国产800 MPa 级超大型压力钢管纵缝定位焊裂纹缺陷原因分析及处理

赵 爽，王永华，程 惠，孙 文，宋慧涛

（1.中国长江电力股份有限公司白鹤滩电厂筹建处 四川 凉山615400； 2.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都610081）

白鹤滩左、右岸各布置8 条压力钢管，直径10.2～8.6 m，为超大型压力钢管。钢管下弯段和下平段采用国产800 MPa 级高强钢材料，其为国内水电领域国产800 MPa 级高强钢规模性应用的首例。白鹤滩压力钢管制造前期，800 MPa 定位焊过程中，出现多处裂纹。

为避免裂纹缺陷，确保800 MPa 级压力钢管管节制造质量，并为压力钢管安装环缝焊接提供技术准备，工程参建方组织成立“国产800 MPa 级超大型压力钢管制造纵缝定位焊裂纹缺陷攻关”小组，对压力钢管制造纵缝定位焊裂纹缺陷进行QC攻关。

1 实施过程

1.1 现状调查

1.1.1 历史数据调查

小组成员对白鹤滩右岸首批800 MPa 级压力钢管（压力钢管编号10号-09、09号-09）纵缝定位焊的裂纹情况进行了调查和统计，具有以下特征：

（1）定位焊出现裂纹的位置点呈离散分布，缺陷率14.6%，缺陷具体分布见表1 和表2。

（2）定位焊裂纹位置均在焊缝中心，母材及热影响区无焊接缺陷。

表1 09号-09 管节制作纵缝定位焊裂纹统计

表2 10号-09 管节制作纵缝定位焊裂纹统计

1.1.2 压力钢管制造概况

白鹤滩水电站引水压力钢管全部在工地制造，每节压力钢管3 条纵缝，纵缝正式焊接前，需进行定位焊。

2016 年7 月9 日开始首批右岸电站首批800 MPa 级管节焊接，管节编号为09号-09、10号-09。

1.2 目标设定

目标设定为：彻底消除800 MPa 级超大型压力钢管制造纵缝定位焊裂纹缺陷，使缺陷率由14.6%降为0。

1.3 原因分析及要因确认

1.3.1 原因分析

目标明确以后，QC 小组针对出现的焊缝缺陷进行了细致分析和解剖，按照“人，机，料，法，环，测”类别逐个分析找末端原因。

表3 纵缝定位焊裂纹缺陷原因分析

1.3.2 要因确认

（1）定位焊预热方法不合理

1）在定位焊长度100 mm、焊缝两侧各50 mm范围内，选取9 个点进行温度实时监测，对比预热温度离散性，如图1 所示。

2）达到预热温度后，对以上9 个点进行实时监测，监测时间分别为5 min、10 min，如图2、图3所示。

3）按以上方法，任意选取3 组定位焊，监测3 组数据。

图1 烤枪预热的温度在同一区域的不均匀性

图2 烤枪预热的同一检测区域5 min 的温度下降曲线

图3 烤枪预热的同一检测区域10 min 的温度下降曲线

从以上试验数据结果看，若采用烤枪预热方式，预热时间较长，而且温度不均匀，10 min 以后温度下降较快，不利于保温；确认结果为要因。

（2）定位焊长度、厚度及间距参数选择不合理

通过对2 节钢管分别采用定位焊工艺规定的上、下限工艺参数进行效果检查。统计见表4、表5。

表4 下限工艺参数焊接质量检查统计表 单位：mm

表5 上限工艺参数焊接质量检查统计表 单位：mm

通过两组定位焊上、下限工艺参数的对比试验，可以明显看出，实际施工中，未结合工程特点，直接选取下限定位焊工艺参数，是造成定位焊裂纹的又一要因。

1.4 制定对策

对策优化之后，小组按照5W1H 原则制定了对策表（见表6）。

表6 对策计划表

1.5 对策实施

根据制定的对策表，QC 小组在施工全过程中按对策组织实施。

1.5.1 对策1：采用红外线加热垫预热

小组成员选取采用红外线加热板预热的方式，通过试验证明采用红外线加热垫预热，温度均匀，温差小于20 ℃，如图4 所示；温度下降缓慢，1 h 内温度降幅小于20 ℃；定位焊预热温度始终保持120～150 ℃范围内，纵缝正式开焊前温度控制在100～120 ℃范围内，如图5 和图6 所示。

图4 红外线加热板预热温度在同一区域的不均匀性

图5 红外线加热板预热的同一检测区域5 min 的温度 下降曲线

图6 红外线加热板预热的同一检测区域10 min 的温度 下降曲线

并在实际预热过程中，采取多项试验，反复论证，最终得出预热区的宽度为焊缝中心线两侧各3倍板厚且不应小于100 mm。

1.5.2 对策2：纵缝定位焊间距减少至200 mm

针对定位焊间距的问题，QC 小组制作了专用测量划线工装，在纵缝定位焊焊接前，利用工装在母材坡口处进行划线标识。定位焊接过程中，严格按照划线标识的区域进行定位焊接，保证定位焊间距控制在200 mm。

实施结果表明，辅助使用测量工装，能严格保证定位焊间距200 mm。

2 效果检查与巩固措施

2.1 效果检查

通过QC 活动制定对策并实施后，截止2017 年6 月底，共制造102 个管节，未发生定位焊裂纹。

因此，小组得出结论：白鹤滩电站800 MPa 压力钢管纵缝定位焊裂纹缺陷已由14.6%降为0，达到设定目标。

2.2 制定巩固措施

我们将QC 活动中所采取的各项措施编入压力钢管制造焊接培训课件中，用以对相关管理人员及现场工人进行系统的培训指导，并于2016 年10 月制定了《800 MPa 级高强钢压力钢管定位焊作业指导书》、《焊接质量控制标准及奖惩细则》，以保证这些措施能够真正落实到位。

3 总结

通过本次QC 小组活动，根据PDCA 的程序，运用各种质量管理工具、统计手段和专用工器具，经过多次集中讨论和现场试验，拟定技术方案，改进了压力钢管纵缝定位焊的焊接工艺，解决了800 MPa 级高强钢定位焊裂纹的问题，保证了白鹤滩电站压力钢管制造质量，为白鹤滩电站建成世界精品工程打下坚实的基础，也为今后国内外水电领域高强钢的焊接提供了重要参考和借鉴。