呼和浩特抽水蓄能電站790MPa級高強鋼殘余應力測試

陳初龍，鐵朝虎，余　健，王　浩

（中國長江三峽集團呼和浩特抽水蓄能發電有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010051）

呼和浩特抽水蓄能電站790MPa級高強鋼殘余應力測試

陳初龍，鐵朝虎，余健，王浩

（中國長江三峽集團呼和浩特抽水蓄能發電有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010051）

摘要：主要介紹了殘余應力測試的方法和原理等，應用X射線衍射法對國內首次大規模應用790 MPa級高強鋼的呼和浩特抽水蓄能電站引水系統壓力鋼管的焊接殘余應力進行了測試，測試成果為機組充水后的壓力鋼管安全運行提供了技術分析和檢驗依據，也為后續類似電站使用790MPa高強鋼板做好技術儲備。

關鍵詞：X射線衍射法；高強鋼；殘余應力；測試

1　工程概況

呼和浩特抽水蓄能電站（以下簡稱“呼蓄電站”）位于內蒙古自治區呼和浩特市東北部的大青山區，工程由上水庫、水道系統、地下廠房系統及下水庫等建筑物組成，總裝機容量為1 200MW，安裝4臺單機容量為300MW的混流可逆式水泵-水輪機組。水道系統由上水庫進出水口、引水隧洞、引水調壓井、壓力管道、尾水隧洞和下水庫進出水口組成，引水系統采用一管兩機直進直出廠房的布置方式。2條引水系統的壓力鋼管相互平行，分別由上彎管段、上斜井、中平段、下斜井、下平段、岔管段及兩條支管段組成，主管直徑為5.4～4.6m，支管直徑3.2m，每條壓力管道長約1 200m，全部為鋼板襯砌，額定水頭521m。分別在距廠房上游邊墻65m和50m處布置兩個高壓鋼岔管，兩個岔管體形尺寸完全相同，采用對稱“Y”型內加強月牙肋型結構，設計內水壓力9.06MPa，采用國產790MPa級高強鋼板制造，HD值達到4 168m2，是目前國內已建（在建）水電工程中HD值最大的鋼岔管。

2　測試目的、方法及原理

2.1測試目的

呼蓄電站首次在高水頭電站大規模使用國產790MPa高強鋼板，為了進一步研究和掌握790MPa級高強鋼壓力鋼管在安裝過程中，由于焊接施工、安裝條件等因素的影響，對施工過程中所產生的焊接殘余應力以及焊接殘余應力分布狀態與水平進行量化的檢驗測試，選取了790MPa引水壓力鋼管有代表性的地方進行殘余應力測試，為機組充水后的壓力鋼管安全運行提供技術分析和檢驗依據。同時，為后續類似電站使用790MPa高強鋼板做好技術儲備。

2.2測試方法

殘余應力的測試方法可以分為有損和無損兩大類。有損測試方法就是應力釋放法，也可以稱為機械的方法；無損方法就是物理的方法。機械方法目前用得最多的是鉆孔法（盲孔法），其次還有針對一定對象的環芯法、取條法、切槽法、剝層法、壓痕應變法等。其優點是測量方法簡便，但對構件構成損傷，在高強鋼結構上不建議采用。物理方法中用得最多的是X射線衍射法，其他主要物理方法還有中子衍射法、磁彈法、超聲法、電子散斑干涉法等。它對被測構件無損害，但對測試工作的技術條件要求高、勞動強度大、儀器成本也高。

本次焊接殘余應力測試采用X射線衍射法。在各種無損測定殘余應力的方法之中，X射線衍射法被公認為最可靠和最實用的。它原理成熟，方法完善，經歷了70余年的進程，在國內外廣泛應用于機械工程和材料科學，取得了卓著成果。

2.3測試原理

X射線殘余應力測試方法的原理是基于著名的布拉格方程2dsinθ=nλ：即一定波長的X射線照射到晶體材料上，相鄰兩個原子面衍射時的X射線光程差正好是波長的整數倍。通過測量衍射角變化Δθ從而得到晶格間距變化Δd，根據胡克定律和彈性力學原理，計算出材料的殘余應力（見圖1）。

圖1　X射線殘余應力測試原理

根據彈性力學理論，在宏觀各向同性晶體材料上角度φ和ψ方向的應變可以用如下方程表述：

圖2ε與sin2對應函數關系曲線

X射線應力測定儀是一種簡化和實用化的X射線衍射裝置，因而它還有一項附加的功能──測定鋼中殘余奧氏體含量。由于它適用于各種實體工件，而且能夠針對同一點以不同的角、角進行測試，以探測織構的影響，這項功能便具備了重要而獨特的用途。

3　殘余應力測區布置與處理

3.1測區布置原則

殘余應力測區選在引水隧洞水平段、漸變段、岔管與支管連接焊縫、下彎段等790MPa級鋼管段，包括現場安裝的8處丁字縫、7處環縫以及廠內制作的2處縱縫，每個測區包括焊縫、熔合線以及熱影響區，測點主要為壓力鋼管在制作安裝中可能存在應力較大以及運行工況最不利的焊縫部位。測區在做到全覆蓋的前提下，選擇具有代表性、能全面反映引水壓力鋼管應]力分布情況，[結合測試方案]及鋼管特性，明確了殘余應力檢測部位分別布置在材質為790MPa高強鋼焊縫上，具體位置如下：

1）1號引水壓力鋼管高壓鋼岔管的主管測1處丁字縫和1處環縫；一條支管測1處環縫。

2）1號引水壓力鋼管中平段湊合節兩條對接合攏環縫各1處丁字縫和1處環縫（共4處）。

3）1號引水壓力鋼管兩條高壓支管的第一節錐管和上游直管相連的環縫上各1處丁字縫。

4）1號引水壓力鋼管的7號彎管段1處丁字縫；2號引水壓力鋼管的8號彎管段1處腰線處的.T環r(縫)。

5）1號引水壓力鋼管下平段在管徑4.6m和3.2m（高壓支管段）的管節分別選1處丁字縫。

6）1號引水壓力鋼管兩條高壓支管最后一節管徑為2m的明管段分別選1處縱縫。

7）由壓力鋼管安裝單位根據現場安裝焊接返修較多的部位選取3個測區。

3.2測區表面的預處理

被測焊縫表面用角向磨光機磨除待測區域焊縫余高，露出金屬光澤。用砂紙拋光輪將測區進行拋光，用飽和鹽水電解質對測區進行電解拋光，直至消除磨痕，并清晰地分辨出焊縫、熔合線和熱影響區。

在測區表面用鋼板尺和鉛筆沿焊縫垂直方向劃一條直線，確定焊縫中心0點和熔合線的位置，并按圖3、圖4標出測點位置。σx表示與焊縫方向平行的殘余應力，σy表示與焊縫方向垂直的殘余應力。

圖3　環縫和縱縫測區的測點布置示意圖

圖4　T字縫測區的測點布置示意圖

4　測試結果與分析

4.1測試數據

2014年4月3日至2014年6月4日，內蒙古呼和浩特抽水蓄能發電有限責任公司委托水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心，對壓力鋼管材質為790MPa高強鋼焊縫進行了焊接殘余應力測試。測試數據統計如下：

1）1號壓力鋼管中平段2個丁字縫測區和1個環縫測區，共檢測50個測點；1號壓力鋼管下彎段1個丁字縫測區，測點21個；下平段岔管前布置測區5個，其中丁字縫測區2個，環縫測區3個，測點共63個；下平段岔管后布置9個測區，測點共105個。

2）2號壓力鋼管下平段岔管前布置1個環縫測區，測點7個；岔管后布置1個環縫測區，測點7個。

以上總共布置測區20個，測點253個。

4.2測試結果分析

按照相關方制定的測試部位對2條790MPa高強鋼壓力鋼管中平段、下平段20個不同典型部位共計253個測點進行了焊接殘余應力測試，每個測點測試平行于焊縫和垂直于焊縫兩個方向的殘余應力。總體上看，大部分焊縫殘余應力數值遠低于材料的金屬材料規定非比例延伸強度（Rp0.2）。

全部測試數據中共有5個點超過了790MPa級高強鋼的金屬材料規定非比例延伸強度（Rp0.2=665MPa）。這5個點分別位于1號岔管與1號支管第1管節環縫（1號岔管/Z1-1環縫）的10y測點（軸向殘余應力測試值為798MPa）、1號岔管與1號支管第1管節環縫（1號岔管/Z1-1環縫）的0y測點（軸向殘余應力測試值為729MPa）、1號支管第16/17管節丁字頭（Z1-16/17丁字頭）的2-15y測點（軸向殘余應力測試值為 676 MPa）、1號支管第 22/23管節（Z1-22/23環縫）的-10y測點（軸向殘余應力測試值為671MPa）和2號岔管與1號支管第1管節環縫（2號岔管/z1-1環縫）的0y測點（測試值為728MPa）。

表1　鋼管焊接殘余應力測試結果統計表

另外1號壓力鋼管中平段合攏縫209/210管節丁字縫軸向殘余應力達到657MPa，殘余應力值較高。

從測試結果來看，支管與兩臺鋼岔管與相連的焊縫軸向殘余應力數值較大，1號岔管/Z1-1環縫最大軸向殘余應力達到798MPa，1號岔管/Z2-1環縫的最大軸向殘余應力達到648MPa，2號壓力鋼管2號岔管/z1-1環縫測區環縫最大軸向殘余應力達到728MPa。上述區域的其他測點軸向殘余應力值也偏高。

采用X射線衍射法測得的應力數值是根據材料彈性理論計算得到，若測試數據高于材料的規定非比例延伸強度（Rp0.2=665MPa），該測點殘余應力數據只作為參考，表明該測區焊縫處焊接殘余應力水平較高。

5　結論

從殘余應力測試數據總體上看，大部分焊縫殘余應力數值較低。反映出壓力鋼管在安裝過程中控制殘余應力的工藝措施能得到有效控制。

引水壓力鋼管790MPa高強鋼材料的斷后伸長率供貨指標大于15%，具有較好的塑性。在內水壓力工況下，靜載的工作應力與焊接殘余應力疊加，材料尚具有足夠的塑性裕量。但應注意在交變載荷作用下，動應力與焊接殘余應力疊加，對材料的變形性能有不利影響。

幾處焊縫殘余應力較大數值均為軸向拉應力，表明該處焊縫焊接時受到了較大的外部拘束。建議加強對焊接殘余應力水平較高的相關部位進行定期無損檢測，確保鋼管安全運行。

參考文獻：

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[5]SL536-2011X射線衍射應力測定裝置校驗方法[S].北京：中國水利水電出版社，2011.

中圖分類號：TG40

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）06-0039-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.011

收稿日期：2015-04-01

作者簡介：陳初龍（1964-），男，高級工程師，從事水電站設備物資質量管理工作。