ºC預(yù)熱,在整個(gè)施工過程中未見層狀撕裂現(xiàn)象。
1.1.3、15MnVR鋼驗(yàn)收
15MnVR鋼應(yīng)符合《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》GB/T1591-1994、GB6654—1996的規(guī)定,并具有出廠合格證明書和質(zhì)量保證書。15MnVR鋼使用前按GB6654-1996容器板檢查驗(yàn)收。鋼板的運(yùn)輸和存放應(yīng)避免變形、銹蝕、損壞等。
1.2、15MnVR鋼用焊接材料
1.2.1、焊接材料是決定焊接質(zhì)量的主要因素。焊接材料選擇根據(jù)15MnVR的力學(xué)性能、化學(xué)成分、接頭鋼性及鋼管的坡口形式和使用要求選取。在阿鳩田工程中手弧焊選取E5015焊條,焊絲選取H10Mn2,焊劑選HJ431。選取以上焊接材料必須具有出廠合格證明書和質(zhì)量保證書。
1.2.2、焊條、焊絲及焊劑的儲(chǔ)存和保管應(yīng)按JB3223-83《焊條質(zhì)量管理規(guī)程》的規(guī)定執(zhí)行。
1.2.3、焊條和焊劑使用前嚴(yán)格按使用說明書的規(guī)定進(jìn)行烘干;焊絲存放在干燥的地方以防止受潮生銹。焊條、焊絲與焊劑有專人負(fù)責(zé)保管、烘干和發(fā)放,并有詳細(xì)的記錄。
1.2.4、烘干后的焊條和焊劑保存在100—150ºC的恒溫箱內(nèi),隨取隨用;每位焊工備有保溫筒,使用過程中保溫筒通電加熱,焊條用一根取一根。焊條烘干后在保溫筒內(nèi)超過4h后應(yīng)重新烘干,烘干次數(shù)不宜超過兩次。
1.2.5、使用的焊劑,按廠方提供的使用要求執(zhí)行。焊劑烘干后,取出的焊劑放在密封的容器中帶到現(xiàn)場使用,烘干后的焊劑在空氣中4h以上重新烘干,烘干次數(shù)不超過3次。熔化過的焊劑不再使用,使用過的焊劑,要用米篩篩選,嚴(yán)防氧化皮等雜物混入,并經(jīng)重新烘干才能再次使用。以防浪費(fèi),焊劑可反復(fù)使用,但不斷添加一些新烘干的焊劑,并摻和均勻。
2、焊接人員
2.1、焊接人員除合格的焊工外,配備專門的焊接技術(shù)人員,焊接檢查員和無損檢驗(yàn)員。
2.2、參加15MnVR鋼焊接施工人員和施工管理人員均進(jìn)行技術(shù)交底,以了解15MnVR鋼的焊接特點(diǎn)、控制項(xiàng)目及控制方法。焊工按部標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行培訓(xùn)和考核合格,持操作證書和等級證書的合格焊工上崗。
3、焊接設(shè)備
焊接設(shè)備采用參數(shù)穩(wěn)定、調(diào)節(jié)靈活和安全可靠的直流逆變焊機(jī)。在施焊前,焊機(jī)上的電流電壓表必須檢定合格,埋弧焊機(jī)采用MZ1—1000型,電源電纜必須滿足大電流焊接的要求。
4、下料
15MnVR鋼劃線時(shí)要避免使用樣沖,不可留下有害痕跡,對岔管下料用樣沖時(shí),使用尖部較鈍的,并打在管壁內(nèi)側(cè)。15MnVR鋼可用火焰下料,不允許用火焰預(yù)熱和后熱。采用半自動(dòng)切割機(jī)方法下料,以保證切割面質(zhì)量。手工火焰切割只對岔管管節(jié)難以用半自動(dòng)切割機(jī)實(shí)現(xiàn)的部位,切割后要求修磨平整。
5、坡口制備
由于阿鳩田電站鋼管所用鋼板為雙定尺鋼板,所以下料時(shí)就一起將坡口用半自動(dòng)切割機(jī)制備,坡口型式、尺寸滿足焊接及施工要求。組對前,坡口面及坡口每側(cè)10—20mm范圍內(nèi)的毛刺、鐵銹、氧化皮、渣等要清除干凈。
6、預(yù)熱
通過分析15MnVR鋼的焊接性,此鋼Ceq=0.47%(碳當(dāng)量)超過0.4%。在阿鳩田工程中15MnVR鋼對厚度δ〈32mm的鋼板,鋼管焊接不需要預(yù)熱,當(dāng)管板厚度δ≥32mm時(shí),鋼管焊接需要用履帶式電加熱器進(jìn)行100—150ºC加熱0.5h。
7、焊接工藝
本焊接工藝卡片是在焊接試驗(yàn)及工藝評定的基礎(chǔ)上編制的。
15MnVR鋼焊接要點(diǎn):
7.1、由于阿鳩田電站采用15MnVR鋼的鋼板厚度最小為28mm,對于板厚≥32mm的鋼板焊接采用預(yù)熱措施,預(yù)熱溫度在150℃-200℃。
7.2 焊接層間溫度<200℃,焊接線能量15KJ/cm—55KJ/cm。
埋弧自動(dòng)焊采用H10Mn2 ф5.0的焊絲,直流反接,焊接電流700—750A,電弧電壓36—39V,焊接速度22m/h。
7.3焊接工藝卡片
焊接工藝卡片見附錄1
8、15MnVR鋼的焊接要求
1定位焊:定位焊一般焊在后焊側(cè)坡口內(nèi),后焊坡口側(cè)焊前必須清除定位焊道,定位焊長應(yīng)為80mm,間距350mm。
2施焊前,應(yīng)檢查坡口組對質(zhì)量,如發(fā)現(xiàn)尺寸超差或坡口及其附近有缺陷,應(yīng)處理后放可施焊。
3焊工要嚴(yán)格按照15MnVR鋼的焊接工藝卡進(jìn)行施焊。
4焊接檢查員在施焊過程中必須嚴(yán)格監(jiān)測和控制預(yù)熱溫度、道間溫度及焊接線能量,并對每條焊縫進(jìn)行實(shí)際施焊規(guī)范參數(shù)記錄。
5嚴(yán)禁在非焊接部位的母材上引弧,試電流及焊接臨時(shí)支架。
6除焊縫外,埋弧焊及手工焊均應(yīng)設(shè)引弧板(引入板和引出板),其尺寸為:埋弧焊大于等于50×100mm2,手弧焊可適當(dāng)掌握。
7雙面焊的焊縫,一側(cè)焊后,另一側(cè)可采用碳弧氣刨清根。清根時(shí)埋弧焊必須清到第一道縫完全露出,手工焊第一道縫必須完全清楚。碳弧氣刨清根用壓縮空氣包含水分和油分加以限制。
8多層多道焊時(shí),將每道的溶渣、飛濺仔細(xì)清理,自檢合格后,方可進(jìn)行下一道焊接。焊縫的表面盡可能平滑,咬邊、焊瘤、焊趾過度角過大的部位要用細(xì)紗輪仔細(xì)打磨,使表面光滑平整。
9每條焊縫進(jìn)行編號(hào),并記下施焊焊工姓名或代號(hào)存檔。禁止打焊工鋼號(hào)。工卡具的去除嚴(yán)禁用錘擊法,應(yīng)用碳弧氣刨或氣割在離管壁3mm以上外切除,嚴(yán)禁損傷母材,然后用砂輪打磨平整,并進(jìn)行滲漏探傷和磁粉探傷,由于特殊原因中途停焊時(shí),應(yīng)立即進(jìn)行后熱保溫,再次焊接時(shí)應(yīng)全部進(jìn)行預(yù)熱后方可按原焊縫要求進(jìn)行焊接。
9、焊件矯形及后熱消除應(yīng)力
9.1、焊件矯形應(yīng)用機(jī)械方法進(jìn)行,不得熱矯形。
9.2、消除焊接應(yīng)力,采用加熱到250—300℃后熱方法,保溫1.2h—1.8h,分階段降溫方法。
10、焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)
10.1、焊縫焊后,首先進(jìn)行外觀檢查。外觀檢查合格后方可進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量檢查,內(nèi)部質(zhì)量無損檢查在焊縫焊完48h后進(jìn)行。
10.2、焊縫外觀質(zhì)量及內(nèi)部質(zhì)量檢查按GB3323—1987《鋼熔化焊接對接接頭射線照相和質(zhì)量分級》、GB11345—1989《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級》、JB3965—1985《鋼制壓力容器磁粉探傷》等規(guī)范要求進(jìn)行。
11、修補(bǔ)
手工焊或埋弧焊如果出現(xiàn)了問題就要進(jìn)行修補(bǔ),修補(bǔ)注意如下幾條:
11.1、焊件表面被電弧、碳弧氣刨等損傷處必須用砂輪打磨、平滑過度,然后應(yīng)進(jìn)行滲漏或磁粉探傷。打磨深度超過板厚10%或大于2mm時(shí),應(yīng)進(jìn)行焊接修補(bǔ)。
11.2、焊縫內(nèi)部超標(biāo)缺陷,表面裂紋修補(bǔ)前,應(yīng)分析原因,指定切實(shí)可行的修補(bǔ)方案。
11.3、局部焊縫修補(bǔ)時(shí)預(yù)熱應(yīng)在修補(bǔ)處四周15mm范圍內(nèi)進(jìn)行,預(yù)熱溫度控制在120—170ºC。
11.4、焊縫缺陷可用碳弧氣刨,砂輪機(jī)打磨方法清除,不允許用電弧或氣刨火焰熔除,用碳弧氣刨清除后再用砂輪機(jī)清除滲碳層。焊縫缺陷清除后,不允許有毛刺和凹痕,坡口底部應(yīng)圓滑過渡。
11.5、焊縫缺陷修補(bǔ)施焊與原焊縫相同,焊接修補(bǔ)后要后熱,后熱溫度與原焊縫相同。
11.6、缺陷修補(bǔ)只允許一次,同一部位修補(bǔ)超過一次應(yīng)經(jīng)焊接技術(shù)負(fù)責(zé)人研究批準(zhǔn)后方可進(jìn)行。
11.7、修補(bǔ)后按原焊縫的質(zhì)量要求,檢查方法對修補(bǔ)處及其附近進(jìn)行100%檢查。其中內(nèi)部質(zhì)量檢驗(yàn)應(yīng)再修補(bǔ)完成48h后進(jìn)行。
12、結(jié)束語
目前,我國水電建設(shè)突飛猛進(jìn),不僅機(jī)組發(fā)電容量增大,鋼管直徑越來越大,其建設(shè)項(xiàng)目的比重大副度增加,管線壓力越來越高,管線鋼等級40公斤級、60公斤級、70公斤級等高強(qiáng)鋼的使用日趨廣泛。我局長期致力于水電站壓力鋼管制造,進(jìn)行多方面的研究開發(fā)工作,為我國水電事業(yè)的建設(shè)作出了貢獻(xiàn)。
附錄1 焊接工藝卡片1
附錄1 焊接工藝卡片1
單位名稱:中水十一局機(jī)電安裝分局阿鳩田項(xiàng)目部 焊接工藝評定報(bào)告編號(hào):2003-10 焊接方法:手工電弧焊 機(jī)械化程度:手工 | |
焊接接頭: 坡口形式:偏心雙V形坡口 襯墊:無 焊接層次和順序:見上圖 | |
母材: 阿鳩田電站板厚δ=28~46mm,15MnVR的鋼管,與板厚δ=28~46mm,15MnVR的鋼管環(huán)縫對接焊縫;單節(jié)管節(jié)組裝縱縫對接焊縫。 | |
焊接材料: 焊條牌號(hào):E5015 規(guī)格:ф3.2、ф4.0、ф5.0 | |
焊接位置: 對接焊縫的位置:平位 焊接方向:向下 | 預(yù)熱:(板厚≥32mm,采用預(yù)熱) 預(yù)熱溫度:150℃—200℃ 層間溫度:<200℃ |
焊接工藝卡片1(續(xù)表)
焊后熱處理:(板厚≥32mm) 溫度范圍:250℃—300℃ 保溫時(shí)間:1.2h(δ=32)、1.4h(δ=34—36)、1.6h(δ=40)、1.8h(δ=46) | 保持預(yù)熱時(shí)間:0.5h 加熱方式:履帶式電加熱器 | |||||||||||||||||||
電特性: 電流種類:直流 極性:直流反接 焊接電流范圍:ф3.2 95-105A、ф4.0 155-175A、ф5.0 200-215A 電弧電壓:ф3.2 19.6-22V、ф4.0 22-25V、ф5.0 24-28V (按所焊位置和厚度,分別列出電流和電壓范圍,記入下表) | ||||||||||||||||||||
焊道 | 焊接方法 | 填充材料 | 焊接電流 | 電弧電壓(V) | 焊接速度(cm/min) | 線能量(KJ/cm) | ||||||||||||||
牌號(hào) | 直徑 | 極性 | 電流(A) | |||||||||||||||||
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技術(shù)措施: 手工電弧焊水平向下焊接,焊條擺動(dòng)4-6mm,在焊前,焊道坡口及兩側(cè)30-50mm寬的范圍內(nèi)的鐵銹、油污、水分等雜質(zhì)清理干凈,每道層間焊縫藥皮清理干凈。阿鳩田電站鋼管的鋼板厚度較厚,采用多層多道焊接方法,背面采用碳弧氣刨方法清根。對板厚δ=46mm的岔管,各管節(jié)焊接采用風(fēng)鏟震動(dòng)錘擊消除焊接應(yīng)力。 | ||||||||||||||||||||
編制 | | 日期 | | 審核 | | 日期 | | 批準(zhǔn) | | 日期 | | |||||||||
焊接工藝卡片2
單位名稱:中水十一局機(jī)電安裝分局阿鳩田項(xiàng)目部 焊接工藝評定報(bào)告編號(hào):2003-16 焊接方法:埋弧自動(dòng)焊 機(jī)械化程度:半自動(dòng) | |
焊接接頭: 坡口形式:偏心雙V形坡口 襯墊:無 焊接層次和順序:見上圖 | |
母材: 阿鳩田電站板厚δ=28~46mm,15MnVR的鋼管,與板厚δ=28~46mm,15MnVR的鋼管環(huán)縫對接焊縫;單節(jié)管節(jié)組裝縱縫對接焊縫。 | |
焊接材料: 焊絲牌號(hào):H10Mn2 規(guī)格:ф4.0、ф5.0 焊劑牌號(hào):HJ431 | |
焊接位置: 對接焊縫的位置:平位 焊接方向:向下 | 預(yù)熱:(板厚≥32mm,采用預(yù)熱) 預(yù)熱溫度:150℃—200℃ 層間溫度:<200℃ |
焊接工藝卡片2(續(xù)表)
焊后熱處理:(板厚≥32mm) 溫度范圍:250℃—300℃ 保溫時(shí)間:1.2h(δ=32)、1.4h(δ=34—36)、1.6h(δ=40)、1.8h(δ=46) | 保持預(yù)熱時(shí)間:0.5h 加熱方式:履帶式電加熱器 | |||||||||||||||||||
電特性: 電流種類:直流 極性:直流反接 焊接電流范圍:ф4.0 600-650A、ф5.0 700-750A 電弧電壓:ф4.0 32-34V、ф5.0 36-39V (按所焊位置和厚度,分別列出電流和電壓范圍,焊工記入下表) | ||||||||||||||||||||
焊道 | 焊接方法 | 填充材料 | 焊接電流 | 電弧電壓(V) | 焊接速度(cm/min) | 線能量(KJ/cm) | ||||||||||||||
牌號(hào) | 直徑 | 極性 | 電流(A) | |||||||||||||||||
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技術(shù)措施: 埋弧半自動(dòng)弧焊水平向下焊接,在焊前焊道坡口及兩側(cè)30-50mm寬的范圍內(nèi)的鐵銹、油污、水分等雜質(zhì)清理干凈,每道層間焊縫藥皮清理干凈。阿鳩田電站鋼管的鋼板厚度較厚,采用多層多道焊接方法,背面采用碳弧氣刨方法清根。對板厚δ=46mm的岔管,各管節(jié)焊接采用風(fēng)鏟震動(dòng)錘擊消除焊接應(yīng)力。 | ||||||||||||||||||||
編制 | | 日期 | | 審核 | | 日期 | | 批準(zhǔn) | | 日期 |