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摘要：针对抽水蓄能电站新型材料07MnMoVR大直径压力钢管压型、钢管开坡口、焊接、校圆等难点，本文章探讨了压力钢管一次卷制成型，单边开设双坡口、确定焊接参数焊接参数等相关工艺，保障了压力钢管制造的质量与进度，为类似的工程提供一定的参考和借鉴。

关键词：抽水蓄能电站、引水压力钢管、制造。

1前言

广西南宁抽水蓄能电站装机容量1200MW，装机4台，单机容量300MW，每台机组均配备引水支洞压力钢管4台机组共224节，压力钢管由直管、弯管、渐变管三种管型构成。所有主要构件合计重量约 3700 吨。引水支洞钢管主管材质为07MnMoVR，该材质屈服强度为490MPa，属于高强度压力容器用钢板，板厚为44～60mm，管节内径为2400～4000mm，管节长度为1000～3000mm，加劲环、阻水环材质均为Q355C板厚为44mm。

2技术分析

07MnMoVR材料屈服强度在490Mpa，抗拉强度在610-730Mpa之间，主要在压制成型、校圆、焊接施工难度比较大。

（1）引水压力钢管制作，采用半自动切割机在双面开K型坡口，其板厚为44～60mm钢板双面坡口，实现在同一面开双面坡口技术。

（2）引水压力钢管整体卷制是指先进行钢板下料和钢板长度对接，然后进入卷制工序，采用三辊卷板机对钢板进行整体卷制成型。整体卷制除了要求与传统方法卷制所要求的卷板机外，还需根据钢管直径的大小设计相应的支架和支承滚筒，对整体卷制过程中的管节起到支撑和导向作用。

（3）针对600MPa级钢板采用“无约束组装”既保护管壁不受损伤，又能在埋弧焊接时有效控制压力钢管变形量，达到校圆目的，加快施工进度，节约了施工成本。

（4）钢板对接及整体卷制后采用埋弧自动焊，焊接效率高，焊接质量容易得到保证。

一种高强度厚壁压力钢管成型制作施工，特别适用于工期紧、施工质量要求高的大型、超大型压力钢管的制造。

3.工艺原理

一种高强度厚壁压力钢管成型制作工法，主要由单面开K型坡口、卷制成型、“无约束组装”、校圆、焊接工艺等方式，具体工艺原理如下：

（1）单面开K型坡口

针对高强度钢板采用半自动切割机开双面坡口一次开设，减少钢板翻身。通过多次实验调整确定该材质的合理切割小车行走速度，切割角度达到一次开设合格。

（2）压头与卷板

钢板卷板时使用三辊卷板机、压头模具、校圆模板等设备，压头模具在卷制过程中解决钢板在压头出现直板问题，三辊卷板机、和校圆模板控制卷圆中压过大。

（3）“无约束组装”

采用“无约束组装”工艺，上、下管口用校圆装置校圆，保护管壁不受损伤，控制焊接变形，焊接后不用卷板机校圆，这种对装方法在600MPa级钢板施工时优越性体现尤为突出。

（4）校圆

压力钢管焊接校圆是通过“无约束组装”，仅在一半的支撑杆上安装千斤顶，就能达到校正压力钢管的目的，并且通过未安装千斤顶的支撑杆端部与压力钢管内壁的贴合程度，就能预判压力钢管是否已初步校正。

（5）内、外横缝焊接

管节横缝焊接采用埋弧焊接；加劲环角焊缝自动CO2气体保护焊。从压力钢管横缝焊接前预热、焊接温度、热输入、层间打磨和焊接规范等几个方面加强控制，为减小焊接残余应力，对于厚板焊接采取焊前预热、控制层间温度等方法时，焊接过程中的加热和冷却应均匀。

4.工艺流程及操作要点

（1）工艺流程

（2）施工准备

1）压型装置3D模型分析，进行3D建模，并将各个部件展开成平面，转化成CAD，将CAD平面图转化为数控切割机的程序图。

2）从钢板进货着手，把好材质关，到货钢板的机械性能、化学成分、炉批号、生产日期、生产厂家均进行登记，并进行超声波探伤抽检，发现钢板表面微裂纹、凹凸缺陷、重皮、铲刮刀痕等不良处均作不同程度的修补。

（3）下料、单面开K型坡口

采用半自动切割机在板厚为44～60mm钢板进行上下同步切割，减少钢板翻身，通过多次调整确定切割小车行走速度，实现了单面操作双面破口。钢管的焊接坡口有横缝、环缝拼接缝坡口。焊接坡口型式按规范制定并经焊接工艺评定最终确定。所有焊缝坡口均按不对称“X”型式加工，以利于焊接角变形的控制。开正面坡口割嘴角度为+25度，速度为20～30cm/min，开反面坡口割嘴角度为-25度，速度为20～30cm/min，坡口沟槽深度小于0.5mm，当在0.5mm～2mm时，应进行砂轮打磨；当大于2mm时应按要求进行焊补后磨平.以52mm钢板焊缝为例，坡口形式（如图4-1）。

（4）压头与卷板

压制设备：卷板机、钢板压头胎膜、弧度样板。

1）选用卷板机时根据材料最大受力强度值和卷板机小于屈服值，通过SolidWorks的3D图计算和卷板机受力图，卷板机工作状态最小受力强度值大于材料屈服值最大值。

2）钢板压头胎膜及压头：利用龙门吊起吊配合压头，屈服强度为490Mpa，经查Q345材料厚度大于100mm屈服强度大于490Mpa，选用Q345厚度100mm，做钢板压头胎膜，在钢板压头两长边焊接吊耳，瓦片端口预留300mm长的直边，采用在卷板机辊筒上加设胎膜进行压头，用压头时采用弧度样板（压头时采用弧度样板用线切割保证精度）对钢管内弧进行检查弧度。

3）卷板：钢管卷制采用冷卷法。在卷板机上利用龙门吊起吊配合卷板，预防钢板初始卷制压弧时因自重引起反向折弯。钢管卷制过程中采用弧长不小于2m的内弧样板检查，卷板方向与钢板压延方向一致，钢板端口处不允许用锤击法使钢管弯曲成型和校正曲率。在卷曲过程中需注意移动下辊配合上辊进行，并尽量采用小进辊量反复多次卷制，同时用弧形样板检测使其两端弧度满足要求。压头过程中需注意应最大限度地减少直边长度（控制在1.5～2.0倍管壁厚度且不超过120mm范围内）。严格控制钢板端部弧度，防止对圆后局部内凹或外凸，控制钢板中心与卷板机轴辊中心垂直度，防止瓦片扭曲，组圆时根据焊接收缩情况适当预留2～3mm反变形，然后通过正缝焊接、背缝清根施焊等控制弧度。

4）卷弧时在合理的压延次数范围内尽量采用小进辊量，并经常检查卷曲弧度以免滚压过量。检查弧度时需将其立放在水平度符合要求的平台上，同一曲率处检查部位不少于3处。

（5）校圆“无约束组装”装置设计

“无约束组装”装置，原理图（如图4-2）。“无约束组装”装置设计为：千斤顶+支撑架+支撑环+圆钢板。“无约束组装”装置应经受力计算，确定装置的材质及其规格型号、结构安全性等，受力计算通过后才能进行加工制作。

根据设计要求压力钢管受到压力计算：F=P×S

式中：

P为屈服强度，单位为Mpa

S为面积，单位为M²

代入公式数据计算：P=490×0.1*2=49kN。

千斤顶为32吨，约为320kN，压力完全满足压型要求。

60mm无缝钢管材质Q345厚度5mm，抗拉强度约是49-62Kg/mm2

钢管的受压面积：S=（60-5）*3.14*5=863mm2.

压力P/受压面积S=压强σ （塑性材料抗拉与抗压取同样数据）

则：P1=Sσ=863*49=42t. P2=863*62=54t，p2＞p1＞32T（手动千斤顶），满足要求。

最终“无约束组装”装置可以校圆屈服强度小于490Mpa，而屈服强度大于490Mpa时，要按照以上公式算出需要的钢管型号及千斤顶重新制造“无约束组装”装置。

“无约束组装”装置安装由3个螺栓式千斤顶同向外移动，上、下管口用校圆装置校圆，保护管壁不受损伤，通过“无约束组装”装置及采用千斤顶辅助，仅在一半的支撑杆上安装千斤顶，就能达到校正压力钢管的目的，并且通过未安装千斤顶的支撑杆端部与压力钢管内壁的贴合程度，就能预判压力钢管是否已初步校正。

（6）内、外横缝焊接

1）定位焊缝位置应距焊缝端部30mm以上，其长度应在50mm以上。通常定位焊缝间距为100～400mm，厚度不宜大于正式焊缝厚度的二分之一，最厚不宜大于8mm。定位焊缝应在后焊一侧的坡口内，正式焊接时，定位焊缝不得保留在横缝内。钢管管壁应尽可能不在管壁上焊临时附件，应先预热后焊接，预热温度应较正式施焊温度高20～30℃。在钢管上加焊卡具等附加物时，应注意不伤及母材，焊接质量应保证起吊时不损伤母材和产生过大的局部应力。

2）焊缝预热采用履带式远红外加热装置进行。预热宽度以焊缝中心线两侧各3倍板厚，且不小于100mm。主缝焊接层间温度不应低于预热温度，且不高于230℃。

检测方法：加工厂将使用数字测温仪测定温度。测定宽度为焊缝两侧各3倍钢板厚度范围，且不小于100mm，在距焊缝中心线各50mm处对称测量，每条焊缝测量点间距不应大于2m，且不应少于3对。附件加热：对焊接工艺要求需要预热的焊件，其定位焊缝和主缝相同均应预热，且较主缝预热温度高20～30℃，钢管焊接的具体预热温度由焊接工艺评定确定。

3）钢管内、外横缝的焊接采用ZD5-1250E埋弧自动焊。焊接时将钢管放置在焊接胎具上，钢管焊缝处铺垫焊剂，钢管内部铺设埋弧焊轨道，在钢管横缝两端焊接引弧板和收弧板（其材料、板厚及坡口尺寸和母材相同，其尺寸为：一般为100mmX100mmX板厚mm），调整焊机位置，使焊丝正对焊缝，按规定的工艺参数进行焊接。埋弧焊多层焊的层（道）间接头应错开，并应保证在100mm 以上。埋弧焊焊层厚度：打底焊厚度6-8mm，后续层厚度4-6mm，焊道的最大宽度为焊丝直径的3-4倍。

4）在瓦片组圆时根据焊接收缩情况适当预留2～3mm反变形，通过正缝焊接、背缝清根施焊等控制弧度。

（7）环筋安装、焊接

加劲环、阻水环由于整体下料损耗太大，拟定分六片进行下料。管节焊接矫正后按照施工图纸再管壁上画出加劲环及铁壁排水位置，再根据X、Y象限轴进行组装，待所有附件组装完成后方可进行焊接。

1）加劲环的内圈弧度用弦长1500mm的样板检查时，样板与加劲环）内圈表面间的间隙应不大于2.5mm。

2）加劲环与钢管外壁的局部间隙不大于3mm。

3）加劲环的对接焊缝应与钢管纵缝错开200mm以上。加劲环（阻水环）和钢管纵缝交叉处，在加劲环内弧侧开半径80mm的避缝孔，避缝孔封闭焊接。

4）加劲环组装的垂直度：加劲环与管壁的垂直度极限偏差要求满足a≤0.02H且不大于5mm；加劲环所组成的平面与管轴线的垂直度极限偏差要求满足b≤4D/1000且不大于12mm；相临两环的间距偏差±30mm。

（8）成型

压力钢管横缝组装采用了“无约束组装”工艺，即在横缝组装对接过程中无需在管壁上焊接拉紧器、压缝器等附件，完全通过在平台上“无约束组装”及弧度样板进行对接缝间隙和错边调整，管节调圆采用“无约束组装”中千斤顶调节并通过弧度样板检测压力管圆弧度。将“无约束组装”吊入钢管内距管口约300mm处，“无约束组装”活动调圆架端部的千斤顶使其顶紧钢管内管壁。用钢盘尺测量上下管口直径，边测量边调整千斤顶，直至圆度符合要求，每端管口需测四对直径。调圆架千斤顶与管内壁间必须设胶垫。

（9）质量控制及安全措施

施工各工种必须密切配合，各工序必须衔接，以保证连续均衡施工，施工前，加强操作人员技术交底和设备性能控制，应符合施工图纸要求，同时按下述要求进行控制：

压力钢管一次成型管制预弯头、压型时控制弧度与压型模弧度差不大于2mm;单面开K型坡口表面平整，“无约束组装”角度25～30mm，“无约束组装”钝边1～3mm，咬边的凹陷或沟槽小于2mm；焊接后不用回卷校圆使用“无约束组装”校圆控制在小于3mm；“无约束组装”焊接要连续焊接不得断焊，角焊缝不小于14mm；“无约束组装”两条钢管直线度偏差要符合设计要求。“无约束组装”装置安装完毕，应进行加固。 严格按照要求校圆，要保证工件干净，工件及压型装置的油渍要清除干净。

在现场作业期间，必须遵循“安全第一，预防为主”的原则，在整个安全作业期间，必须遵循以下安全守则。严格执行国家颁布的有关安全生产制度和安全技术操作规程，施工过程中，对安全防范的关键部位进行重点检查，及时排除不安全因素和事故隐患。每次吊装前，必须认真检查吊点、吊钩、吊绳，确保其质量符合要求。无约束组装”吊装过程中，专职安全员应在现场监督，确保施工人员安全，“无约束组装”装置每天开始使用前应进行一次全面安全技术检查。

5科学技术要点

使用SolidWorks进行3D建模展开成平板转化成CAD图并生成FastCAM代码，数控火焰切割机下料保证切割的垂直度及平整度，在平台使用半自动切割机在一面开板厚为44～60mm钢板双面坡口，其精度高，实现在同一面开双面坡口技术，无需工件翻身。该工艺一片卷制成型，一次开设双坡口、针对新材质确定正确焊接参数指定焊接工艺。整体达到管体变形小、板材损耗小、焊接量小，焊接高合格率，并且大大降低了制作成本高。

压力管板卷板时使用三辊卷板机、压头模具、校圆模板等设备，对新型材料07MnMoVR钢板，常规压力钢制造中分瓦片卷制造，通过使用大型卷板机长钢板卷制一次成型，及压头模块解决压力钢板压头及成型问题，解决了分瓦片卷制焊接变形要回卷校圆的问题。

压力钢制造中焊接变形要回卷校圆的问题，采用“米”字型校正工装，仅在一半的支撑杆上安装千斤顶，在焊接前对压力钢管进行校圆，就能达到校正压力钢管的目的，并且通过未安装千斤顶的支撑杆端部与压力钢管内壁的贴合程度，就能预判压力钢管是否已初步校正。解决通过制造校圆“米”字型支撑装置用千斤顶可以达到焊接变形量小焊接后不用回卷校圆。

6结束语

根据各材料压力钢管生产的特点，本文从理论压力钢管的下料、半面开K型坡口工艺、压型校圆的成型工艺、焊接工艺等方面进行探讨，提出了07MnMoVR材质压力钢管生产制造方法，在广西南宁市抽水蓄能电站引水支洞压力钢管制造中成功应用，为类似材质的压力钢管制造技术提供了参考。但是，由于引水支洞金属压力钢管是一种非标准的产品，不同参数条件（如电站水头、压力钢管大小、钢材材质以及水质条件等）对压力钢管的水利特性要求均不同。所以，压力钢管的生产加工中下料、压型、组装、焊接等工艺不能一概而论，应该根据电站的具体条件、设计的具体要求，确定与之对应的工艺路线，才能有效地提高生产效能。

參考文献

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