水電站壓力鋼管的現(xiàn)場自動化焊接建議書

水電站壓力鋼管的現(xiàn)場自動化焊接建議書一、

項目背景

2003年8月14日，美國東北部和加拿大部分地區(qū)突然發(fā)生大面積停電事故，5000萬人遭遇停電襲擊，美國經(jīng)濟(jì)損失每天高達(dá)300億美元。2003年8月28日，英國東南部及倫敦部分地區(qū)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(fā)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(dāng)天發(fā)生大面積停電事故，首都雅加達(dá)也在停電區(qū)域內(nèi)，近1億人口受到影響。

電力安全關(guān)乎國家安全。大面積停電、嚴(yán)重缺電迅速波及整個網(wǎng)絡(luò)，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(yè)"十一五"

發(fā)展規(guī)劃預(yù)測，2010、2020年全國需電量分別達(dá)35500、52530億千瓦時，"十一五"期間增長率為7.5％。根據(jù)預(yù)計到2010年，全國裝機(jī)容量達(dá)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(jìn)水口和水輪機(jī)渦殼或球閥，起著將水由進(jìn)水口引向渦殼或球閥，進(jìn)而推動水輪機(jī)轉(zhuǎn)動的作用。壓力鋼管多用于大、中型水電站，需承受較大的內(nèi)水壓力，且在不穩(wěn)定的水流條件下工作，一旦出現(xiàn)焊接質(zhì)量事故會造成嚴(yán)重后果，故對鋼管及其焊縫的強(qiáng)度和塑、韌性都有較高要求。因此，壓力鋼管通常是根據(jù)其承受內(nèi)水壓的特點和所在地的氣溫條件，選用相應(yīng)的優(yōu)質(zhì)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(shè)中，隨著機(jī)組向高參數(shù)、大容量方向發(fā)展，一條壓力管道的鋼材總重可達(dá)數(shù)百噸乃至數(shù)千噸，結(jié)構(gòu)尺寸龐大。如三峽二期Ⅱ標(biāo)工程左岸廠房l#～10#壩段進(jìn)水口各設(shè)置l條壓力管道，機(jī)組采用單機(jī)管供水方式。壓力鋼管設(shè)計直徑12.4

m，最大設(shè)計內(nèi)水壓力1.4

MPa，結(jié)構(gòu)形式為鋼襯鋼筋混凝土聯(lián)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(nèi)段。其中上斜平段、上彎段、斜直段鋼管材質(zhì)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(zhì)均為高強(qiáng)度(600MPa)調(diào)質(zhì)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(zhì)量約1520t。1#～10#壩段工程質(zhì)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(jié))、管節(jié)加長、焊接環(huán)縫(橫縫)，然后把管節(jié)運(yùn)輸?shù)跹b到安裝位置，固定在基礎(chǔ)支墩上，進(jìn)行環(huán)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(nèi)的焊接生產(chǎn)。另外，水電站壓力鋼管的焊接施工環(huán)境差，作業(yè)條件惡劣，焊接位置復(fù)雜多變，對口質(zhì)量難以保證等諸多因素均不利于保證焊接質(zhì)量；結(jié)構(gòu)尺寸大，散熱速度快，一些常易應(yīng)力腐蝕，發(fā)生脆性斷裂，危害管體壽命。

按上述要求，焊機(jī)最好采用全自動多閉環(huán)控制系統(tǒng)或自適應(yīng)控制系統(tǒng)，這必然導(dǎo)致整個設(shè)備控制系統(tǒng)高度復(fù)雜化，造價太高，并影響其系統(tǒng)可靠性。若降低其復(fù)雜程度，引入部分人工實時調(diào)節(jié)，則要求操作者應(yīng)有熟練的操作技能和靈敏的反應(yīng)能力。因此，選擇造價低、適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡單、焊接效率高的自動化焊接設(shè)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(jìn)或替代焊后熱處理方法，消除殘余拉應(yīng)力，防止應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生。五、

解決方案

考慮以上諸多因素，我們設(shè)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(wù)，稱之為實芯焊絲混合氣體保護(hù)脈沖自動焊。該方案是由實芯焊絲、混合氣體(Ar+CO2)保護(hù)、柔性軌道、附帶人工干預(yù)的焊接參數(shù)自動控制器、脈沖控制器、超聲沖擊設(shè)備組成。

1

實芯焊絲

近幾年來，藥芯焊絲的迅速發(fā)展，尤其是自保護(hù)藥芯焊絲的開發(fā)為野外施工條件下全位置焊接提供了良好的工藝方法。藥芯焊絲與實芯焊絲相比，由于藥芯中加入了穩(wěn)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(xué)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(jìn)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(hù)后，很好地控制了飛濺及焊縫的成型，提高了焊接質(zhì)量，這也是采用實芯焊絲的另一個主要原因。

在西氣東輸?shù)墓艿篮附又?，自動焊選擇的是實芯焊絲，半自動焊選擇的是自保護(hù)藥芯焊絲，這也給水電站壓力鋼管的焊接提供了借鑒。

2

混合氣體(Ar+

CO2)保護(hù)焊

雖然CO2氣體保護(hù)焊也是一種可以進(jìn)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(zhì)量。

Ar+

CO2混合氣體保護(hù)焊具有純CO2和純Ar氣體保護(hù)焊的共同優(yōu)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(zhì)量和生產(chǎn)率；其電弧穿透力強(qiáng)，焊縫熔深大，可減少焊縫層數(shù)；電弧氧化氣氛強(qiáng)，對油、銹的敏感性??；焊后的熱影響區(qū)(HAZ)狹窄，焊縫金屬中含氫量低，焊縫的抗裂性能好，質(zhì)量高。另外，在CO2混合氣體保護(hù)下，熔滴過渡柔和穩(wěn)定，其規(guī)律性和周期性均比較好。

在富氬混合氣體保護(hù)焊時選擇脈沖電源，可使電流具有較寬的調(diào)節(jié)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(dá)到噴射過渡，不僅縮小了熔池體積和熱影響區(qū)，而且易于實現(xiàn)全位置焊接

。

3

柔性軌道

軌道爬行機(jī)構(gòu)是全位置自動焊的必要機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)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(zhì)量的重要條件。國外的爬行機(jī)構(gòu)大都采用柔性(鋼帶)或半柔性(鋁合金型材)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(shè)于鋼管表面，焊接小車架設(shè)在軌道上，利用齒輪、齒條嚙合實現(xiàn)小車全位置爬行，這種爬行機(jī)構(gòu)裝卸較為方便可靠，是目前大直徑鋼管全位置焊接應(yīng)用較多的方式。如美國BUG?O公司生產(chǎn)的全位置自動行走小車，在我國化工建設(shè)系統(tǒng)中已獲得應(yīng)用。本設(shè)計即采用此種軌道，它保證了無論是進(jìn)行環(huán)縫焊接還是進(jìn)行縱縫焊接，都可以使機(jī)頭平穩(wěn)的運(yùn)行。

4

附帶人工干預(yù)的焊接參數(shù)自動控制器一半自動控制的機(jī)頭

為對焊接過程進(jìn)行平穩(wěn)有效地控制，可開發(fā)專用的機(jī)頭。之所以沒有在焊機(jī)機(jī)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(jī)頭擺動可以更有效地控制焊炬擺動方向，從而使焊道準(zhǔn)確；

(2)加裝的傳感器在工作環(huán)境惡劣的情況下容易損壞，這樣就使整個系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性降低，增加了維護(hù)的成本。另外，還時刻開發(fā)操作人員現(xiàn)場使用的手動控制器，用于操縱焊接機(jī)頭的擺動及其它控制參數(shù)。

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(shè)備投資大而不能廣泛應(yīng)用?？紤]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(jī)上的脈沖控制器。該控制器是一種以單片機(jī)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(shù)(峰值電流、基值電流、脈沖頻率、脈寬比)可分別調(diào)節(jié)，并且采用數(shù)碼管監(jiān)視脈沖參數(shù)，控制運(yùn)行狀態(tài)。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(xiàn)形式為表面粗糙，焊縫橫斷面的中部突起，焊趾處出現(xiàn)咬邊。在使用脈沖焊時，熔池的液態(tài)金屬在脈沖電流(電壓)的作用下形成有規(guī)律的振蕩，這種振蕩會把焊縫橫端面中部的液態(tài)金屬推向本應(yīng)該出現(xiàn)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。該脈沖控制器的工作原理：電焊機(jī)脈沖電流控制器在單片機(jī)的控制下，按照脈沖焊的控制要求，生成頻率、脈寬比可調(diào)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(guān)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(jī)的輸出電流。這種數(shù)字化結(jié)構(gòu)還具有運(yùn)行可靠，參數(shù)調(diào)整快捷、準(zhǔn)確，便于應(yīng)用數(shù)碼管等優(yōu)點。

6超聲沖擊設(shè)備

超聲沖擊設(shè)備用于改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的技術(shù)不僅能夠完全消除焊趾部位的拉伸殘余拉應(yīng)力，改善其幾何形狀，而且能夠在焊趾處引入壓縮殘余應(yīng)力，從而不但從根本上消除了應(yīng)力腐蝕，而且焊接接頭經(jīng)這種技術(shù)處理后其疲勞強(qiáng)度可提高26％～132％，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(zhí)行機(jī)構(gòu)輕巧，可控性好，使用靈活方便，效率高等優(yōu)點，且適用于各種接頭，是一種理想的改善焊接接頭疲勞性能的措施。

超聲沖擊設(shè)備是采用三相380V工頻交流輸入,經(jīng)三相全橋可控整流,再通過兩個電解電容濾波獲得高壓直流電,作為IGBT逆變器的工作電源。在可變頻率的驅(qū)動信號作用下,

IGBT

交替通斷,將直流電壓變成20kHz左右的高頻交流。高頻主變壓器將其與負(fù)載隔離、變壓，然后經(jīng)過串聯(lián)匹配電感與并聯(lián)匹配電容,使主變壓器的方波輸出電壓轉(zhuǎn)變成近似于理想正弦波形且與超聲沖擊槍相匹配的同頻交流電,用來激勵超聲功率換能器,使之發(fā)出超聲頻的機(jī)械振動，并通過變幅桿，將機(jī)械振動傳遞到合金沖擊頭上，達(dá)到對焊縫的超聲沖擊作用。

超聲沖擊效果起決定作用的是超聲振動振幅，現(xiàn)在僅有的幾家超聲沖擊設(shè)備供應(yīng)商，能有效實現(xiàn)振