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12.4m，最大设计内水压力1.4MPa，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、28mm、30mm、34mm；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34mm、44(46)mm、54(58)mm、60mm。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8m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8m，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。该方案是由实芯焊丝、混合气体(Ar+CO2)保护、柔性轨道、附带人工干预的焊接参数自动控制器、脉冲控制器、超声冲击设备组成。1实芯焊丝近几年来，药芯焊丝的迅速发展，尤其是自保护药芯焊丝的开发为野外施工条件下全位置焊接提供了良好的工艺方法。药芯焊丝与实芯焊丝相比，由于药芯中加入了稳弧剂、造渣剂、合金剂等，使其焊接工艺性能得到改善，克服了实芯焊丝飞溅大、成型差的缺点，改善了焊缝力学性能，尤其是冲击韧性。但我们最终选择实芯焊丝而没有使用药芯焊丝，主要是从成本和效果两方面进行考虑：(1)药芯焊丝在我国还并不普及，而且售价要高出实芯焊丝很多，成本较高；(2)采用Ar+CO2混合气体保护后，很好地控制了飞溅及焊缝的成型，提高了焊接质量，这也是采用实芯焊丝的另一个主要原因。在西气东输的管道焊接中，自动焊选择的是实芯焊丝，半自动焊选择的是自保护药芯焊丝，这也给水电站压力钢管的焊接提供了借鉴。2混合气体(Ar+CO2)保护焊虽然CO2气体保护焊也是一种可以进行全位置焊接的方法，但其低温冲击韧性较差，焊接时飞溅大，焊道成型差、不美观，影响焊缝质量。Ar+CO2混合气体保护焊具有纯CO2和纯Ar气体保护焊的共同优点：其电流密度大，热量集中；明弧，易于观察；无渣，在多层焊时可省去清渣工序；焊接变形量小，有利于提高焊接质量和生产率；其电弧穿透力强，焊缝熔深大，可减少焊缝层数；电弧氧化气氛强，对油、锈的敏感性小；焊后的热影响区(HAZ)狭窄，焊缝金属中含氢量低，焊缝的抗裂性能好，质量高。另外，在CO2混合气体保护下，熔滴过渡柔和稳定，其规律性和周期性均比较好。在富氩混合气体保护焊时选择脉冲电源，可使电流具有较宽的调节范围，在焊接时可用低于喷射过渡临界电流的平均电流来达到喷射过渡，不仅缩小了熔池体积和热影响区，而且易于实现全位置焊接。3柔性轨道轨道爬行机构是全位置自动焊的必要机构，其结构的合理性，使用的方便性和可靠性是确保得到良好焊接过程和质量的重要条件。国外的爬行机构大都采用柔性(钢带)或半柔性(铝合金型材)轨道，前者用于较小直径管道焊接，后者用于大直径管道焊接。借助于真空吸盘或永磁铁块将轨道铺设于钢管表面，焊接小车架设在轨道上，利用齿轮、齿条啮合实现小车全位置爬行，这种爬行机构装卸较为方便可靠，是目前大直径钢管全位置焊接应用较多的方式。如美国BUG•O公司生产的全位置自动行走小车，在我国化工建设系统中已获得应用。本设计即采用此种轨道，它保证了无论是进行环缝焊接还是进行纵缝焊接，都可以使机头平稳的运行。4附带人工干预的焊接参数自动控制器一半自动控制的机头为对焊接过程进行平稳有效地控制，可开发专用的机头。之所以没有在焊机机头上加装传感器而全自动化是因为：(1)焊接大直径压力钢管时，焊速很慢，通过人为地手动控制机头摆动可以更有效地控制焊炬摆动方向，从而使焊道准确；(2)加装的传感器在工作环境恶劣的情况下容易损坏，这样就使整个系统的运行可靠性降低，增加了维护的成本。另外，还时刻开发操作人员现场使用的手动控制器，用于操纵焊接机头的摆动及其它控制参数。5脉冲控制器实芯焊丝自动焊采用脉冲电源可获得较为理想的焊接效果，但由于设备投资大而不能广泛应用。考虑到工程实际，可以选用上海宣邦研制的直接安在普通直流电焊机上的脉冲控制器。该控制器是一种以单片机为核心的脉冲电流控制器。它包括三种输出控制形式，即恒定峰值焊接电流的控制输出、恒定基值焊接电流的控制输出、峰值一基值脉冲焊接电流的控制输出。脉冲电流各参数(峰值电流、基值电流、脉冲频率、脉宽比)可分别调节，并且采用数码管监视脉冲参数，控制运行状态。为了获得同样的熔深，在提高焊接速度的同时必须加大焊接电流。但一般情况下会伴随焊缝成型的恶化，表现形式为表面粗糙，焊缝横断面的中部突起，焊趾处出现咬边。在使用脉冲焊时，熔池的液态金属在脉冲电流(电压)的作用下形成有规律的振荡，这种振荡会把焊缝横端面中部的液态金属推向本应该出现咬边的焊趾处，既提高了焊接速度又获得了良好的焊缝成型。该脉冲控制器的工作原理：电焊机脉冲电流控制器在单片机的控制下，按照脉冲焊的控制要求，生成频率、脉宽比可调的脉冲控制信号，将峰值电流给定及基值电流给定顺序通过高速电子开关送往受控制的弧焊电源外接端子板，并以遥控电流给定的方式控制电焊机的输出电流。这种数字化结构还具有运行可靠，参数调整快捷、准确，便于应用数码管等优点。6超声冲击设备超声冲击设备用于改善焊接结构疲劳性能的技术不仅能够完全消除焊趾部位的拉伸残余拉应力，改善其几何形状，而且能够在焊趾处引入压缩残余应力，从而不但从根本上消除了应力腐蚀，而且焊接接头经这种技术处理后其疲劳强度可提高26％～132％，疲劳寿命可延长5-100倍。同时，超声冲击处理具有成本低、噪声小，执行机构轻巧，可控性好，使用灵活方便，效率高等优点，且适用于各种接头，是一种理想的改善焊接接头疲劳性能的措施。超声冲击设备是采用三相380V工频交流输入,经三相全桥可控整流,再通过两个电解电容滤波获得高压直流电,作为IGBT逆变器的工作电源。在可变频率的驱动信号作用下,IGBT交替通断,将直流电压变成20kHz左右的高频交流。高频主变压器将其与负载隔离、变压，然后经过串联匹配电感与并联匹配电容,使主变压器的方波输出电压转变成近似于理想正弦波形且与超声冲击枪相匹配的同频交流电,用来激励超声功率换能器,使之发出超声频的机械振动，并通过变幅杆，将机械振动传递到合金冲击头上，达到对焊缝的超声冲击作用。超声冲击效果起决定作用的是超声振动振幅，现在仅有的几家超声冲击设备供应商，能有效实现振幅控制的不多，在技术上不能得到保证，经调查目前只有上海宣邦金属新材料科技有限公司出品的焊后残余应力消除设备系列产品掌握了此项技术，因此可选用